嵌入式系统的超声波传感器工作原理解析

　　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。

图 4：电感式传感器工作原理（图片来源：CUI Devices）

　　根据传感器的设置方式，检测范围会有所不同。短距离的应用可以是通过检测传感器旁边是否有轮齿存在来计数齿轮的旋转。较长距离应用可以是通过将电感式传感器嵌入路面来统计车辆数量，甚至可以用来进行超远距离检测——检测空间等离子体。作为一种接近传感器，电感式传感器往往用于较短距离应用，并且由于其是基于检测电磁场差异的原理，因此可以提供极快的刷新率。对于像铁与钢之类黑色金属材料，这种传感器表现更佳。

　　电感式传感器在很大的范围内提供了一个经济的解决方案。然而，必须考虑到它们所能感应材料的局限性，以及它们容易受到各种干扰源影响这一事实。

　　结语

　　当考虑所有接近感应实现挑战时，超声波传感器通常是最好的整体技术（图 5）。它们成本低，能够检测物体的存在，距离计算准确，且易于使用，整体优势明显。

图 5：四种接近传感器技术比较（图片来源：CUI Devices）