4種近距離傳感器技術(shù)比較

作為一種非接觸式方法，最常用的方法是提供簡(jiǎn)單的物體檢測(cè)或?qū)ξ矬w的精確距離測(cè)量，現(xiàn)在有許多技術(shù)屬于接近傳感器層次，每種技術(shù)都提供不同的工作原理、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

然而，有了如此多的選擇，工程師如何選擇最適合他們的設(shè)計(jì)的技術(shù)呢？

為了幫助設(shè)計(jì)師在這一過(guò)程中，本文將討論四種最流行的近距離傳感器技術(shù)，這些技術(shù)將實(shí)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(cè)范圍：

• 超聲波

• 光電

• 激光測(cè)距儀

• 感應(yīng)式傳感器

電容式和霍爾效應(yīng)傳感器是另外兩種流行的近距離傳感器技術(shù)，由于它們?cè)诜浅＝嚯x探測(cè)場(chǎng)景中的使用通常有限，因此本文將不考慮這些技術(shù)。

在深入研究上述四種技術(shù)之前，需要注意的是，沒(méi)有一種接近傳感器技術(shù)能夠?yàn)槊糠N應(yīng)用和預(yù)期用途提供一刀切的解決方案。在選擇接近傳感器技術(shù)時(shí)，有許多因素需要考慮，例如成本、檢測(cè)范圍、封裝尺寸、刷新率和材料的影響。

了解每種技術(shù)屬于這些不同因素的范圍，以及對(duì)最終應(yīng)用最關(guān)鍵的是做出正確選擇的關(guān)鍵。

超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波脈沖并測(cè)量脈沖從物體上反彈并返回所需的時(shí)間。它們可以用來(lái)計(jì)算到所述物體的距離，或者簡(jiǎn)單地檢測(cè)到它的存在。

超聲波傳感器的實(shí)現(xiàn)可以使用****機(jī)和接受者其中********啁啾并由接收器檢測(cè)到的模塊，或者****和接收功能可以組合成一個(gè)稱為超聲波收發(fā)器. 在使用單獨(dú)的****機(jī)和接收機(jī)模塊的實(shí)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(shù)的一般實(shí)現(xiàn)

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

因?yàn)槌暡▊鞲衅魇腔诼曇舳皇请姶挪?，物體的顏色和透明度，以及在光或暗環(huán)境中的操作，對(duì)精度和功能沒(méi)有影響。此外，隨著時(shí)間的推移，聲波的探測(cè)范圍也在增加，這可能是設(shè)計(jì)需要的強(qiáng)項(xiàng)或弱點(diǎn)。

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(huì)極大地影響超聲波傳感器的精度。這可以通過(guò)測(cè)量溫度來(lái)抵消，以更新任何計(jì)算，但這仍然是技術(shù)的一個(gè)限制。

這些聲波也會(huì)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(duì)聲波的依賴性意味著它們?cè)跊](méi)有聲音傳輸介質(zhì)的真空中無(wú)法正常工作。CUI設(shè)備的博客，超聲波傳感器基礎(chǔ)進(jìn)一步的技術(shù)包括

最有效的缺勤或存在檢測(cè)，光電傳感器通常被認(rèn)為是用于車庫(kù)門傳感器或商店的住戶計(jì)數(shù)，以及其他工業(yè)、住宅和商業(yè)應(yīng)用。由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，光電傳感器通常具有較長(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。

它們提供幾種不同的實(shí)現(xiàn)方式：穿透光束、后向反射和漫反射。

穿透光束的實(shí)現(xiàn)（圖2）是一個(gè)可以識(shí)別為上面提到的車庫(kù)門傳感器，****和接收器彼此相對(duì)放置。這兩點(diǎn)之間光束的任何中斷都會(huì)向傳感器顯示物體的存在。

圖2對(duì)射實(shí)施

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

圖3反向反射實(shí)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(shí)現(xiàn)不具備計(jì)算距離的能力。

圖4漫反射實(shí)現(xiàn)

不同的實(shí)現(xiàn)方式也有各自的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榇┩腹馐秃笙蚍瓷涮峁┝溯^長(zhǎng)的探測(cè)范圍和快速的響應(yīng)時(shí)間，而漫反射則擅長(zhǎng)于探測(cè)小物體。光電傳感器也是工業(yè)環(huán)境中常見(jiàn)的一種可靠的解決方案，只要透鏡不受污染。也就是說(shuō)，距離計(jì)算實(shí)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(huì)引起問(wèn)題。

各種光電實(shí)現(xiàn)還需要仔細(xì)安裝和校準(zhǔn)，這可能會(huì)導(dǎo)致復(fù)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(cè)距傳感器的工作原理與超聲波傳感器相似。雖然近年來(lái)這項(xiàng)技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上變得更加可行，但與超聲波和其他技術(shù)相比，它仍然是一個(gè)更昂貴的選擇。

激光測(cè)距技術(shù)確實(shí)具有極高的探測(cè)范圍，高達(dá)數(shù)百或數(shù)千英尺，同時(shí)響應(yīng)速度也很快。由于光速遠(yuǎn)快于聲速，飛行時(shí)間測(cè)量對(duì)激光測(cè)距傳感器來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。這就是可以利用干涉測(cè)量等實(shí)現(xiàn)來(lái)降低成本和提高精度的地方。

圖5典型的激光測(cè)距干涉測(cè)量裝置

如前所述，激光測(cè)距是目前為止本文討論的最昂貴的技術(shù)，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(shù)中使用的激光器也會(huì)消耗大量的能量，限制了它在便攜式應(yīng)用中的應(yīng)用，同時(shí)也會(huì)給用戶帶來(lái)潛在的眼睛安全風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)預(yù)期的應(yīng)用，激光相對(duì)集中的傳感區(qū)域和缺乏色散可以被視為一種優(yōu)勢(shì)或局限。激光測(cè)距儀在處理水或玻璃時(shí)也表現(xiàn)不佳。

雖然感應(yīng)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(yīng)用。然而，與目前討論的其他三種技術(shù)不同，感應(yīng)技術(shù)只適用于金屬物體。

當(dāng)金屬物體進(jìn)入其探測(cè)范圍時(shí)，感應(yīng)傳感器通過(guò)探測(cè)磁場(chǎng)的變化來(lái)工作。這是任何金屬探測(cè)器的基本工作原理。

圖6感應(yīng)式傳感器用于探測(cè)金屬物體

除了普通的金屬探測(cè)器之外，感應(yīng)式傳感器的探測(cè)范圍很廣，一般在毫米到米之間。這可能包括近距離應(yīng)用程序，如計(jì)算齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，或更遠(yuǎn)距離的應(yīng)用程序，如道路上的車輛檢測(cè)。

它們對(duì)含鐵材料（即鐵和鋼）的性能最好，但仍能以較小的探測(cè)范圍探測(cè)非磁性物體。感應(yīng)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(lái)源的干擾。

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

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

盡管每種技術(shù)都有其最合適的用途，但超聲波傳感器通常是一個(gè)很好的整體選擇，因?yàn)樗鼈兂杀镜停軌蛲瑫r(shí)檢測(cè)存在和距離，而且通常簡(jiǎn)單易行。這就是為什么超聲波傳感器在如此廣泛的設(shè)計(jì)中被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)不斷發(fā)現(xiàn)新的用途和應(yīng)用。