嵌入式系統的超聲波傳感器工作原理解析

　　主流接近傳感器技術有多種，每種技術都有非常不同的工作標準，在確定檢測、距離或接近方面有著不同的優勢。本文概要性介紹了緊湊、固定的嵌入式系統的四種可能方案及其基本工作原理，以幫助工程師根據自己的設計要求確定選擇哪一種。

　　接近傳感器提供了一種精確的方法，可以在沒有任何物理接觸的情況下檢測物體的存在和距離。傳感器發出電磁場、光或超聲波，被物體反射或穿過物體，然后回到傳感器。與傳統限位開關相比，接近傳感器有一個顯著優點，就是由于沒有機械部件，因此更加耐用，可以使用更長的時間。

　　在為特定應用尋找理想的接近傳感器技術時，必須考慮成本、范圍、尺寸、刷新率或延遲以及材料效應，并要考慮什么才是對設計最重要的因素。

　　超聲

　　顧名思義，超聲波接近傳感器會發出稱作“啁啾”的超聲波聲音脈沖，用來檢測物體的存在，也可以用來計算與物體的距離。它們由發射器和接收器組成，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。（圖片來源：CUI Devices）

　　通過測量啁啾從表面反射并返回所需的時間長度（通常稱為“飛行時間”（ToF）），傳感器就可以確定物體的距離。通常情況下發射器和接收器彼此并列放置，但如果發射器和接收器分開，利用回聲定位仍然有效。在某些情況下，發射和接收功能會結合成一個單一封裝中；這些器件就被稱為超聲波收發器。

　　因為使用聲音而不是電磁波，所以超聲波傳感器的讀數不會受到物體顏色和透明度的影響。它們還有一個額外的好處就是不產生光，這使得它們非常適合黑暗的環境，甚至是那些明亮的環境。聲波會在時間和距離上產生擴散，就像水面上的波紋一樣，這種探測區域或視場（FoV）的擴大，根據應用的不同，既可以是優勢，也可以是劣勢。然而，憑借良好的精度水平、相當高的刷新率以及每秒傳輸數百次啁啾的潛力，超聲波接近傳感器可以提供一個成本效益高、用途廣泛且安全的解決方案。

　　超聲波傳感器的一個基本缺點是，空氣溫度變化會影響聲波的速度，從而降低測量的精度。但是可以通過測量發射器和接收器之間空氣的溫度，并相應地調整計算結果來進行平衡。其他限制包括：在真空中不可能使用超聲波傳感器，因為在真空中沒有空氣來傳輸聲音。軟質材料也不會像堅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遵循了與聲納類似的概念，但它不能在水下工作。

　　光電

　　對于檢測物體是否存在來說，光電傳感器是一個實用的選擇。它們通常是基于紅外線的，典型應用包括車庫門傳感器或到店人數計數，但它們也適用于其他廣泛的工業應用。

　　光電傳感器有幾種實現方式（圖 2）。對射式，在物體的一側使用發射器發出光束，在物體另一側使用探測器檢測光束。如果光束中斷，那么說明有物體存在。鏡反射式，實現方式是將發射器和檢測器放在物體一側，反射鏡片放在另一側。漫反射式，與鏡反射式一樣，也是將發射器和檢測器共置一側，但沒有反射鏡，發射出去的光會從任何被檢測物體上反射回來。這種方式無法測量距離。

圖 2：光電傳感器——對射式、鏡反射式和漫反射式。（圖片來源：CUI Devices）

　　如果應用需要擴展感應范圍并降低延遲，那么就可將光電傳感器設置為對射式或鏡反射式。但它們安裝和對齊時需要小心翼翼，因此在繁忙的環境中進行系統安裝是一項挑戰。漫射型的實現方式更適合于檢測小物體，也可以是移動式檢測器。

　　光電傳感器可以用在常見于工業環境的骯臟環境中，由于沒有移動部件，通常比其他替代品擁有更長的壽命。只要保護好鏡頭，保持清潔，那么就能保持傳感器的性能。雖然它們可以檢測大多數物體，但對于透明和反光的表面和水，可能會出現問題。其他限制包括無法進行精確的距離計算，并且根據光源的不同，也會無法檢測特定顏色的物體（例如使用紅外線時出現紅色物體）。

　　激光測距儀

　　激光測距（LRF）歷來是一種昂貴的選擇，最近在許多應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，準確計算 ToF 很困難。在這里，使用諸如干涉測量之類技術可以幫助保持精度，同時降低成本（圖 3）。激光測距儀傳感器的另一個好處是，由于利用了電磁波束，它們通常具有令人難以置信的超長測量范圍（最高達數千英尺），而且響應時間極短。

圖 3：使用干涉測量法的激光測距儀傳感器實現。（圖片來源：CUI Devices）

　　盡管這些傳感器具有超低的延遲和超遠的范圍能力，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用，而且還要考慮眼睛健康方面的安全問題。另一個考慮因素是，FoV 也相對較窄，和光電傳感器一樣，它們在水或玻璃上的效果并不好。盡管這種技術的價格有所降低，但它也仍然是最昂貴的選擇之一。

　　電感

　　電感式傳感器已經存在了很多年，但現在它們正在成為主流。然而，與其他接近感應技術不同的是，它們只能對金屬物體起作用，因為它們使用磁場進行檢測（圖 4）。其典型應用是金屬探測器。

圖 4：電感式傳感器工作原理（圖片來源：CUI Devices）

　　根據傳感器的設置方式，檢測范圍會有所不同。短距離的應用可以是通過檢測傳感器旁邊是否有輪齒存在來計數齒輪的旋轉。較長距離應用可以是通過將電感式傳感器嵌入路面來統計車輛數量，甚至可以用來進行超遠距離檢測——檢測空間等離子體。作為一種接近傳感器，電感式傳感器往往用于較短距離應用，并且由于其是基于檢測電磁場差異的原理，因此可以提供極快的刷新率。對于像鐵與鋼之類黑色金屬材料，這種傳感器表現更佳。

　　電感式傳感器在很大的范圍內提供了一個經濟的解決方案。然而，必須考慮到它們所能感應材料的局限性，以及它們容易受到各種干擾源影響這一事實。

　　結語

　　當考慮所有接近感應實現挑戰時，超聲波傳感器通常是最好的整體技術（圖 5）。它們成本低，能夠檢測物體的存在，距離計算準確，且易于使用，整體優勢明顯。