接近传感器：回顾不同的技术

2021-05-31

接近传感器：回顾不同的技术

最常用的非接触方法是提供简单的对象检测或对对象的精确距离测量，现在有许多技术属于接近传感器层次结构，每种技术都提供不同的操作原理，优点和缺点。 

然而，有如此多种选择，工程师如何选择最适合其设计的技术？ 

为了帮助设计人员完成此过程，本文将讨论四种最流行的接近传感器技术，它们实际上适合便携式或小型固定嵌入式系统，并适用于从几英寸到几十英尺的中等检测范围：

超声波

光电

激光测距仪

电感式传感器

电容式和霍尔效应传感器是另外两种流行的接近传感器技术，由于它们在非常近距离检测场景中的使用通常有限，因此在此不予考虑。

在深入研究以上强调的四种技术中的每一种之前，重要的是要注意，没有接近传感器技术可以为每种应用和预期用途提供一刀切的解决方案。选择接近传感器技术时需要考虑许多因素，例如成本、检测范围、封装尺寸、刷新率和材料效果。 

了解每种技术在这些不同因素的范围内的位置以及哪些对最终应用最重要，将是做出正确选择的关键。 

超声波技术

超声波传感器产生超声波声音脉冲，并测量该脉冲从物体上反弹并返回所需的时间。它们可用于计算到所述物体的距离或简单地检测其存在。 

超声波传感器实现可以使用单独的发射器和接收器模块——其中发射器发出啁啾声，接收器检测到它——或者发射和接收功能可以组合到一个称为超声波收发器的模块中。在使用单独的发射器和接收器模块的实施方式中，它们通常尽可能靠近放置以获得最大精度。

图1. 超声波技术的一般实现

由于其简单的设计，超声波传感器是一种低成本的选择，具有许多优势，使其非常适合各种应用。超声波传感器每秒能够发出数百个脉冲，精度高，刷新率高。 

由于超声波传感器基于声音而不是电磁波，因此物体的颜色和透明度，以及在明暗环境中的操作，对精度或功能没有影响。此外，随着声波随着时间的推移传播，它们的检测区域会增加，这可能是基于设计需求的优势或劣势。

虽然声音不受光或暗的影响，但声音的速度会受到气温变化的影响。该温度的任何剧烈变化都会极大地影响超声波传感器的精度。这可以通过测量温度以更新任何计算来抵消，但这仍然是该技术的限制。 

这些声波也可能受到柔软或吸收性材料的限制，这些材料不允许声音有效地反弹。最后，超声波传感器不适合水下使用，它们对声波的依赖意味着它们在没有声音传输介质的真空中不起作用。 

光电技术

对于缺席或存在检测最有效，光电传感器通常用于车库门传感器或商店中的人员计数，以及其他工业、住宅和商业应用。由于没有移动部件，光电传感器通常具有较长的产品生命周期。它们能够感知大多数材料，但透明物体或水可能会导致问题。 

它们提供了几种不同的实现方式：对射式、逆反射式和漫反射式。 

对射式实施（图 2）是人们可能认为的上述车库门传感器，其中发射器和接收器彼此相对放置。这两个点之间光束的任何中断都向传感器表明物体的存在。 

图 2. 对射式实施 

后向反射镜（图3）使发射器和接收器彼此相邻，而后向反射器放置在对面，该反射器将光束从发射器反射到接收器。 

图 3.逆反射实现 

漫反射（图 4）的工作原理类似于回射，但它不是从反射器反射光束，而是从附近的任何物体反射光束，就像超声波传感器一样。然而，这个实现没有计算距离的能力。

图 4.漫反射实现

不同的实现方式也有其优点，因为对射式和逆反射式提供长检测范围和快速响应时间，而漫反射式则擅长检测小物体。光电传感器也是工业环境中常见的可靠解决方案，只要镜头保持无污染物即可。话虽如此，距离计算实际上是光电传感器不存在的功能，并且物体颜色和反射率可能会导致问题。 

各种光电实现还需要仔细安装和对准，这可能会给复杂系统带来额外的挑战。

激光测距仪技术

利用电磁波束而不是声波，激光测距仪传感器的工作原理与超声波传感器相似。虽然近年来这项技术在经济上变得更加可行，但与超声波和其他技术相比，它仍然是一个更昂贵的选择。 

激光测距仪技术的探测范围确实非常长，可达数百或数千英尺，响应时间也很快。由于光速远快于声速，飞行时间测量对于激光测距仪传感器来说可能是一个挑战。这是可以利用干涉测量等实现来降低成本和提高精度的地方。 

图 5. 典型的激光测距仪干涉测量设置

如前所述，到目前为止，激光测距是本文中讨论的最昂贵的技术，因此对于许多工程师的材料清单来说不太可行。这种传感器技术中使用的激光器也消耗大量功率，限制了其在便携式应用中的使用，同时也使用户面临潜在的眼睛安全风险。 

根据预期的应用，激光相对集中的传感区域和无色散可以被视为一种优势或限制。激光测距仪在处理水或玻璃时也不能很好地工作。

感应技术

尽管基于较旧的工作原理，电感式传感器最近得到了更广泛的使用。然而，与目前讨论的其他三种技术不同，感应技术仅适用于金属物体。 

当金属物体进入其检测范围时，电感式传感器通过检测其磁场的变化来工作。这是任何金属探测器的基本工作原理。

图 6. 电感式传感器用于检测金属物体 

在普通金属探测器之外，电感式传感器的探测范围很广，通常在毫米到米的范围内。这可能包括近距离应用，例如计数齿轮旋转或远程实施，例如道路上的车辆检测。 

它们在黑色金属材料（即铁和钢）上表现最佳，但仍然可以检测到检测范围较小的非磁性物体。电感式传感器还拥有极快的刷新率、简单的操作和检测范围的灵活性。然而，它们最终会受到它们所能感知到的东西的限制，并且容易受到来自各种来源的干扰。