接近傳感器：回顧不同的技術

2021-05-31

接近傳感器：回顧不同的技術

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

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？ 

為了幫助設計人員完成此過程，本文將討論四種最流行的接近傳感器技術，它們實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，由于它們在非常近距離檢測場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中的每一種之前，重要的是要注意，沒有接近傳感器技術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時需要考慮許多因素，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鍵。 

超聲波技術

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

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

圖1. 超聲波技術的一般實現

由于其簡單的設計，超聲波傳感器是一種低成本的選擇，具有許多優勢，使其非常適合各種應用。超聲波傳感器每秒能夠發出數百個脈沖，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，以及在明暗環境中的操作，對精度或功能沒有影響。此外，隨著聲波隨著時間的推移傳播，它們的檢測區域會增加，這可能是基于設計需求的優勢或劣勢。

雖然聲音不受光或暗的影響，但聲音的速度會受到氣溫變化的影響。該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以更新任何計算來抵消，但這仍然是該技術的限制。 

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，它們對聲波的依賴意味著它們在沒有聲音傳輸介質的真空中不起作用。 

光電技術

對于缺席或存在檢測最有效，光電傳感器通常用于車庫門傳感器或商店中的人員計數，以及其他工業、住宅和商業應用。由于沒有移動部件，光電傳感器通常具有較長的產品生命周期。它們能夠感知大多數材料，但透明物體或水可能會導致問題。 

它們提供了幾種不同的實現方式：對射式、逆反射式和漫反射式。 

對射式實施（圖 2）是人們可能認為的上述車庫門傳感器，其中發射器和接收器彼此相對放置。這兩個點之間光束的任何中斷都向傳感器表明物體的存在。 

圖 2. 對射式實施 

后向反射鏡（圖3）使發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射器反射到接收器。 

圖 3.逆反射實現 

漫反射（圖 4）的工作原理類似于回射，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，這個實現沒有計算距離的能力。

圖 4.漫反射實現

不同的實現方式也有其優點，因為對射式和逆反射式提供長檢測范圍和快速響應時間，而漫反射式則擅長檢測小物體。光電傳感器也是工業環境中常見的可靠解決方案，只要鏡頭保持無污染物即可。話雖如此，距離計算實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導致問題。 

各種光電實現還需要仔細安裝和對準，這可能會給復雜系統帶來額外的挑戰。

激光測距儀技術

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。雖然近年來這項技術在經濟上變得更加可行，但與超聲波和其他技術相比，它仍然是一個更昂貴的選擇。 

激光測距儀技術的探測范圍確實非常長，可達數百或數千英尺，響應時間也很快。由于光速遠快于聲速，飛行時間測量對于激光測距儀傳感器來說可能是一個挑戰。這是可以利用干涉測量等實現來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，因此對于許多工程師的材料清單來說不太可行。這種傳感器技術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，同時也使用戶面臨潛在的眼睛安全風險。 

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

感應技術

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不同，感應技術僅適用于金屬物體。 

當金屬物體進入其檢測范圍時，電感式傳感器通過檢測其磁場的變化來工作。這是任何金屬探測器的基本工作原理。

圖 6. 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施，例如道路上的車輛檢測。 

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、簡單的操作和檢測范圍的靈活性。然而，它們最終會受到它們所能感知到的東西的限制，并且容易受到來自各種來源的干擾。