作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-11-12

在物流、制造、采礦、運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)和其他行業(yè)中，運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和位置傳感器可用于避免碰撞、確保安全并提高生產(chǎn)率。這些傳感器可安裝在車輛上，也可以放置于關(guān)鍵固定位置。

傳感器必須能夠根據(jù)特定的應(yīng)用需求進(jìn)行配置，并具有多功能感測(cè)能力，包括基于距離、角度位置和速度的物體檢測(cè)。在繁忙或復(fù)雜的環(huán)境中，需要有同時(shí)探測(cè)多個(gè)目標(biāo)的能力。

對(duì)于像裝卸月臺(tái)和叉車速度控制這類應(yīng)用，采用不受污垢、灰塵、風(fēng)、降水和其他環(huán)境條件影響的技術(shù)會(huì)很有利。定制像檢測(cè)窗形狀和目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)這樣的參數(shù)可進(jìn)一步提高性能。

本文首先探討工作頻率對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)的重要性，然后比較調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 和脈沖相干雷達(dá) (PCR) 等現(xiàn)有雷達(dá)技術(shù)、探測(cè)方案、波束圖和感應(yīng)區(qū)。接下來(lái)，介紹一款軟件套件，可用于加速開(kāi)發(fā)使用雷達(dá)傳感器的系統(tǒng)。

最后，以應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明 [Banner Engineering] [Q90R 系列] 雷達(dá)傳感器如何利用所有這些因素提供多功能感測(cè)能力，在苛刻的環(huán)境中進(jìn)行可靠的檢測(cè)，包括檢測(cè)裝卸月臺(tái)是否有卡車，及控制叉車速度以提高安全性。

無(wú)線電探測(cè)與測(cè)距（雷達(dá)）是一種主動(dòng)傳感器技術(shù)，會(huì)發(fā)射高頻射頻能量。發(fā)出的能量會(huì)被路徑上的物體反射，反射能量的特征可用來(lái)探測(cè)物體、確定其距離，有時(shí)還能測(cè)量物體靠近或遠(yuǎn)離傳感器的速度。

工作頻率是決定雷達(dá)傳感器性能的基本特征。工業(yè)雷達(dá)傳感器的工作頻率為 24 GHz、60 Ghz 和 122 GHz，屬于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 頻段，無(wú)需特殊許可證即可使用。

雷達(dá)傳感器的工作頻率對(duì)多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有重大影響，包括：

• 探測(cè)距離 - 24 Ghz 等低頻雷達(dá)傳感器的探測(cè)距離最遠(yuǎn)。
• 精度 - 122 GHz 等高頻雷達(dá)傳感器具有更高的精度，可以探測(cè)到更小的物體。
• 盲區(qū) - 雷達(dá)傳感器的盲區(qū)或阻擋距離是由于目標(biāo)太近造成的。一般而言，通常傳感器的頻率越高，盲區(qū)越小。
• 耐候性 - 感測(cè)功能耐受風(fēng)、霧、蒸汽和溫度變化的能力。雷達(dá)一般不受雨雪干擾。24 GHz 雷達(dá)具有最佳的抗雨雪干擾能力。
• 目標(biāo)材料 - 雖然 24 GHz 雷達(dá)的抗天氣干擾能力最好，但其感測(cè)各種材料的能力卻最為有限。60 GHz 或 122 GHz 雷達(dá)傳感器可探測(cè)高介電和低介電材料（圖 1）。

圖 1：雷達(dá)傳感器的工作頻率對(duì)其基于材料介電特性識(shí)別各種目標(biāo)材料的能力有很大影響。（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

頻率之外的技術(shù)指標(biāo)

頻率是雷達(dá)傳感器的一個(gè)決定性特征。其他重要技術(shù)指標(biāo)還包括雷達(dá)技術(shù)（如 FMCW 與 PCR）、探測(cè)方案（包括可調(diào)場(chǎng)與反射式傳感器）以及視場(chǎng)、窗形和目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)。

FMCW 發(fā)射連續(xù)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制，頻率在固定帶寬內(nèi)增減。通過(guò)測(cè)量反射信號(hào)的頻率，雷達(dá)可以知道信號(hào)從目標(biāo)反射回來(lái)所需的時(shí)間。因此飛行時(shí)間 (ToF) 信息決定了目標(biāo)距離。

FMCW 的一些優(yōu)勢(shì)包括：無(wú)需單獨(dú)的天線或脈沖就能同時(shí)測(cè)量距離和速度、優(yōu)異的測(cè)距分辨率、區(qū)分密集目標(biāo)的能力，以及在挑戰(zhàn)性環(huán)境中更高的精度。

PCR 雷達(dá)發(fā)射一個(gè)脈沖，關(guān)閉發(fā)射器，等待接收目標(biāo)的回波，然后重新打開(kāi)發(fā)射器，發(fā)射新的脈沖，不斷繼續(xù)這一循環(huán)。與 FMCW 一樣，也采用一種 ToF 分析形式來(lái)確定目標(biāo)的距離和速度。使用脈沖意味著 PCR 雷達(dá)的功耗比 FMCW 更低。PCR 通常是電池供電型系統(tǒng)的首選，非常適合低功耗短距離應(yīng)用。

可調(diào)場(chǎng)傳感器與反射式傳感器的對(duì)比

可調(diào)場(chǎng)雷達(dá)通過(guò)感應(yīng)反射的射頻波來(lái)探測(cè)物體，其非常適合探測(cè)雷達(dá)截面較大而能反射大量射頻能量的物體。金屬表面積較大的物體，尤其是垂直于雷達(dá)波束的表面，通常具有較大的雷達(dá)截面積。

可調(diào)場(chǎng)雷達(dá)傳感器可配置設(shè)定點(diǎn)距離。這種傳感器使用 ToF 計(jì)算來(lái)確定目標(biāo)范圍，并只在設(shè)定距離內(nèi)出現(xiàn)目標(biāo)時(shí)發(fā)出信號(hào)。

反射式雷達(dá)傳感器依賴于墻壁等反射參考目標(biāo)，它通過(guò)識(shí)別來(lái)自參考目標(biāo)的返回信號(hào)中的干擾信號(hào)來(lái)探測(cè)物體。這些雷達(dá)傳感器經(jīng)過(guò)優(yōu)化，能夠檢測(cè)雷達(dá)截面積較小的物體。

60 Ghz FMCW 雷達(dá)傳感器

Q90R 系列 FMCW 可調(diào)場(chǎng)雷達(dá)傳感器的工作頻率為 60 GHz，在精度、距離和材料探測(cè)能力方面性能均衡。此外，這些傳感器的防護(hù)等級(jí)為 IP69K，適合在苛刻的環(huán)境中使用（圖 2）。這些產(chǎn)品提供 120° x 40° 或 40° x 40° 的視場(chǎng)選擇?？梢愿鶕?jù)具體的應(yīng)用要求修改探測(cè)距離、檢測(cè)最近或信號(hào)最強(qiáng)的物體等參數(shù)。

圖 2：Q90R 系列 FMCW 可調(diào)場(chǎng)雷達(dá)傳感器的工作頻率為 60 GHz，采用堅(jiān)固的 IP69K 級(jí)封裝。（圖片來(lái)源：DigiKey）

[Q90R2-12040-6KDQ] 具有高度可配置的 120° x 40° 視場(chǎng)，可分割成獨(dú)立的檢測(cè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)精確的位置感測(cè)（圖 3）。該傳感器具有多維感測(cè)能力，可支持基于距離、徑向位置和速度閾值進(jìn)行更智能的物體檢測(cè)。與 Q90R 系列雷達(dá)傳感器的其他型號(hào)一樣，其探測(cè)距離為 0.15 至 20 米。此外，這款傳感器還提供靈活的連接選擇，包括 IO-Link 和 Banner 的 Pulse Pro 脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 技術(shù)。

圖 3：Q90R2 雷達(dá)傳感器具有 120° x 40° 的可配置寬視場(chǎng)（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

軟件解鎖性能

Q90R 和 Q90R2 雷達(dá)傳感器的強(qiáng)大功能可以通過(guò) Banner 的[測(cè)量傳感器軟件] 來(lái)實(shí)現(xiàn)，該軟件是一個(gè)圖形用戶界面 (GUI)，能夠讓設(shè)計(jì)人員配置和可視化來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)。

該軟件以圖形形式呈現(xiàn)傳感器看到的情況，這對(duì)雷達(dá)傳感器等沒(méi)有可見(jiàn)光束的傳感器非常有用。用戶可以修改傳感器參數(shù)，如響應(yīng)速度、輸出配置和過(guò)濾選項(xiàng)。

Q90R2 的視場(chǎng)為 120° x 40°，具有很高的可配置性，可實(shí)現(xiàn)精確定位和控制。設(shè)計(jì)人員可以使用 Banner 軟件定制高級(jí)感測(cè)參數(shù)，例如每個(gè)應(yīng)用的窗形和目標(biāo)設(shè)定點(diǎn)。（圖 4）。

圖 4：Banner 的測(cè)量傳感器軟件能夠讓設(shè)計(jì)人員優(yōu)化視場(chǎng)（上圖）以及窗形和目標(biāo)點(diǎn)（下圖）。（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

裝卸月臺(tái)車輛檢測(cè)

自動(dòng)、準(zhǔn)確地檢測(cè)裝卸月臺(tái)的卡車對(duì)于提高生產(chǎn)率和安全性，以及滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)非常重要。傳統(tǒng)的門(mén)鈴或指示燈解決方案往往并不適用。裝卸月臺(tái)可能非常嘈雜，門(mén)鈴的聲音不一定能被聽(tīng)到。此外，叉車上的頂燈、機(jī)器照明燈和閃光燈也很容易讓人忽略指示燈，即使是閃爍的指示燈。

自動(dòng)傳感器解決方案是理想之選。然而，卡車有多種尺寸，由各種材料制成，顏色和表面處理也多種多樣。這些挑戰(zhàn)，再加上噪音、灰塵、雨雪等環(huán)境條件的不確定性，使得實(shí)現(xiàn)可靠的基于光電或超聲波傳感器的解決方案非常困難。

像 Q90R2 這樣的雷達(dá)傳感器通常是首選。這類傳感器不受周圍環(huán)境條件的影響，外殼具有 IP67/IP69K 防護(hù)等級(jí)，適用于暴雨和其他挑戰(zhàn)性環(huán)境條件，并具有 -40°C 至 +65°C 的寬工作溫度范圍。無(wú)論材料的顏色、質(zhì)地或反射率如何，它們都能可靠地檢測(cè)到卡車的存在。

Q90R2 具有獨(dú)立和可配置的傳感區(qū)域，以及 120° x 40° 的波束圖，一個(gè)傳感器可以完成兩個(gè)傳感器的工作，并能檢測(cè)到兩個(gè)相鄰月臺(tái)是否有卡車（圖 5）。

圖 5：Q90R2 雷達(dá)傳感器的 120° x 40° 波束圖意味著一個(gè)傳感器可以監(jiān)測(cè)兩個(gè)卡車月臺(tái)。（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

叉車速度控制與安全

除了探測(cè)車輛，雷達(dá)傳感器還可以安裝在叉車等車輛上，以檢測(cè)周圍環(huán)境的變化，從而提高安全性。例如，Q90R2 雷達(dá)傳感器可安裝在叉車的背面或側(cè)面，并在不同距離配置多個(gè)區(qū)域。

Q90R2 具有 120° x 40° 的寬波束圖，特別適合監(jiān)測(cè)周圍可能移動(dòng)的物體。此外，Q90R2 還可提供徑向距離、角度位置和目標(biāo)速度反饋。當(dāng)危險(xiǎn)越來(lái)越近時(shí)，叉車駕駛員會(huì)收到報(bào)警，叉車速度會(huì)自動(dòng)受到限制，或者叉車會(huì)被停止。

如果叉車在室內(nèi)和室外使用，則可在車頂安裝一個(gè)波束圖為 40° x 40° 的 Q90R 雷達(dá)傳感器，以檢測(cè)是否存在天花板。當(dāng)叉車在室外且未檢測(cè)到天花板時(shí)，機(jī)器就可以最高限速行駛。當(dāng)叉車在室內(nèi)移動(dòng)且存在天花板時(shí)，最大速度可自動(dòng)降低，以提高安全性并防止損壞（圖 6）。

圖 6：雷達(dá)傳感器可用于監(jiān)測(cè)叉車周圍是否有人員或物體，以及是否有天花板。（圖片來(lái)源：Banner Engineering）

根據(jù)系統(tǒng)需要，Q90R 有多種型號(hào)可供選擇，輸出配置各不相同，包括：

• [Q90R-4040-6KDQ] ，帶有兩個(gè)分立式 NPN/PNP、PFM 輸出和一個(gè) IO-Link 輸出
• [Q90R-4040-6KIQ] ，帶有一個(gè)模擬電流（4 至 20 mA）輸出、一個(gè) NPN/PNP 分立輸出和一個(gè) IO-Link 輸出
• [Q90R-4040-6KUQ] ，帶有一個(gè)模擬電壓（0 至 10 V 或 0.5 至 4.5 V）輸出、一個(gè) NPN/PNP 分立輸出和一個(gè) IO-Link 輸出

結(jié)語(yǔ)

Q90R 系列雷達(dá)傳感器用途非常廣泛，其工作頻率為 60 GHz，能夠探測(cè)各種材料。這些 FMCW 雷達(dá)的探測(cè)距離最遠(yuǎn)為 20 米，波束圖可配置，可支持多種應(yīng)用。輸出選擇有多種選擇，可滿足不同的系統(tǒng)需求，并可安裝在叉車等車輛上或放置在月臺(tái)等關(guān)鍵固定位置。最后，設(shè)計(jì)人員還可以利用 Banner 的測(cè)量傳感器軟件來(lái)加快系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部署。

審核編輯 黃宇