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來(lái)源：Digikey 作者：Jeff Shepard 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物品的存在和位置，這在控制物料搬運、農業(yè)機械、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、電容、磁性和超聲波等多種技術(shù)。在確定特定應用的最佳選擇時(shí)，需要考慮范圍、尺寸、精度、靈敏度、分辨率以及成本等因素。 許多應用的一個(gè)關(guān)鍵因素是待檢測物體的材料。有些傳感器在硬表面和纖維表面上的表現不同，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(jiàn)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，以及一些預期應用。 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用的一系列特性。W10 傳感器采用堅固的設計，因此適合在具有挑戰性的環(huán)境中精確檢測物體。集成式觸摸屏可加快參數設置和傳感器部署速度（圖 1）。 
圖 1：這些光電傳感器上的觸摸屏可加快調試和部署速度。（圖片來(lái)源：SICK） 借助提供的教程，設計人員能夠根據特定應用要求調整這些傳感器。此外，集成速度設置、標準和精密測量模式以及前景和背景抑制等功能，意味著(zhù)一個(gè)傳感器可用于多種應用。該傳感器系列包括四種型號，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量法。所設定感應范圍后方的物體的信號會(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，并能應對復雜的環(huán)境照明條件。 如果目標物體和背景（如傳送帶）具有相似的反射率，或者背景反射率變化不定，可能對檢測造成干擾，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規定距離內的物體。傳感器與感應距離（設置為背景）之間的所有物體都會(huì )被檢測到。為確�？煽康母袦y，背景需要相對明亮，而且高度不應變化。 當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效果。傳感器不是通過(guò)檢測物體反射的光線(xiàn)，而是通過(guò)檢測傳送帶反射的光線(xiàn)是否消失，來(lái)檢測物體。 · 回射式 在回射式傳感器中，發(fā)出的光線(xiàn)照射到反射器上，而傳感器對反射的光線(xiàn)進(jìn)行評估。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。此外，用激光器取代標準紅外光發(fā)射器可獲得更大的感應范圍和更高的分辨率。 采用低于正常值的開(kāi)關(guān)滯后可提高回射式傳感器的性能。在這些設計中，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，也能被可靠地檢測到。SICK 還提供一個(gè)稱(chēng)為 AutoAdapt 的監控系統，該系統可持續調節和調整開(kāi)關(guān)閾值，以應對可能導致感應系統失靈的污染物逐漸積聚現象。 · 對射式 與回射式傳感器不同，對射式傳感器采用兩個(gè)有源器件：發(fā)送器和接收器。對射式感應可實(shí)現更遠的感應范圍。用激光二極管取代紅外發(fā)射器可進(jìn)一步擴大感應距離，同時(shí)還能保持高分辨率和精確感應。 · 光纖 光纖傳感器是對射式設計的一種變體。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。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用以及危險和惡劣的環(huán)境。 · 光電傳感器陣列 RAY26 Reflex Array 系列光電傳感器（如型號 1221950）不僅能可靠地檢測扁平物體，而且還能實(shí)現快速調試。與反射器結合使用時(shí)，這種光電傳感器還能檢測小至 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，傳感器可檢測物體的前緣。這意味著(zhù)，即使是穿孔物體，也能可靠地檢測到，而且無(wú)需進(jìn)行復雜的切換操作（圖 4）。
圖 2：光電傳感器陣列可在 55 mm 高的區域內檢測小至 3 mm 的物體。（圖片來(lái)源：SICK） 激光距離傳感器 以下應用的設計人員可選擇使用 DT50 激光距離傳感器：儲存容器中的液位監測、傳送帶上物體的位置檢測、自動(dòng)叉車(chē)系統中軸的 XY 位置、倉庫和懸掛輸送機中起重機的垂直定位，以及線(xiàn)圈繞制過(guò)程中的直徑監測。這些傳感器采用反射激光，不受環(huán)境光線(xiàn)影響，而且工作精確可靠，支持長(cháng)達數米的飛行時(shí)間 (ToF) 距離測量。 例如，DT50-2B215252 的測量范圍為 200 mm 至 30,000 mm，并且具有多項特性，其中包括： · 外殼堅固，防護等級為 IP65 和 IP67 · 每秒可提供多達 3,000 次距離測量 · 極短的響應時(shí)間：0.83 ms · 外殼緊湊，支持從工業(yè)機器人到測量?jì)Υ嫒萜魈畛涓叨鹊纫幌盗袘?br /> 利用統計數據進(jìn)行高分辨率測量 高清距離測量+ (HDDM+) 是一種高分辨率 ToF 測量技術(shù)，可用于激光距離傳感器、光檢測傳感器和測距 (LiDAR) 傳感器。與單脈沖或相位相關(guān)感應技術(shù)相比，HDDM+ 是一種統計測量方法。 傳感器軟件會(huì )對多個(gè)激光脈沖的回波進(jìn)行統計評估，以過(guò)濾掉來(lái)自玻璃、霧、雨、灰塵、雪、樹(shù)葉、柵欄和其他物體的干擾，從而計算出與預定目標的距離。即使在具有挑戰性的環(huán)境條件下，產(chǎn)生的距離測量結果也具有很高的確定性（圖 5）。
圖 3：SICK 的 HDDM+ 軟件使用統計評估過(guò)程來(lái)消除來(lái)自玻璃板、霧、雨、灰塵、雪、樹(shù)葉和柵欄等的“噪聲”。（圖片來(lái)源：SICK） HDDM+ 技術(shù)的典型應用包括電子產(chǎn)品生產(chǎn)中用于質(zhì)量控制的距離測量、機械和設備工程中的 LiDAR 多維物體檢測和位置確定，以及工業(yè)起重機或車(chē)輛的位置確定。 HDDM+ 傳感器在回射帶上的感應范圍可達 1.5 km。例如，型號 DT1000-S11101 的測量范圍可達 460 m，對自然物體的典型測量精度為 ±15 mm，分辨率可調范圍為 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)。當金屬物體進(jìn)入檢測范圍時(shí)，該磁場(chǎng)會(huì )受到抑制。這種抑制會(huì )被信號評估電路檢測到，然后放大器會(huì )產(chǎn)生輸出信號（圖 4）。
圖 4：基礎電感式接近傳感器由產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的 LC 電路、信號評估器以及放大器組成。（圖片來(lái)源：SICK） 多種接近傳感器技術(shù)的感應距離有兩個(gè)重要技術(shù)參數，即標稱(chēng)感應距離 (Sn) 和可靠感應距離 (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 與電感式傳感器類(lèi)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(kāi)放式電容器，傳感器中的有源電極會(huì )產(chǎn)生相對于地的靜電場(chǎng)。這些傳感器可檢測包括金屬和非金屬物體在內的多種材料的存在。 當物體進(jìn)入靜電場(chǎng)時(shí)，諧振電路中的振蕩幅度會(huì )根據材料的介電特性發(fā)生變化。信號評估器會(huì )檢測到這種變化，然后放大器會(huì )產(chǎn)生輸出信號（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)，當待感應的目標進(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(lái)源：SICK） 與電感式接近傳感器類(lèi)似，電容式接近傳感器也有幾個(gè)與感應距離相關(guān)的技術(shù)參數，其中包括 Sn、Sa 和折減系數。例如，型號 CM12-08EBP-KC1 的 Sn 為 8 mm，標稱(chēng) Sa 為 5.76 mm。 待感測的物體必須至少與傳感器表面一樣大，而且感應距離隨材料的折減系數而變化。折減系數與材料的介電常數有關(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 )對磁體的存在做出響應。SICK 的磁性接近傳感器采用了兩種檢測技術(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�；菟雇姌蛴糜跈z測電阻變化并產(chǎn)生輸出信號。MZT7 氣缸傳感器（如設計用于 T 型槽氣缸的 MZT7-03VPS-KP0）采用 GMR 技術(shù)檢測氣動(dòng)驅動(dòng)裝置和類(lèi)似應用中的活塞定位。 · 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 )被信號評估器檢測到，然后放大器會(huì )產(chǎn)生輸出信號（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(lái)源：SICK） 超聲波傳感器 對于 8 m 以?xún)鹊奈矬w，設計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償功能，可提高測量精度，并提供不受顏色影響的物體檢測功能、防塵性以及高達 +70°C 的工作溫度。它們根據飛行時(shí)間技術(shù)測量距離，距離等于聲速乘以總聲波飛行時(shí)間 (t2)，再除以 2（圖 6）。
圖 7：超聲波傳感器可根據聲波的總飛行時(shí)間 (t2) 來(lái)測量距離。（圖片來(lái)源：SICK） 型號為 UM30-212111 的超聲波傳感器適用于空箱監測等應用。內部溫度監測器的測量精度為 ±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到難以分辨的物體。 結語(yǔ) 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(zhù)各種應用需求都有相應的解決方案。我們面臨的挑戰是在眾多選擇中進(jìn)行篩選，找到在實(shí)際應用和工作條件下檢測特定材料的最佳解決方案。 |
