四种接近传感器PK，谁能胜出？-德赢Vwin官网网

作者： Jeff Smoot，得捷电子DigiKey

主流接近传感器技术有多种，每种技术都有非常不同的工作标准，在确定检测、距离或接近方面有着不同的优势。本文概要性介绍了紧凑、固定的嵌入式系统的四种可能方案及其基本工作原理，以帮助工程师根据自己的设计要求确定选择哪一种。

接近传感器提供了一种精确的方法，可以在没有任何物理接触的情况下检测物体的存在和距离。传感器发出电磁场、光或超声波，被物体反射或穿过物体，然后回到传感器。与传统限位开关相比，接近传感器有一个显著优点，就是由于没有机械部件，因此更加耐用，可以使用更长的时间。

在为特定应用寻找理想的接近传感器技术时，必须考虑成本、范围、尺寸、刷新率或延迟以及材料效应，并要考虑什么才是对设计最重要的因素。

超声

顾名思义，超声波接近传感器会发出称作“啁啾”的超声波声音脉冲，用来检测物体的存在，也可以用来计算与物体的距离。它们由发射器和接收器组成，其功能基于回声定位原理（图1）。

图1：超声波传感器工作原理。（图片来源：CUI Devices）

通过测量啁啾从表面反射并返回所需的时间长度（通常称为“飞行时间”(ToF)），传感器就可以确定物体的距离。通常情况下发射器和接收器彼此并列放置，但如果发射器和接收器分开，利用回声定位仍然有效。在某些情况下，发射和接收功能会结合成一个单一封装中；这些器件就被称为超声波收发器。

因为使用声音而不是电磁波，所以超声波传感器的读数不会受到物体颜色和透明度的影响。它们还有一个额外的好处就是不产生光，这使得它们非常适合黑暗的环境，甚至是那些明亮的环境。声波会在时间和距离上产生扩散，就像水面上的波纹一样，这种探测区域或视场 (FoV) 的扩大，根据应用的不同，既可以是优势，也可以是劣势。然而，凭借良好的精度水平、相当高的刷新率以及每秒传输数百次啁啾的潜力，超声波接近传感器可以提供一个成本效益高、用途广泛且安全的解决方案。

超声波传感器的一个基本缺点是，空气温度变化会影响声波的速度，从而降低测量的精度。但是可以通过测量发射器和接收器之间空气的温度，并相应地调整计算结果来进行平衡。其他限制包括：在真空中不可能使用超声波传感器，因为在真空中没有空气来传输声音。软质材料也不会像坚硬的表面那样能有效地反射声音，从而影响精度。最后，虽然超声波传感器技术遵循了与声纳类似的概念，但它不能在水下工作。

光电

对于检测物体是否存在来说，光电传感器是一个实用的选择。它们通常是基于红外线的，典型应用包括车库门传感器或到店人数计数，但它们也适用于其他广泛的工业应用。

光电传感器有几种实现方式（图2）。

对射式，在物体的一侧使用发射器发出光束，在物体另一侧使用探测器检测光束。如果光束中断，那么说明有物体存在。

镜反射式，实现方式是将发射器和检测器放在物体一侧，反射镜片放在另一侧。

漫反射式，与镜反射式一样，也是将发射器和检测器共置一侧，但没有反射镜，发射出去的光会从任何被检测物体上反射回来。这种方式无法测量距离。

图2：光电传感器——对射式、镜反射式和漫反射式。（图片来源：CUI Devices）

如果应用需要扩展感应范围并降低延迟，那么就可将光电传感器设置为对射式或镜反射式。但它们安装和对齐时需要小心翼翼，因此在繁忙的环境中进行系统安装是一项挑战。漫射型的实现方式更适合于检测小物体，也可以是移动式检测器。

光电传感器可以用在常见于工业环境的肮脏环境中，由于没有移动部件，通常比其他替代品拥有更长的寿命。只要保护好镜头，保持清洁，那么就能保持传感器的性能。虽然它们可以检测大多数物体，但对于透明和反光的表面和水，可能会出现问题。其他限制包括无法进行精确的距离计算，并且根据光源的不同，也会无法检测特定颜色的物体（例如使用红外线时出现红色物体）。

激光测距仪

激光测距 (LRF) 历来是一种昂贵的选择，最近在许多应用中已成为更可行的解决方案。大功率传感器的工作原理与超声波传感器相同，但使用激光束代替了声波。

由于光子的传播速度超高，准确计算ToF很困难。在这里，使用诸如干涉测量之类技术可以帮助保持精度，同时降低成本（图3）。激光测距仪传感器的另一个好处是，由于利用了电磁波束，它们通常具有令人难以置信的超长测量范围（最高达数千英尺），而且响应时间极短。

图3：使用干涉测量法的激光测距仪传感器实现。（图片来源：CUI Devices）

尽管这些传感器具有超低的延迟和超远的范围能力，但它们也有自己的局限性。激光器耗电量大，这又意味着它们不适合电池供电型或便携式应用，而且还要考虑眼睛健康方面的安全问题。另一个考虑因素是，FoV也相对较窄，和光电传感器一样，它们在水或玻璃上的效果并不好。尽管这种技术的价格有所降低，但它也仍然是最昂贵的选择之一。

电感

电感式传感器已经存在了很多年，但现在它们正在成为主流。然而，与其他接近感应技术不同的是，它们只能对金属物体起作用，因为它们使用磁场进行检测（图4）。其典型应用是金属探测器。