接近傳感器：回顧不同的技術(shù)

2021-05-31

接近傳感器：回顧不同的技術(shù)

最常用的非接觸方法是提供簡(jiǎn)單的對象檢測或對對象的精確距離測量，現在有許多技術(shù)屬于接近傳感器層次結構，每種技術(shù)都提供不同的操作原理，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 

然而，有如此多種選擇，工程師如何選擇最適合其設計的技術(shù)？ 

為了幫助設計人員完成此過(guò)程，本文將討論四種最流行的接近傳感器技術(shù)，它們實(shí)際上適合便攜式或小型固定嵌入式系統，并適用于從幾英寸到幾十英尺的中等檢測范圍：

超聲波

光電

激光測距儀

電感式傳感器

電容式和霍爾效應傳感器是另外兩種流行的接近傳感器技術(shù)，由于它們在非常近距離檢測場(chǎng)景中的使用通常有限，因此在此不予考慮。

在深入研究以上強調的四種技術(shù)中的每一種之前，重要的是要注意，沒(méi)有接近傳感器技術(shù)可以為每種應用和預期用途提供一刀切的解決方案。選擇接近傳感器技術(shù)時(shí)需要考慮許多因素，例如成本、檢測范圍、封裝尺寸、刷新率和材料效果。 

了解每種技術(shù)在這些不同因素的范圍內的位置以及哪些對最終應用最重要，將是做出正確選擇的關(guān)鍵。 

超聲波技術(shù)

超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波聲音脈沖，并測量該脈沖從物體上反彈并返回所需的時(shí)間。它們可用于計算到所述物體的距離或簡(jiǎn)單地檢測其存在。 

超聲波傳感器實(shí)現可以使用單獨的發(fā)射器和接收器模塊——其中發(fā)射器發(fā)出啁啾聲，接收器檢測到它——或者發(fā)射和接收功能可以組合到一個(gè)稱(chēng)為超聲波收發(fā)器的模塊中。在使用單獨的發(fā)射器和接收器模塊的實(shí)施方式中，它們通常盡可能靠近放置以獲得最大精度。

圖1. 超聲波技術(shù)的一般實(shí)現

由于其簡(jiǎn)單的設計，超聲波傳感器是一種低成本的選擇，具有許多優(yōu)勢，使其非常適合各種應用。超聲波傳感器每秒能夠發(fā)出數百個(gè)脈沖，精度高，刷新率高。 

由于超聲波傳感器基于聲音而不是電磁波，因此物體的顏色和透明度，以及在明暗環(huán)境中的操作，對精度或功能沒(méi)有影響。此外，隨著(zhù)聲波隨著(zhù)時(shí)間的推移傳播，它們的檢測區域會(huì )增加，這可能是基于設計需求的優(yōu)勢或劣勢。

雖然聲音不受光或暗的影響，但聲音的速度會(huì )受到氣溫變化的影響。該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)測量溫度以更新任何計算來(lái)抵消，但這仍然是該技術(shù)的限制。 

這些聲波也可能受到柔軟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，超聲波傳感器不適合水下使用，它們對聲波的依賴(lài)意味著(zhù)它們在沒(méi)有聲音傳輸介質(zhì)的真空中不起作用。 

光電技術(shù)

對于缺席或存在檢測最有效，光電傳感器通常用于車(chē)庫門(mén)傳感器或商店中的人員計數，以及其他工業(yè)、住宅和商業(yè)應用。由于沒(méi)有移動(dòng)部件，光電傳感器通常具有較長(cháng)的產(chǎn)品生命周期。它們能夠感知大多數材料，但透明物體或水可能會(huì )導致問(wèn)題。 

它們提供了幾種不同的實(shí)現方式：對射式、逆反射式和漫反射式。 

對射式實(shí)施（圖 2）是人們可能認為的上述車(chē)庫門(mén)傳感器，其中發(fā)射器和接收器彼此相對放置。這兩個(gè)點(diǎn)之間光束的任何中斷都向傳感器表明物體的存在。 

圖 2. 對射式實(shí)施 

后向反射鏡（圖3）使發(fā)射器和接收器彼此相鄰，而后向反射器放置在對面，該反射器將光束從發(fā)射器反射到接收器。 

圖 3.逆反射實(shí)現 

漫反射（圖 4）的工作原理類(lèi)似于回射，但它不是從反射器反射光束，而是從附近的任何物體反射光束，就像超聲波傳感器一樣。然而，這個(gè)實(shí)現沒(méi)有計算距離的能力。

圖 4.漫反射實(shí)現

不同的實(shí)現方式也有其優(yōu)點(diǎn)，因為對射式和逆反射式提供長(cháng)檢測范圍和快速響應時(shí)間，而漫反射式則擅長(cháng)檢測小物體。光電傳感器也是工業(yè)環(huán)境中常見(jiàn)的可靠解決方案，只要鏡頭保持無(wú)污染物即可。話(huà)雖如此，距離計算實(shí)際上是光電傳感器不存在的功能，并且物體顏色和反射率可能會(huì )導致問(wèn)題。 

各種光電實(shí)現還需要仔細安裝和對準，這可能會(huì )給復雜系統帶來(lái)額外的挑戰。

激光測距儀技術(shù)

利用電磁波束而不是聲波，激光測距儀傳感器的工作原理與超聲波傳感器相似。雖然近年來(lái)這項技術(shù)在經(jīng)濟上變得更加可行，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。 

激光測距儀技術(shù)的探測范圍確實(shí)非常長(cháng)，可達數百或數千英尺，響應時(shí)間也很快。由于光速遠快于聲速，飛行時(shí)間測量對于激光測距儀傳感器來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)挑戰。這是可以利用干涉測量等實(shí)現來(lái)降低成本和提高精度的地方。 

圖 5. 典型的激光測距儀干涉測量設置

如前所述，到目前為止，激光測距是本文中討論的最昂貴的技術(shù)，因此對于許多工程師的材料清單來(lái)說(shuō)不太可行。這種傳感器技術(shù)中使用的激光器也消耗大量功率，限制了其在便攜式應用中的使用，同時(shí)也使用戶(hù)面臨潛在的眼睛安全風(fēng)險。 

根據預期的應用，激光相對集中的傳感區域和無(wú)色散可以被視為一種優(yōu)勢或限制。激光測距儀在處理水或玻璃時(shí)也不能很好地工作。

感應技術(shù)

盡管基于較舊的工作原理，電感式傳感器最近得到了更廣泛的使用。然而，與目前討論的其他三種技術(shù)不同，感應技術(shù)僅適用于金屬物體。 

當金屬物體進(jìn)入其檢測范圍時(shí)，電感式傳感器通過(guò)檢測其磁場(chǎng)的變化來(lái)工作。這是任何金屬探測器的基本工作原理。

圖 6. 電感式傳感器用于檢測金屬物體 

在普通金屬探測器之外，電感式傳感器的探測范圍很廣，通常在毫米到米的范圍內。這可能包括近距離應用，例如計數齒輪旋轉或遠程實(shí)施，例如道路上的車(chē)輛檢測。 

它們在黑色金屬材料（即鐵和鋼）上表現最佳，但仍然可以檢測到檢測范圍較小的非磁性物體。電感式傳感器還擁有極快的刷新率、簡(jiǎn)單的操作和檢測范圍的靈活性。然而，它們最終會(huì )受到它們所能感知到的東西的限制，并且容易受到來(lái)自各種來(lái)源的干擾。