4種近距離傳感器技術比較

作為一種非接觸式方法，最常用的方法是提供簡單的物體檢測或對物體的精確距離測量，現(xiàn)在有許多技術屬于接近傳感器層次，每種技術都提供不同的工作原理、優(yōu)點和缺點。

然而，有了如此多的選擇，工程師如何選擇最適合他們的設計的技術呢？

為了幫助設計師在這一過程中，本文將討論四種最流行的近距離傳感器技術，這些技術將實際適用于便攜式或小型固定嵌入式系統(tǒng)，并且適用于從幾英寸到幾十英尺的中等探測范圍：

• 超聲波

• 光電

• 激光測距儀

• 感應式傳感器

電容式和霍爾效應傳感器是另外兩種流行的近距離傳感器技術，由于它們在非常近距離探測場景中的使用通常有限，因此本文將不考慮這些技術。

在深入研究上述四種技術之前，需要注意的是，沒有一種接近傳感器技術能夠為每種應用和預期用途提供一刀切的解決方案。在選擇接近傳感器技術時，有許多因素需要考慮，例如成本、檢測范圍、封裝尺寸、刷新率和材料的影響。

了解每種技術屬于這些不同因素的范圍，以及對最終應用最關鍵的是做出正確選擇的關鍵。

超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波脈沖并測量脈沖從物體上反彈并返回所需的時間。它們可以用來計算到所述物體的距離，或者簡單地檢測到它的存在。

超聲波傳感器的實現(xiàn)可以使用****機和接受者其中********啁啾并由接收器檢測到的模塊，或者****和接收功能可以組合成一個稱為超聲波收發(fā)器. 在使用單獨的****機和接收機模塊的實現(xiàn)中，它們通常盡可能靠近以獲得最大精度。

圖1超聲波技術的一般實現(xiàn)

由于其簡單的設計，超聲波傳感器是一個低成本的選擇，具有許多優(yōu)點，使其非常適合廣泛的應用。超聲波傳感器每秒能發(fā)出數(shù)百個脈沖，具有高刷新率，精確度高。

因為超聲波傳感器是基于聲音而不是電磁波，物體的顏色和透明度，以及在光或暗環(huán)境中的操作，對精度和功能沒有影響。此外，隨著時間的推移，聲波的探測范圍也在增加，這可能是設計需要的強項或弱點。

雖然聲音不受光或暗的影響，但聲音的速度受空氣溫度變化的影響。溫度的任何劇烈變化都會極大地影響超聲波傳感器的精度。這可以通過測量溫度來抵消，以更新任何計算，但這仍然是技術的一個限制。

這些聲波也會受到軟材料或吸收性材料的限制，這些材料不允許聲音有效地反彈。最后，超聲波傳感器不適用于水下使用，它們對聲波的依賴性意味著它們在沒有聲音傳輸介質的真空中無法正常工作。CUI設備的博客，超聲波傳感器基礎進一步的技術包括

最有效的缺勤或存在檢測，光電傳感器通常被認為是用于車庫門傳感器或商店的住戶計數(shù)，以及其他工業(yè)、住宅和商業(yè)應用。由于沒有運動部件，光電傳感器通常具有較長的產(chǎn)品生命周期。他們能夠感知大多數(shù)材料，但透明物體或水可能會導致問題。

它們提供幾種不同的實現(xiàn)方式：穿透光束、后向反射和漫反射。

穿透光束的實現(xiàn)（圖2）是一個可以識別為上面提到的車庫門傳感器，****和接收器彼此相對放置。這兩點之間光束的任何中斷都會向傳感器顯示物體的存在。

圖2對射實施

后向反射（圖3）將****和接收器相鄰放置，反向反射器相對放置，反射從****到接收器的光束。

圖3反向反射實施

漫反射（圖4）的工作原理類似于逆反射，但它不是將光束從反射器上反彈，而是將光束從任何附近的物體上反彈，就像超聲波傳感器一樣。但是，此實現(xiàn)不具備計算距離的能力。

圖4漫反射實現(xiàn)

不同的實現(xiàn)方式也有各自的優(yōu)勢，因為穿透光束和后向反射提供了較長的探測范圍和快速的響應時間，而漫反射則擅長于探測小物體。光電傳感器也是工業(yè)環(huán)境中常見的一種可靠的解決方案，只要透鏡不受污染。也就是說，距離計算實際上是光電傳感器不存在的能力，物體的顏色和反射率都會引起問題。

各種光電實現(xiàn)還需要仔細安裝和校準，這可能會導致復雜系統(tǒng)中的額外挑戰(zhàn)。

利用電磁光束而不是聲波，激光測距傳感器的工作原理與超聲波傳感器相似。雖然近年來這項技術在經(jīng)濟上變得更加可行，但與超聲波和其他技術相比，它仍然是一個更昂貴的選擇。

激光測距技術確實具有極高的探測范圍，高達數(shù)百或數(shù)千英尺，同時響應速度也很快。由于光速遠快于聲速，飛行時間測量對激光測距傳感器來說是一個挑戰(zhàn)。這就是可以利用干涉測量等實現(xiàn)來降低成本和提高精度的地方。

圖5典型的激光測距干涉測量裝置

如前所述，激光測距是目前為止本文討論的最昂貴的技術，這使得它不太適用于許多工程師的材料清單。這種傳感器技術中使用的激光器也會消耗大量的能量，限制了它在便攜式應用中的應用，同時也會給用戶帶來潛在的眼睛安全風險。

根據(jù)預期的應用，激光相對集中的傳感區(qū)域和缺乏色散可以被視為一種優(yōu)勢或局限。激光測距儀在處理水或玻璃時也表現(xiàn)不佳。

雖然感應式傳感器基于一種較舊的工作原理，但最近得到了更廣泛的應用。然而，與目前討論的其他三種技術不同，感應技術只適用于金屬物體。

當金屬物體進入其探測范圍時，感應傳感器通過探測磁場的變化來工作。這是任何金屬探測器的基本工作原理。

圖6感應式傳感器用于探測金屬物體

除了普通的金屬探測器之外，感應式傳感器的探測范圍很廣，一般在毫米到米之間。這可能包括近距離應用程序，如計算齒輪轉動次數(shù)，或更遠距離的應用程序，如道路上的車輛檢測。

它們對含鐵材料（即鐵和鋼）的性能最好，但仍能以較小的探測范圍探測非磁性物體。感應式傳感器操作靈活，更新速度極快。然而，它們最終受到它們所能感知到的東西的限制，并且容易受到各種來源的干擾。

在選擇接近傳感器技術時，有許多因素需要考慮。了解本文中討論的不同技術的優(yōu)點和折衷可以使選擇過程更容易。

表1根據(jù)成本、范圍、尺寸、刷新率和材料效果對覆蓋的接近傳感器進行矩陣比較。

盡管每種技術都有其最合適的用途，但超聲波傳感器通常是一個很好的整體選擇，因為它們成本低，能夠同時檢測存在和距離，而且通常簡單易行。這就是為什么超聲波傳感器在如此廣泛的設計中被發(fā)現(xiàn)，同時不斷發(fā)現(xiàn)新的用途和應用。