作者：Jeff Smoot，CUI Devices应用工程和运动控制部门副总裁
关键词: 传感器, 工作原理
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。
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）。
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）
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）
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）
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） CUI Devices超声波传感器 。
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