存在感应技术选择要求与如何应用

随着消费者和工业系统变得更智能，更具互动性和更自主，他们需要能够感知对象，用户或路人的存在。虽然基本存在感应技术和技术已经建立，但设计人员面临着更加准确，高效，经济高效且可靠地执行存在感测的压力。

要求此类改进的典型应用包括机械和制造，分别需要检测齿轮齿或瓶子的地方。在机器人技术中，需要检测附近物体或人的存在，以便机器人可以避开它们或停止移动，而在智能设备和信息亭中，系统需要能够检测并响应用户交互。

此功能将介绍一些主要的存在感应技术选择标准，以便在引入合适的设备以及如何使用它们之前考虑各种应用。

存在感应设计要求和技术

存在感应系统的性能取决于真实的，特定应用的问题，如室内和室外设置;目标对象大小，材料和一致性;局势的限制和一致性;功率要求和可用功率;和包装/放置要求，引用一些因素。

此外，许多存在感应器处于物理环境中，在这些环境中，它们既暴露于恶劣的环境，也暴露于人为的非故意（甚至是故意的）滥用撞击它们的物体（例如汽车放牧墙壁），物理安装和坚固性是需要考虑的问题。

设计师还需要考虑他们的传感器技术组合。使用单个传感器以100％的准确度检测到有人走过私人车道是一项挑战。如果布置过于敏感，可能会因动物或风吹的叶子而发出误报。另一方面，如果安排不够灵敏，可能会错过小孩的存在。

因此，选择的方法和选择的传感器都需要仔细评估，甚至可能需要冗余，独立，交替的传感方法，在“未命中”和误报方面具有更高的准确度。

存在感应的三种广泛使用的方法使用光学，超声波和电感接近原理。还有其他选择，如雷达，但这有一些复杂的RF设计问题以及监管和可能的许可问题。另一种选择是基于视频的方法，需要复杂的信号处理和算法开发，因此它通常不是许多存在感应应用所需的低成本可靠性和耐用性的最佳候选者。

另一个因素是理解的是传感信号的波束宽度。根据技术，这可以是窄的，紧的梁或更宽，更宽的梁，并且应用定义哪一个是优选的。例如，需要一根窄梁来感知生产线输送机轨道上的各个瓶子，而更广泛的一个是检测走向售货亭的人的更好选择。

选择存在感应解决方案时的众多设计考虑因素包括：

传感器到感应物体的距离

光束宽度

干扰（传感器与感应物体之间的物理障碍）

整体感应情况与被感知者或物体的一致性

对假阳性指示和假阴性指示的关注

环境设置（室内，室外;白天和夜晚（室外环境）;化学品和油类，

物理滥用（故意或意外）

传感器电子设备的位置选项传感器传感器

电源要求

长期可靠性

BOM成本和安装成本

使用多个传感器实现精度和可靠性

应用程序安装不仅限于使用单个传感器甚至单一传感技术。虽然成本较高，但安装两个或多个m并不罕见矿石传感器，通常采用不同的技术来提供更可靠的存在指示。

使用多个传感器的选项，无论是相同还是不同类型，都意味着设计人员必须解决有关系统优先级的问题。如果主要关注的是确保没有错过真正的目标，那么一种解决方案是并行使用传感器（逻辑OR函数）来重叠覆盖。这样，来自任何一个传感器的正指示都可以指示目标的存在。

或者，更重要的是确保没有检测到对象的情况，即使实际上没有检测到对象（假阳性）？在这种情况下，多个传感器可以串联使用，以实现AND逻辑功能的“一致”投票方法。

OR和AND功能都可以通过硬连线输出来实现兼容。然而，基于软件的方法在组合不同类型的传感器输出时更灵活，并且可以使用不同的算法来过滤各个传感器信号。软件的使用还允许加权一系列顺序传感器读数，甚至它们在AND和OR运算中的组合，以最佳地最小化假阴性和阳性。它还可以灵活地修改基于逻辑的决策过程，并在需要时添加条件决策。

从光学传感开始

使用聚焦光或激光束，通常在红外（IR）光谱是确定存在的明显方法。典型的传感器包括发射器和接收器，它们可以在感兴趣的区域上相对安装，或者它们可以与远端的镜子或后向反射器共同定位。使用共址简化了安装和布线，但也意味着光路长度加倍，这降低了接收信号功率并增加了信噪比（SNR）。

发出的光信号是通常是脉冲式的，以区别于干扰，以及附近的照明，反射，干扰和其他光学噪声源。光束也是紧密聚焦的，因此其轴外光束宽度受到限制。

光学检测可在户外使用，但往往存在与阳光引起的过载有关的问题以及对宽动态范围的需求因为它必须涵盖黑暗和日光情况。

总的来说，光学传感器在受控和受限设置中是一种可靠的方法。它可以探测到几毫米大小的目标，并可以感知几十米范围内的小物体。但是，灰尘，雾气，蒸汽和附近的反射会阻止感应或导致错误指示，而像脏镜（如果使用的话）这样简单的东西会导致反射信号功率降至最低阈值以下。

与几乎所有其他存在探测器相比，光学系统现在具有独特的优势：通过使用光纤，它们的电子器件可以位于距发射器和接收器的光学窗口的暴露位置相当远的位置。一对光纤用于将LED/激光传送到发光部位，并将接收到的光传送到接收器光电晶体管。只有相对粗糙的纤维暴露在恶劣的环境中才会暴露在极端温度，油污，污垢和滥用的环境中。此外，还可以为光纤提供额外的保护，而不是电子设备。

使用光学传感的一个很好的例子是Panasonic FX-500系列（图1）。

图1：松下FX-500光学传感器的控制单元及其相对敏感的电子元件，可以放置在距离暴露端数米的位置更坚固的发射器和接收器光纤。 （图像来源：Panasonic工业设备公司）

该传感器将所有电路放置在一个单元中，该单元还包括用于设置模式，输出强度，阈值设置和测试功能的上部按钮（图2）。该装置可以方便地位于距离使用点数十米的位置。

图2：FX-500的便利控制单元还包含用户操作的按钮，用于设置，阈值设置和测试。 （图像来源：Panasonic工业设备公司）

一对直径仅为2毫米（mm）的光纤传输发射和接收的光信号。纤维带有螺纹衬套，可轻松牢固地连接到面板或表面（图3）。由于它们具有25毫米的紧密弯曲半径，因此可以轻松地绕过或穿过电子设备之间的障碍物以及暴露的光纤末端的位置。

图3：FX-500的传感端由两根薄的光纤组成，这些光纤安装在坚固的衬套中，以最大限度地减少物理暴露。左侧细而水平的红线是设备红外光束的“可视化”。 （图像来源：Panasonic工业设备公司）

基于超声波的存在感应

与光束一样，超声波能量的使用是另一种经过时间考验的存在感应技术。原理很简单：压电传感器是脉冲的，然后它“监听”来自感兴趣对象的回波。必须检测的回波功率是发射输出，距离和回声物体的性质的函数（例如，汽车与外套中的人）。

超声波感应具有实用范围高达数米，光束宽度相对较宽。它最适合具有相对较大横截面的较大目标，这些目标在受控的室内应用中运行，因为任何风都会影响两个方向上的信号路径，从而影响性能的一致性。温度的变化也会影响超声波能量的传播。

SICK AG的UM18-218超声波传感器代表了一种可用于良性和恶劣环境的装置（图4）。传感器安装在螺纹衬套（直径18毫米）中，防护等级为IP67，因此可防尘，并能承受15厘米至1米（m）的水浸30分钟。它采用10至20伏直流电源供电，功耗低于1.2瓦（W），工作频率为200千赫（kHz），响应时间为80毫秒。它的输出是一个易于接口的集电极开路PNP晶体管，具有200毫安（mA）的负载能力。

图4：SICK UM18-218 200 kHz超声波换能器采用坚固的衬套，符合IP67防尘和防水要求。 （图像来源：SICK AG）

UM18-218的光束宽度显示在其检测范围图中（图5）。对于设计人员，这定义了检测宽度与距离（左轴，最大1.5米）的性能包络，用于检测（操作）和到达（最大）。

图5：定义两种基本目标类型的SICK UM18-218检测区域包络与距离的图表是评估的关键工具在最佳条件下，这种传感器类型和型号的可行性。 （图片来源：SICK AG）

请注意，这些范围是目标细节的函数;在图中，目标是与梁成直角的500 mm方形板（具有大横截面的有利目标），以及直径为27 mm的管（远远不太明显的目标）。

《 p》目标类型不仅限制了距离，还限制了区域的形状，因此每个目标类型的运行评估测试结果会有所不同。

电感式接近感应：铁质物体的选项

第三种选择是电感式接近传感器，当黑色金属物体靠近传感线圈时触发。电感式接近传感器特别适用于近距离检测小型铁质物体，如齿轮齿，键盘按钮和风扇叶片;它还可以在更远的距离使用，以检测更大的物体，如汽车。作为非接触式磁性传感器，它可靠且不受污垢，油，湿气，光线或其他干扰污染物的影响，并且可以安装在坚固的非金属外壳中。

在可用于感应线圈的IC的可用性之前，这类传感器的设计是复杂的并且需要许多分立元件。现在，德州仪器（TI）的LDC0851等IC（图6）大大缓解了构建具有一致性能的这种存在传感器的挑战。

图6：Texas Instruments LDC0851电感式接近传感器管理参考线圈和传感线圈;当铁质材料破坏传感区时，传感线圈的电感会发生变化，从而改变其相关L-C振荡器的频率。 （图像来源：德州仪器公司）

该IC是一个电感“比较器”，它使用两个用户提供的线圈。一个线圈用作传感线圈，另一个线圈用作参考线圈。在操作中，传感技术利用了开放场线圈的实际电感将受到附近含铁物体影响的事实。请注意，这不适用于没有外部磁场的屏蔽线圈或环形线圈。如果线圈是LC谐振振荡器的一部分，振荡器的自由运行频率将是电感的函数。

在工作时，当感应电感低于电感时，LDC0851的输出为低电平。参考电感（通过其标称200 kHz振荡的变化测量）并在参考电感高于感应电感时返回高电平。为了消除由于系统振动引起的输出抖动，IC在参考线圈阈值附近包含用户可调节的滞后。

感测和参考线圈对于成功实现此IC至关重要，因为它们有助于在温度范围内保持一致的切换距离并补偿其他环境因素。线圈可以是外部分立无源器件，也可以作为印刷电路板的一部分制造。后者降低了成本，但可能会增加印刷电路板的尺寸;对于许多低成本应用，这是一个可接受的权衡。

理想情况下，两个线圈应该是相同的，但是相对于彼此的放置问题，方向和其他因素可能需要对一个或两个线圈进行微调以获得最佳和一致的性能。在某些设计中，印刷电路板的尺寸限制要求将线圈放在彼此的顶部，而在其他情况下，它们并排放置。

为了获得堆叠线圈的最佳感应范围，间距在多层印刷电路板上，传感线圈和参考线圈之间应尽可能大（图7）。对于该IC，被感测的目标应位于距参考线圈直径小于40％的距离处。

图7： LDC0851的传感线圈是可靠操作的关键，可以作为印刷电路板布局的一部分制造;它们可以并排放置，或者如图所示以其转弯方向堆叠。 （图片来源：德州仪器公司）

请注意，电感式接近传感器是磁力计的一种变体，磁力计是一种感应地球磁场变化的无源设备。磁力计非常适合距离达数米的较大的铁质物体，例如车辆。然而，接近传感器也可以用于更大的线圈尺寸和校准。

结论

感知人或物体的存在 - 小或大，黑色或有色金属 - 是许多系统中的常见要求。虽然光学，超声波和电感方法已得到充分了解，但设计人员仍面临着以更低成本和更高效率满足更高精度和可靠性要求的压力。

供应商正在采取各种解决方案来帮助，但在制作之前他们的决定是，设计师需要考虑诸如操作环境，目标的一致性，附近物体的干扰以及环境条件等问题。该决定可能包括使用相同甚至不同类型的多个传感器以增加检测精度，以及采用基于软件的存在感应方法。