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

最常被用作提供簡(jiǎn)單對(duì)象檢測(cè)或?qū)ο缶�確距離測(cè)量的非觸摸方法，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(diǎn)和缺點(diǎn)。 

然而，有如此多種選擇，工程師如何選擇最適合其設(shè)計(jì)的技術(shù)？ 

為了幫助設(shè)計(jì)人員完成此過(guò)程，本文將討論四種最流行的接近傳感器技術(shù)，它們實(shí)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(cè)范圍：

超聲波

光電

激光測(cè)距儀

電感式傳感器

電容式和霍爾效應(yīng)傳感器是另外兩種流行的接近傳感器技術(shù)，由于它們?cè)诜浅＝�距離檢測(cè)場(chǎng)景中的使用通常有限，因此在此不予考慮。

在深入研究以上強(qiáng)調(diào)的四種技術(shù)中的每一種之前，重要的是要注意，沒(méi)有接近傳感器技術(shù)可以為每種應(yīng)用和預(yù)期用途提供一刀切的解決方案。選擇接近傳感器技術(shù)時(shí)需要考慮許多因素，例如成本、檢測(cè)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)的位置以及哪些對(duì)最終應(yīng)用最重要，將是做出正確選擇的關(guān)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(cè)量該脈沖從物體上反彈并返回所需的時(shí)間。它們可用于計(jì)算到所述物體的距離或簡(jiǎn)單地檢測(cè)其存在。 

超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)可以使用單獨(dú)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(cè)到它——或者發(fā)射和接收功能可以組合到一個(gè)稱(chēng)為超聲波收發(fā)器的模塊中。在使用單獨(dú)的發(fā)射器和接收器模塊的實(shí)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(shí)現(xiàn)

由于其簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，超聲波傳感器是一種低成本的選擇，具有許多優(yōu)勢(shì)，使其非常適合各種應(yīng)用。超聲波傳感器每秒能夠發(fā)出數(shù)百個(gè)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(duì)精度或功能沒(méi)有影響。此外，隨著聲波隨著時(shí)間的推移傳播，它們的檢測(cè)區(qū)域會(huì)增加，這可能是基于設(shè)計(jì)需求的優(yōu)勢(shì)或劣勢(shì)。

雖然聲音不受光或暗的影響，但聲音的速度會(huì)受到氣溫變化的影響。該溫度的任何劇烈變化都會(huì)極大地影響超聲波傳感器的精度。這可以通過(guò)測(cè)量溫度以更新任何計(jì)算來(lái)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(duì)聲波的依賴(lài)意味著它們?cè)跊](méi)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(chǔ)》更詳細(xì)地介紹了這項(xiàng)技術(shù)。

光電技術(shù)

對(duì)于缺席或存在檢測(cè)最有效，光電傳感器通常用于車(chē)庫(kù)門(mén)傳感器或商店中的人員計(jì)數(shù)，以及其他工業(yè)、住宅和商業(yè)應(yīng)用。由于沒(méi)有移動(dòng)部件，光電傳感器通常具有較長(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。 

它們提供了幾種不同的實(shí)現(xiàn)方式：對(duì)射式、逆反射式和漫反射式。 

對(duì)射式實(shí)施（圖 2）是人們可能認(rèn)為的上述車(chē)庫(kù)門(mén)傳感器，其中發(fā)射器和接收器彼此相對(duì)放置。這兩個(gè)點(diǎn)之間光束的任何中斷都向傳感器表明物體的存在。 

圖 2. 對(duì)射式實(shí)施

Retroreflective（圖 3）將發(fā)射器和接收器彼此相鄰放置，而后向反射器相對(duì)放置，將光束從發(fā)射器反射到接收器。 

圖 3.逆反射實(shí)現(xiàn)

漫反射（圖 4）的工作原理類(lèi)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(gè)實(shí)現(xiàn)沒(méi)有計(jì)算距離的能力。

圖 4.漫反射實(shí)現(xiàn)

不同的實(shí)現(xiàn)方式也有其優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)閷?duì)射式和逆反射式提供長(zhǎng)檢測(cè)范圍和快速響應(yīng)時(shí)間，而漫反射式則擅長(zhǎng)檢測(cè)小物體。光電傳感器也是工業(yè)環(huán)境中常見(jiàn)的可靠解決方案，只要鏡頭保持無(wú)污染物即可。話雖如此，距離計(jì)算實(shí)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(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。 

各種光電實(shí)現(xiàn)還需要仔細(xì)安裝和對(duì)準(zhǔn)，這可能會(huì)給復(fù)雜系統(tǒng)帶來(lái)額外的挑戰(zhàn)。

激光測(cè)距儀技術(shù)

利用電磁波束而不是聲波，激光測(cè)距儀傳感器的工作原理與超聲波傳感器相似。雖然近年來(lái)這項(xiàng)技術(shù)在經(jīng)濟(jì)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(gè)更昂貴的選擇。 

激光測(cè)距儀技術(shù)確實(shí)具有高達(dá)數(shù)百或數(shù)千英尺的超長(zhǎng)探測(cè)范圍，以及快速的響應(yīng)時(shí)間。由于光速遠(yuǎn)快于聲速，飛行時(shí)間測(cè)量對(duì)于激光測(cè)距儀傳感器來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。這是可以利用干涉測(cè)量等實(shí)現(xiàn)來(lái)降低成本和提高精度的地方。 

圖 5. 典型的激光測(cè)距儀干涉測(cè)量設(shè)置

如前所述，到目前為止，激光測(cè)距是本文中討論的最昂貴的技術(shù)，因此對(duì)于許多工程師的材料清單來(lái)說(shuō)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(yīng)用中的使用，同時(shí)也使用戶(hù)面臨潛在的眼睛安全風(fēng)險(xiǎn)。 

根據(jù)預(yù)期的應(yīng)用，激光相對(duì)集中的傳感區(qū)域和無(wú)色散可以被視為一種優(yōu)勢(shì)或限制。激光測(cè)距儀在處理水或玻璃時(shí)也表現(xiàn)不佳。

感應(yīng)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(yīng)技術(shù)僅適用于金屬物體。 

當(dāng)金屬物體進(jìn)入其檢測(cè)范圍時(shí)，電感式傳感器通過(guò)檢測(cè)其磁場(chǎng)的變化來(lái)工作。這是任何金屬探測(cè)器的基本工作原理。

圖 6. 電感式傳感器用于檢測(cè)金屬物體

在普通金屬探測(cè)器之外，電感式傳感器的探測(cè)范圍很廣，通常在毫米到米的范圍內(nèi)。這可能包括近距離應(yīng)用，例如計(jì)數(shù)齒輪旋轉(zhuǎn)或遠(yuǎn)程實(shí)施，例如道路上的車(chē)輛檢測(cè)。 

它們?cè)诤谏�金屬材料（即鐵和鋼）上表現(xiàn)最佳，但仍然可以檢測(cè)到檢測(cè)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(jiǎn)單的操作和檢測(cè)范圍的靈活性。然而，它們最終會(huì)受到它們所能感知到的東西的限制，并且容易受到來(lái)自各種來(lái)源的干擾。

結(jié)論

在選擇接近傳感器技術(shù)時(shí)，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(shì)和權(quán)衡可以簡(jiǎn)化此選擇過(guò)程。 

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

盡管每種技術(shù)都有其最合適的用途，但超聲波傳感器通常是一個(gè)很好的整體選擇，因?yàn)樗鼈兂杀镜�、能夠檢測(cè)存在和距離，并且通�？梢灾苯訉�(shí)現(xiàn)。這就是為什么超聲波傳感器在如此廣泛的設(shè)計(jì)中被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)繼續(xù)尋找新的用途和應(yīng)用。