作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

使用接近傳感器和距離傳感器可在不進(jìn)行物理接觸的情況下檢測(cè)物品的存在和位置，這在控制物料搬運(yùn)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、制造和裝配作業(yè)，以及食品、飲料和藥品包裝等工業(yè)流程方面非常重要。

這些傳感器采用光電、激光、感應(yīng)、電容、磁性和超聲波等多種技術(shù)。在確定特定應(yīng)用的最佳選擇時(shí)，需要考慮范圍、尺寸、精度、靈敏度、分辨率以及成本等因素。

許多應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素是待檢測(cè)物體的材料。有些傳感器在硬表面和纖維表面上的表現(xiàn)不同，還有一些傳感器會(huì)受到物體顏色或反射率的影響。

本文將回顧常見的非接觸式接近傳感器技術(shù)，并介紹這些技術(shù)的工作原理、基本性能特點(diǎn)和 [SICK] 的示例傳感器，以及一些預(yù)期應(yīng)用。

光電傳感器

光電傳感器（如 SICK 的 [W10 光電接近傳感器] ）不僅易于使用和安裝，而且具有適合多種應(yīng)用的一系列特性。W10 傳感器采用堅(jiān)固的設(shè)計(jì)，因此適合在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中精確檢測(cè)物體。集成式觸摸屏可加快參數(shù)設(shè)置和傳感器部署速度（圖 1）。

借助提供的教程，設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)特定應(yīng)用要求調(diào)整這些傳感器。此外，集成速度設(shè)置、標(biāo)準(zhǔn)和精密測(cè)量模式以及前景和背景抑制等功能，意味著一個(gè)傳感器可用于多種應(yīng)用。該傳感器系列包括四種型號(hào)，它們的工作距離和安裝方式各不相同。

背景抑制

具有背景抑制 (BGS) 功能的光電接近傳感器在發(fā)送元件與接收元件之間采用三角測(cè)量法。所設(shè)定感應(yīng)范圍后方的物體的信號(hào)會(huì)被抑制。此外，SICK 的 BGS 技術(shù)還能忽略背景中的高反射物體，并能應(yīng)對(duì)復(fù)雜的環(huán)境照明條件。

如果目標(biāo)物體和背景（如傳送帶）具有相似的反射率，或者背景反射率變化不定，可能對(duì)檢測(cè)造成干擾，則背景抑制尤其有用。

前景抑制

具有前景抑制 (FGS) 功能的光電接近傳感器可檢測(cè)規(guī)定距離內(nèi)的物體。傳感器與感應(yīng)距離（設(shè)置為背景）之間的所有物體都會(huì)被檢測(cè)到。為確保可靠的感測(cè)，背景需要相對(duì)明亮，而且高度不應(yīng)變化。

當(dāng)物體位于白色或淺色傳送帶等反光表面上時(shí)，前景抑制可改善檢測(cè)效果。傳感器不是通過檢測(cè)物體反射的光線，而是通過檢測(cè)傳送帶反射的光線是否消失，來檢測(cè)物體。

回射式

在回射式傳感器中，發(fā)出的光線照射到反射器上，而傳感器對(duì)反射的光線進(jìn)行評(píng)估。使用偏振濾光片可將誤差降至最低。透明的拉伸膜和塑料包裝會(huì)干擾這些傳感器。降低傳感器靈敏度有助于克服這些挑戰(zhàn)。此外，用激光器取代標(biāo)準(zhǔn)紅外光發(fā)射器可獲得更大的感應(yīng)范圍和更高的分辨率。

采用低于正常值的開關(guān)滯后可提高回射式傳感器的性能。在這些設(shè)計(jì)中，即使是傳感器與反射器之間最微弱的光衰減，例如由玻璃瓶引起的光衰減，也能被可靠地檢測(cè)到。SICK 還提供一個(gè)稱為 AutoAdapt 的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可持續(xù)調(diào)節(jié)和調(diào)整開關(guān)閾值，以應(yīng)對(duì)可能導(dǎo)致感應(yīng)系統(tǒng)失靈的污染物逐漸積聚現(xiàn)象。

對(duì)射式

與回射式傳感器不同，對(duì)射式傳感器采用兩個(gè)有源器件：發(fā)送器和接收器。對(duì)射式感應(yīng)可實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的感應(yīng)范圍。用激光二極管取代紅外發(fā)射器可進(jìn)一步擴(kuò)大感應(yīng)距離，同時(shí)還能保持高分辨率和精確感應(yīng)。

光纖

光纖傳感器是對(duì)射式設(shè)計(jì)的一種變體。在光纖光電傳感器中，發(fā)送器和接收器共同封裝在一個(gè)外殼內(nèi)。發(fā)送器和接收器分別使用不同的光纖電纜。這些傳感器尤其適用于高溫應(yīng)用以及危險(xiǎn)和惡劣的環(huán)境。

光電傳感器陣列

RAY26 Reflex Array 系列光電傳感器（如型號(hào) [1221950] ）不僅能可靠地檢測(cè)扁平物體，而且還能實(shí)現(xiàn)快速調(diào)試。與反射器結(jié)合使用時(shí)，這種光電傳感器還能檢測(cè)小至 3 mm 的小型、扁平、透明或不平整物體。在 55 mm 高的均勻光陣列中，傳感器可檢測(cè)物體的前緣。這意味著，即使是穿孔物體，也能可靠地檢測(cè)到，而且無需進(jìn)行復(fù)雜的切換操作（圖 4）。

圖 2：光電傳感器陣列可在 55 mm 高的區(qū)域內(nèi)檢測(cè)小至 3 mm 的物體。（圖片來源：SICK）

激光距離傳感器

以下應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員可選擇使用 [DT50 激光距離傳感器] ：儲(chǔ)存容器中的液位監(jiān)測(cè)、傳送帶上物體的位置檢測(cè)、自動(dòng)叉車系統(tǒng)中軸的 XY 位置、倉庫和懸掛輸送機(jī)中起重機(jī)的垂直定位，以及線圈繞制過程中的直徑監(jiān)測(cè)。這些傳感器采用反射激光，不受環(huán)境光線影響，而且工作精確可靠，支持長達(dá)數(shù)米的飛行時(shí)間 (ToF) 距離測(cè)量。

例如，[DT50-2B215252] 的測(cè)量范圍為 200 mm 至 30,000 mm，并且具有多項(xiàng)特性，其中包括：

• 外殼堅(jiān)固，防護(hù)等級(jí)為 IP65 和 IP67
• 每秒可提供多達(dá) 3,000 次距離測(cè)量
• 極短的響應(yīng)時(shí)間：0.83 ms
• 外殼緊湊，支持從工業(yè)機(jī)器人到測(cè)量儲(chǔ)存容器填充高度等一系列應(yīng)用

利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高分辨率測(cè)量

高清距離測(cè)量+ (HDDM+) 是一種高分辨率 ToF 測(cè)量技術(shù)，可用于激光距離傳感器、光檢測(cè)傳感器和測(cè)距 (LiDAR) 傳感器。與單脈沖或相位相關(guān)感應(yīng)技術(shù)相比，HDDM+ 是一種統(tǒng)計(jì)測(cè)量方法。

傳感器軟件會(huì)對(duì)多個(gè)激光脈沖的回波進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)估，以過濾掉來自玻璃、霧、雨、灰塵、雪、樹葉、柵欄和其他物體的干擾，從而計(jì)算出與預(yù)定目標(biāo)的距離。即使在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件下，產(chǎn)生的距離測(cè)量結(jié)果也具有很高的確定性（圖 5）。

圖 3：SICK 的 HDDM+ 軟件使用統(tǒng)計(jì)評(píng)估過程來消除來自玻璃板、霧、雨、灰塵、雪、樹葉和柵欄等的“噪聲”。（圖片來源：SICK）

HDDM+ 技術(shù)的典型應(yīng)用包括電子產(chǎn)品生產(chǎn)中用于質(zhì)量控制的距離測(cè)量、機(jī)械和設(shè)備工程中的 LiDAR 多維物體檢測(cè)和位置確定，以及工業(yè)起重機(jī)或車輛的位置確定。

HDDM+ 傳感器在回射帶上的感應(yīng)范圍可達(dá) 1.5 km。例如，型號(hào) [DT1000-S11101] 的測(cè)量范圍可達(dá) 460 m，對(duì)自然物體的典型測(cè)量精度為 ±15 mm，分辨率可調(diào)范圍為 0.001 mm 至 100 mm。

電感式

電感式接近傳感器（如 SICK 的 [IME 系列] ）可檢測(cè)含鐵和非鐵金屬物體。這些傳感器由電感器-電容器 (LC) 諧振電路組成，該電路可產(chǎn)生高頻交變電磁場(chǎng)。當(dāng)金屬物體進(jìn)入檢測(cè)范圍時(shí)，該磁場(chǎng)會(huì)受到抑制。這種抑制會(huì)被信號(hào)評(píng)估電路檢測(cè)到，然后放大器會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)（圖 4）。

圖 4：基礎(chǔ)電感式接近傳感器由產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的 LC 電路、信號(hào)評(píng)估器以及放大器組成。（圖片來源：SICK）

多種接近傳感器技術(shù)的感應(yīng)距離有兩個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，即標(biāo)稱感應(yīng)距離 (Sn) 和可靠感應(yīng)距離 (Sa)。Sn 不考慮制造公差或工作溫度等外部影響。Sa 既考慮制造公差，又考慮工作條件的變化。Sa 通常約為 Sn 值的 81%。例如，型號(hào)為 [IME08-02BPSZT0S] 的電感式傳感器的 Sn 為 2 mm，Sa 為 1.62 mm。

電容式感應(yīng)

與電感式傳感器類似，電容式接近傳感器也使用振蕩器。在這種情況下，使用的是開放式電容器，傳感器中的有源電極會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于地的靜電場(chǎng)。這些傳感器可檢測(cè)包括金屬和非金屬物體在內(nèi)的多種材料的存在。

當(dāng)物體進(jìn)入靜電場(chǎng)時(shí)，諧振電路中的振蕩幅度會(huì)根據(jù)材料的介電特性發(fā)生變化。信號(hào)評(píng)估器會(huì)檢測(cè)到這種變化，然后放大器會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)（圖 5）。

圖 5：在電容式接近傳感器中，振蕩電路會(huì)產(chǎn)生靜電場(chǎng)，當(dāng)待感應(yīng)的目標(biāo)進(jìn)入靜電場(chǎng)時(shí)，靜電場(chǎng)的特性會(huì)發(fā)生變化。（圖片來源：SICK）

與電感式接近傳感器類似，電容式接近傳感器也有幾個(gè)與感應(yīng)距離相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，其中包括 Sn、Sa 和折減系數(shù)。例如，型號(hào) [CM12-08EBP-KC1] 的 Sn 為 8 mm，標(biāo)稱 Sa 為 5.76 mm。

待感測(cè)的物體必須至少與傳感器表面一樣大，而且感應(yīng)距離隨材料的折減系數(shù)而變化。折減系數(shù)與材料的介電常數(shù)有關(guān)，例如，金屬和水為 1，聚氯乙烯 (PVC) 為 0.4，玻璃為 0.6，陶瓷為 0.5。

磁性

磁性接近傳感器會(huì)對(duì)磁體的存在做出響應(yīng)。SICK 的磁性接近傳感器采用了兩種檢測(cè)技術(shù)：

• 巨磁阻 (GMR)，這種傳感器基于電阻器，其電阻值會(huì)在存在磁場(chǎng)時(shí)發(fā)生變化。惠斯通電橋用于檢測(cè)電阻變化并產(chǎn)生輸出信號(hào)。[MZT7 氣缸傳感器] （如設(shè)計(jì)用于 T 型槽氣缸的 [MZT7-03VPS-KP0）] 采用 GMR 技術(shù)檢測(cè)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置和類似應(yīng)用中的活塞定位。
• LC 技術(shù)采用諧振幅度很小的諧振電路。如果外部磁場(chǎng)接近，諧振幅度會(huì)增大。這種增大會(huì)被信號(hào)評(píng)估器檢測(cè)到，然后放大器會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)（圖 6）。[MM08-60APO-ZUA] 的 Sn 為 60 mm，Sa 為 48.6 mm。

圖 6：在磁性接近傳感器中，磁場(chǎng)探頭可采用 GMR 或 LC 技術(shù)。（圖片來源：SICK）

超聲波傳感器

對(duì)于 8 m 以內(nèi)的物體，設(shè)計(jì)人員可選擇使用超聲波傳感器，如 SICK 的 [UM30 系列]。這些傳感器集成了溫度補(bǔ)償功能，可提高測(cè)量精度，并提供不受顏色影響的物體檢測(cè)功能、防塵性以及高達(dá) +70°C 的工作溫度。它們根據(jù)飛行時(shí)間技術(shù)測(cè)量距離，距離等于聲速乘以總聲波飛行時(shí)間 (t 2 )，再除以 2（圖 6）。

圖 7：超聲波傳感器可根據(jù)聲波的總飛行時(shí)間 (t 2 ) 來測(cè)量距離。（圖片來源：SICK）

型號(hào)為 [UM30-212111] 的超聲波傳感器適用于空箱監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)器的測(cè)量精度為 ±1%。即使在有污垢和灰塵的情況下，這些不受顏色影響的傳感器也能檢測(cè)到難以分辨的物體。

結(jié)語

好消息是，有多種接近傳感器和距離傳感器技術(shù)可供選擇。這意味著各種應(yīng)用需求都有相應(yīng)的解決方案。我們面臨的挑戰(zhàn)是在眾多選擇中進(jìn)行篩選，找到在實(shí)際應(yīng)用和工作條件下檢測(cè)特定材料的最佳解決方案。

審核編輯 黃宇