主流接近傳感器技術(shù)有多種，每種技術(shù)都有非常不同的工作標(biāo)準(zhǔn)，在確定檢測、距離或接近方面有著不同的優(yōu)勢。本文概要性介紹了緊湊、固定的嵌入式系統(tǒng)的四種可能方案及其基本工作原理，以幫助工程師根據(jù)自己的設(shè)計要求確定選擇哪一種。

　　接近傳感器提供了一種精確的方法，可以在沒有任何物理接觸的情況下檢測物體的存在和距離。傳感器發(fā)出電磁場、光或超聲波，被物體反射或穿過物體，然后回到傳感器。與傳統(tǒng)限位開關(guān)相比，接近傳感器有一個顯著優(yōu)點，就是由于沒有機械部件，因此更加耐用，可以使用更長的時間。

　　在為特定應(yīng)用尋找理想的接近傳感器技術(shù)時，必須考慮成本、范圍、尺寸、刷新率或延遲以及材料效應(yīng)，并要考慮什么才是對設(shè)計最重要的因素。

　　超聲

　　顧名思義，超聲波接近傳感器會發(fā)出稱作“啁啾”的超聲波聲音脈沖，用來檢測物體的存在，也可以用來計算與物體的距離。它們由發(fā)射器和接收器組成，其功能基于回聲定位原理（圖 1）。

圖 1：超聲波傳感器工作原理。（圖片來源：CUI Devices）

　　通過測量啁啾從表面反射并返回所需的時間長度（通常稱為“飛行時間”（ToF）），傳感器就可以確定物體的距離。通常情況下發(fā)射器和接收器彼此并列放置，但如果發(fā)射器和接收器分開，利用回聲定位仍然有效。在某些情況下，發(fā)射和接收功能會結(jié)合成一個單一封裝中；這些器件就被稱為超聲波收發(fā)器。

　　因為使用聲音而不是電磁波，所以超聲波傳感器的讀數(shù)不會受到物體顏色和透明度的影響。它們還有一個額外的好處就是不產(chǎn)生光，這使得它們非常適合黑暗的環(huán)境，甚至是那些明亮的環(huán)境。聲波會在時間和距離上產(chǎn)生擴散，就像水面上的波紋一樣，這種探測區(qū)域或視場 （FoV） 的擴大，根據(jù)應(yīng)用的不同，既可以是優(yōu)勢，也可以是劣勢。然而，憑借良好的精度水平、相當(dāng)高的刷新率以及每秒傳輸數(shù)百次啁啾的潛力，超聲波接近傳感器可以提供一個成本效益高、用途廣泛且安全的解決方案。

　　超聲波傳感器的一個基本缺點是，空氣溫度變化會影響聲波的速度，從而降低測量的精度。但是可以通過測量發(fā)射器和接收器之間空氣的溫度，并相應(yīng)地調(diào)整計算結(jié)果來進行平衡。其他限制包括：在真空中不可能使用超聲波傳感器，因為在真空中沒有空氣來傳輸聲音。軟質(zhì)材料也不會像堅硬的表面那樣能有效地反射聲音，從而影響精度。最后，雖然超聲波傳感器技術(shù)遵循了與聲納類似的概念，但它不能在水下工作。

　　光電

　　對于檢測物體是否存在來說，光電傳感器是一個實用的選擇。它們通常是基于紅外線的，典型應(yīng)用包括車庫門傳感器或到店人數(shù)計數(shù)，但它們也適用于其他廣泛的工業(yè)應(yīng)用。

　　光電傳感器有幾種實現(xiàn)方式（圖 2）。對射式，在物體的一側(cè)使用發(fā)射器發(fā)出光束，在物體另一側(cè)使用探測器檢測光束。如果光束中斷，那么說明有物體存在。鏡反射式，實現(xiàn)方式是將發(fā)射器和檢測器放在物體一側(cè)，反射鏡片放在另一側(cè)。漫反射式，與鏡反射式一樣，也是將發(fā)射器和檢測器共置一側(cè)，但沒有反射鏡，發(fā)射出去的光會從任何被檢測物體上反射回來。這種方式無法測量距離。

圖 2：光電傳感器——對射式、鏡反射式和漫反射式。（圖片來源：CUI Devices）

　　如果應(yīng)用需要擴展感應(yīng)范圍并降低延遲，那么就可將光電傳感器設(shè)置為對射式或鏡反射式。但它們安裝和對齊時需要小心翼翼，因此在繁忙的環(huán)境中進行系統(tǒng)安裝是一項挑戰(zhàn)。漫射型的實現(xiàn)方式更適合于檢測小物體，也可以是移動式檢測器。

　　光電傳感器可以用在常見于工業(yè)環(huán)境的骯臟環(huán)境中，由于沒有移動部件，通常比其他替代品擁有更長的壽命。只要保護好鏡頭，保持清潔，那么就能保持傳感器的性能。雖然它們可以檢測大多數(shù)物體，但對于透明和反光的表面和水，可能會出現(xiàn)問題。其他限制包括無法進行精確的距離計算，并且根據(jù)光源的不同，也會無法檢測特定顏色的物體（例如使用紅外線時出現(xiàn)紅色物體）。

　　激光測距儀

　　激光測距 （LRF） 歷來是一種昂貴的選擇，最近在許多應(yīng)用中已成為更可行的解決方案。大功率傳感器的工作原理與超聲波傳感器相同，但使用激光束代替了聲波。

　　由于光子的傳播速度超高，準(zhǔn)確計算 ToF 很困難。在這里，使用諸如干涉測量之類技術(shù)可以幫助保持精度，同時降低成本（圖 3）。激光測距儀傳感器的另一個好處是，由于利用了電磁波束，它們通常具有令人難以置信的超長測量范圍（最高達數(shù)千英尺），而且響應(yīng)時間極短。

圖 3：使用干涉測量法的激光測距儀傳感器實現(xiàn)。（圖片來源：CUI Devices）

　　盡管這些傳感器具有超低的延遲和超遠的范圍能力，但它們也有自己的局限性。激光器耗電量大，這又意味著它們不適合電池供電型或便攜式應(yīng)用，而且還要考慮眼睛健康方面的安全問題。另一個考慮因素是，F(xiàn)oV 也相對較窄，和光電傳感器一樣，它們在水或玻璃上的效果并不好。盡管這種技術(shù)的價格有所降低，但它也仍然是最昂貴的選擇之一。

　　電感

　　電感式傳感器已經(jīng)存在了很多年，但現(xiàn)在它們正在成為主流。然而，與其他接近感應(yīng)技術(shù)不同的是，它們只能對金屬物體起作用，因為它們使用磁場進行檢測（圖 4）。其典型應(yīng)用是金屬探測器。

圖 4：電感式傳感器工作原理（圖片來源：CUI Devices）

　　根據(jù)傳感器的設(shè)置方式，檢測范圍會有所不同。短距離的應(yīng)用可以是通過檢測傳感器旁邊是否有輪齒存在來計數(shù)齒輪的旋轉(zhuǎn)。較長距離應(yīng)用可以是通過將電感式傳感器嵌入路面來統(tǒng)計車輛數(shù)量，甚至可以用來進行超遠距離檢測——檢測空間等離子體。作為一種接近傳感器，電感式傳感器往往用于較短距離應(yīng)用，并且由于其是基于檢測電磁場差異的原理，因此可以提供極快的刷新率。對于像鐵與鋼之類黑色金屬材料，這種傳感器表現(xiàn)更佳。

　　電感式傳感器在很大的范圍內(nèi)提供了一個經(jīng)濟的解決方案。然而，必須考慮到它們所能感應(yīng)材料的局限性，以及它們?nèi)菀资艿礁鞣N干擾源影響這一事實。

　　結(jié)語

　　當(dāng)考慮所有接近感應(yīng)實現(xiàn)挑戰(zhàn)時，超聲波傳感器通常是最好的整體技術(shù)（圖 5）。它們成本低，能夠檢測物體的存在，距離計算準(zhǔn)確，且易于使用，整體優(yōu)勢明顯。

圖 5：四種接近傳感器技術(shù)比較（圖片來源：CUI Devices）