嵌入式系統(tǒng)的超聲波傳感器工作原理解析

　　主流接近傳感器技術(shù)有多種，每種技術(shù)都有非常不同的工作標(biāo)準(zhǔn)，在確定檢測(cè)、距離或接近方面有著不同的優(yōu)勢(shì)。本文概要性介紹了緊湊、固定的嵌入式系統(tǒng)的四種可能方案及其基本工作原理，以幫助工程師根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求確定選擇哪一種。

　　接近傳感器提供了一種精確的方法，可以在沒(méi)有任何物理接觸的情況下檢測(cè)物體的存在和距離。傳感器發(fā)出電磁場(chǎng)、光或超聲波，被物體反射或穿過(guò)物體，然后回到傳感器。與傳統(tǒng)限位開(kāi)關(guān)相比，接近傳感器有一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，就是由于沒(méi)有機(jī)械部件，因此更加耐用，可以使用更長(zhǎng)的時(shí)間。

　　在為特定應(yīng)用尋找理想的接近傳感器技術(shù)時(shí)，必須考慮成本、范圍、尺寸、刷新率或延遲以及材料效應(yīng)，并要考慮什么才是對(duì)設(shè)計(jì)最重要的因素。

　　超聲

　　顧名思義，超聲波接近傳感器會(huì)發(fā)出稱作“啁啾”的超聲波聲音脈沖，用來(lái)檢測(cè)物體的存在，也可以用來(lái)計(jì)算與物體的距離。它們由發(fā)射器和接收器組成，其功能基于回聲定位原理（圖 1）。

圖 1：超聲波傳感器工作原理。（圖片來(lái)源：CUI Devices）

　　通過(guò)測(cè)量啁啾從表面反射并返回所需的時(shí)間長(zhǎng)度（通常稱為“飛行時(shí)間”（ToF）），傳感器就可以確定物體的距離。通常情況下發(fā)射器和接收器彼此并列放置，但如果發(fā)射器和接收器分開(kāi)，利用回聲定位仍然有效。在某些情況下，發(fā)射和接收功能會(huì)結(jié)合成一個(gè)單一封裝中；這些器件就被稱為超聲波收發(fā)器。

　　因?yàn)槭褂寐曇舳皇请姶挪?，所以超聲波傳感器的讀數(shù)不會(huì)受到物體顏色和透明度的影響。它們還有一個(gè)額外的好處就是不產(chǎn)生光，這使得它們非常適合黑暗的環(huán)境，甚至是那些明亮的環(huán)境。聲波會(huì)在時(shí)間和距離上產(chǎn)生擴(kuò)散，就像水面上的波紋一樣，這種探測(cè)區(qū)域或視場(chǎng) （FoV） 的擴(kuò)大，根據(jù)應(yīng)用的不同，既可以是優(yōu)勢(shì)，也可以是劣勢(shì)。然而，憑借良好的精度水平、相當(dāng)高的刷新率以及每秒傳輸數(shù)百次啁啾的潛力，超聲波接近傳感器可以提供一個(gè)成本效益高、用途廣泛且安全的解決方案。

　　超聲波傳感器的一個(gè)基本缺點(diǎn)是，空氣溫度變化會(huì)影響聲波的速度，從而降低測(cè)量的精度。但是可以通過(guò)測(cè)量發(fā)射器和接收器之間空氣的溫度，并相應(yīng)地調(diào)整計(jì)算結(jié)果來(lái)進(jìn)行平衡。其他限制包括：在真空中不可能使用超聲波傳感器，因?yàn)樵谡婵罩袥](méi)有空氣來(lái)傳輸聲音。軟質(zhì)材料也不會(huì)像堅(jiān)硬的表面那樣能有效地反射聲音，從而影響精度。最后，雖然超聲波傳感器技術(shù)遵循了與聲納類似的概念，但它不能在水下工作。

　　光電

　　對(duì)于檢測(cè)物體是否存在來(lái)說(shuō)，光電傳感器是一個(gè)實(shí)用的選擇。它們通常是基于紅外線的，典型應(yīng)用包括車庫(kù)門傳感器或到店人數(shù)計(jì)數(shù)，但它們也適用于其他廣泛的工業(yè)應(yīng)用。

　　光電傳感器有幾種實(shí)現(xiàn)方式（圖 2）。對(duì)射式，在物體的一側(cè)使用發(fā)射器發(fā)出光束，在物體另一側(cè)使用探測(cè)器檢測(cè)光束。如果光束中斷，那么說(shuō)明有物體存在。鏡反射式，實(shí)現(xiàn)方式是將發(fā)射器和檢測(cè)器放在物體一側(cè)，反射鏡片放在另一側(cè)。漫反射式，與鏡反射式一樣，也是將發(fā)射器和檢測(cè)器共置一側(cè)，但沒(méi)有反射鏡，發(fā)射出去的光會(huì)從任何被檢測(cè)物體上反射回來(lái)。這種方式無(wú)法測(cè)量距離。

圖 2：光電傳感器——對(duì)射式、鏡反射式和漫反射式。（圖片來(lái)源：CUI Devices）

　　如果應(yīng)用需要擴(kuò)展感應(yīng)范圍并降低延遲，那么就可將光電傳感器設(shè)置為對(duì)射式或鏡反射式。但它們安裝和對(duì)齊時(shí)需要小心翼翼，因此在繁忙的環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)安裝是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。漫射型的實(shí)現(xiàn)方式更適合于檢測(cè)小物體，也可以是移動(dòng)式檢測(cè)器。

　　光電傳感器可以用在常見(jiàn)于工業(yè)環(huán)境的骯臟環(huán)境中，由于沒(méi)有移動(dòng)部件，通常比其他替代品擁有更長(zhǎng)的壽命。只要保護(hù)好鏡頭，保持清潔，那么就能保持傳感器的性能。雖然它們可以檢測(cè)大多數(shù)物體，但對(duì)于透明和反光的表面和水，可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。其他限制包括無(wú)法進(jìn)行精確的距離計(jì)算，并且根據(jù)光源的不同，也會(huì)無(wú)法檢測(cè)特定顏色的物體（例如使用紅外線時(shí)出現(xiàn)紅色物體）。

　　激光測(cè)距儀

　　激光測(cè)距 （LRF） 歷來(lái)是一種昂貴的選擇，最近在許多應(yīng)用中已成為更可行的解決方案。大功率傳感器的工作原理與超聲波傳感器相同，但使用激光束代替了聲波。

　　由于光子的傳播速度超高，準(zhǔn)確計(jì)算 ToF 很困難。在這里，使用諸如干涉測(cè)量之類技術(shù)可以幫助保持精度，同時(shí)降低成本（圖 3）。激光測(cè)距儀傳感器的另一個(gè)好處是，由于利用了電磁波束，它們通常具有令人難以置信的超長(zhǎng)測(cè)量范圍（最高達(dá)數(shù)千英尺），而且響應(yīng)時(shí)間極短。

圖 3：使用干涉測(cè)量法的激光測(cè)距儀傳感器實(shí)現(xiàn)。（圖片來(lái)源：CUI Devices）

　　盡管這些傳感器具有超低的延遲和超遠(yuǎn)的范圍能力，但它們也有自己的局限性。激光器耗電量大，這又意味著它們不適合電池供電型或便攜式應(yīng)用，而且還要考慮眼睛健康方面的安全問(wèn)題。另一個(gè)考慮因素是，F(xiàn)oV 也相對(duì)較窄，和光電傳感器一樣，它們?cè)谒虿Ａ系男Ч⒉缓谩１M管這種技術(shù)的價(jià)格有所降低，但它也仍然是最昂貴的選擇之一。

　　電感

　　電感式傳感器已經(jīng)存在了很多年，但現(xiàn)在它們正在成為主流。然而，與其他接近感應(yīng)技術(shù)不同的是，它們只能對(duì)金屬物體起作用，因?yàn)樗鼈兪褂么艌?chǎng)進(jìn)行檢測(cè)（圖 4）。其典型應(yīng)用是金屬探測(cè)器。

圖 4：電感式傳感器工作原理（圖片來(lái)源：CUI Devices）

　　根據(jù)傳感器的設(shè)置方式，檢測(cè)范圍會(huì)有所不同。短距離的應(yīng)用可以是通過(guò)檢測(cè)傳感器旁邊是否有輪齒存在來(lái)計(jì)數(shù)齒輪的旋轉(zhuǎn)。較長(zhǎng)距離應(yīng)用可以是通過(guò)將電感式傳感器嵌入路面來(lái)統(tǒng)計(jì)車輛數(shù)量，甚至可以用來(lái)進(jìn)行超遠(yuǎn)距離檢測(cè)——檢測(cè)空間等離子體。作為一種接近傳感器，電感式傳感器往往用于較短距離應(yīng)用，并且由于其是基于檢測(cè)電磁場(chǎng)差異的原理，因此可以提供極快的刷新率。對(duì)于像鐵與鋼之類黑色金屬材料，這種傳感器表現(xiàn)更佳。

　　電感式傳感器在很大的范圍內(nèi)提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)的解決方案。然而，必須考慮到它們所能感應(yīng)材料的局限性，以及它們?nèi)菀资艿礁鞣N干擾源影響這一事實(shí)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　當(dāng)考慮所有接近感應(yīng)實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)時(shí)，超聲波傳感器通常是最好的整體技術(shù)（圖 5）。它們成本低，能夠檢測(cè)物體的存在，距離計(jì)算準(zhǔn)確，且易于使用，整體優(yōu)勢(shì)明顯。

圖 5：四種接近傳感器技術(shù)比較（圖片來(lái)源：CUI Devices）