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了解傳感器:回顧不同的技術(shù)
來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/12/29

了解四種不同類型的接近傳感器技術(shù)如何比較:超聲波、光電、激光測距儀和電感式傳感器。


最常被用作提供簡單對象檢測或?qū)ο缶_距離測量的無觸摸方法,現(xiàn)在有許多技術(shù)屬于接近傳感器層次結(jié)構(gòu),每種技術(shù)都有不同的工作原理、優(yōu)點和缺點。 


然而,面對如此眾多的選擇,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程,本文將討論四種最流行的接近傳感器技術(shù),它們實際上適合便攜式或小型固定嵌入式系統(tǒng),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景中的使用通常有限,因此這里不會考慮這些技術(shù)。


在深入研究以上強調(diào)的四種技術(shù)中的每一種之前,重要的是要注意,沒有接近傳感器技術(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(nèi)的位置以及對最終應用最關鍵的技術(shù)將是做出正確選擇的關鍵。


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(xiàn)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稱為超聲波收發(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)的一般實現(xiàn)

 

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(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(shù)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(huán)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(qū)域會增加,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(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,它們對聲波的依賴意味著它們在沒有聲音傳輸介質(zhì)的真空中不起作用。CUI Devices 的博客超聲波傳感器基礎知識更詳細地介紹了這項技術(shù)。


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庫門傳感器或商店中的人員計數(shù),以及其他工業(yè)、住宅和商業(yè)應用。由于沒有移動部件,光電傳感器通常具有較長的產(chǎn)品生命周期。它們能夠感知大多數(shù)材料,但透明物體或水可能會導致問題。 


它們提供了幾種不同的實現(xiàn)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(fā)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

 

Retroreflective(圖 3)將發(fā)射器和接收器放在一起,而后向反射器相對放置,將光束從發(fā)射器反射到接收器。 

圖 3.逆反射實現(xiàn)

 

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(xiàn)沒有計算距離的能力。

圖 4.漫反射實現(xiàn)


不同的實現(xiàn)方式也有其優(yōu)點,因為對射式和逆向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(yè)環(huán)境中常見的強大解決方案,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(xiàn)還需要仔細安裝和對齊,這可能會給復雜系統(tǒng)帶來額外的挑戰(zhàn)。


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,它仍然是一個更昂貴的選擇。 


激光測距儀技術(shù)確實具有高達數(shù)百或數(shù)千英尺的超長探測范圍,以及快速的響應時間。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(zhàn)。這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. 典型的激光測距儀干涉測量設置


如前所述,激光測距是迄今為止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說不太可行。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,同時也使用戶面臨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優(yōu)勢或限制。激光測距儀在處理水或玻璃時也表現(xiàn)不佳。


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,電感式傳感器具有廣泛的探測范圍,通常在毫米到米的范圍內(nèi)。這可能包括近距離應用,例如計數(shù)齒輪旋轉(zhuǎn)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(xiàn)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可以感知的東西的限制,并且容易受到來自各種來源的干擾。


結(jié)論

在選擇接近傳感器技術(shù)時,需要考慮許多因素。了解本文中討論的不同技術(shù)的優(yōu)勢和權(quán)衡可以使這個選擇過程更容易。 

表 1. 按成本、范圍、尺寸、刷新率和材料效果對涵蓋的接近傳感器進行矩陣比較。

 

雖然每種技術(shù)都有其最合適的用途,但超聲波傳感器通常是一個很好的整體選擇,因為它們成本低、能夠檢測存在和距離,并且通?梢灾苯訉崿F(xiàn)。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),同時繼續(xù)尋找新的用途和應用。 


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