|
來源：Digikey 作者：Jeff Shepard 使用接近傳感器和距離傳感器可在不進行物理接觸的情況下檢測物品的存在和位置，這在控制物料搬運、農(nóng)業(yè)機械、制造和裝配作業(yè)，以及食品、飲料和藥品包裝等工業(yè)流程方面非常重要。 這些傳感器采用光電、激光、感應(yīng)、電容、磁性和超聲波等多種技術(shù)。在確定特定應(yīng)用的最佳選擇時，需要考慮范圍、尺寸、精度、靈敏度、分辨率以及成本等因素。 許多應(yīng)用的一個關(guān)鍵因素是待檢測物體的材料。有些傳感器在硬表面和纖維表面上的表現(xiàn)不同，還有一些傳感器會受到物體顏色或反射率的影響。 本文將回顧常見的非接觸式接近傳感器技術(shù)，并介紹這些技術(shù)的工作原理、基本性能特點和 SICK 的示例傳感器，以及一些預(yù)期應(yīng)用。 光電傳感器 光電傳感器（如 SICK 的 W10 光電接近傳感器）不僅易于使用和安裝，而且具有適合多種應(yīng)用的一系列特性。W10 傳感器采用堅固的設(shè)計，因此適合在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中精確檢測物體。集成式觸摸屏可加快參數(shù)設(shè)置和傳感器部署速度（圖 1）。 
圖 1：這些光電傳感器上的觸摸屏可加快調(diào)試和部署速度。（圖片來源：SICK） 借助提供的教程，設(shè)計人員能夠根據(jù)特定應(yīng)用要求調(diào)整這些傳感器。此外，集成速度設(shè)置、標準和精密測量模式以及前景和背景抑制等功能，意味著一個傳感器可用于多種應(yīng)用。該傳感器系列包括四種型號，它們的工作距離和安裝方式各不相同。 · 背景抑制 具有背景抑制 (BGS) 功能的光電接近傳感器在發(fā)送元件與接收元件之間采用三角測量法。所設(shè)定感應(yīng)范圍后方的物體的信號會被抑制。此外，SICK 的 BGS 技術(shù)還能忽略背景中的高反射物體，并能應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境照明條件。 如果目標物體和背景（如傳送帶）具有相似的反射率，或者背景反射率變化不定，可能對檢測造成干擾，則背景抑制尤其有用。 · 前景抑制 具有前景抑制 (FGS) 功能的光電接近傳感器可檢測規(guī)定距離內(nèi)的物體。傳感器與感應(yīng)距離（設(shè)置為背景）之間的所有物體都會被檢測到。為確保可靠的感測，背景需要相對明亮，而且高度不應(yīng)變化。 當物體位于白色或淺色傳送帶等反光表面上時，前景抑制可改善檢測效果。傳感器不是通過檢測物體反射的光線，而是通過檢測傳送帶反射的光線是否消失，來檢測物體。 · 回射式 在回射式傳感器中，發(fā)出的光線照射到反射器上，而傳感器對反射的光線進行評估。使用偏振濾光片可將誤差降至最低。透明的拉伸膜和塑料包裝會干擾這些傳感器。降低傳感器靈敏度有助于克服這些挑戰(zhàn)。此外，用激光器取代標準紅外光發(fā)射器可獲得更大的感應(yīng)范圍和更高的分辨率。 采用低于正常值的開關(guān)滯后可提高回射式傳感器的性能。在這些設(shè)計中，即使是傳感器與反射器之間最微弱的光衰減，例如由玻璃瓶引起的光衰減，也能被可靠地檢測到。SICK 還提供一個稱為 AutoAdapt 的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可持續(xù)調(diào)節(jié)和調(diào)整開關(guān)閾值，以應(yīng)對可能導致感應(yīng)系統(tǒng)失靈的污染物逐漸積聚現(xiàn)象。 · 對射式 與回射式傳感器不同，對射式傳感器采用兩個有源器件：發(fā)送器和接收器。對射式感應(yīng)可實現(xiàn)更遠的感應(yīng)范圍。用激光二極管取代紅外發(fā)射器可進一步擴大感應(yīng)距離，同時還能保持高分辨率和精確感應(yīng)。 · 光纖 光纖傳感器是對射式設(shè)計的一種變體。在光纖光電傳感器中，發(fā)送器和接收器共同封裝在一個外殼內(nèi)。發(fā)送器和接收器分別使用不同的光纖電纜。這些傳感器尤其適用于高溫應(yīng)用以及危險和惡劣的環(huán)境。 · 光電傳感器陣列 RAY26 Reflex Array 系列光電傳感器（如型號 1221950）不僅能可靠地檢測扁平物體，而且還能實現(xiàn)快速調(diào)試。與反射器結(jié)合使用時，這種光電傳感器還能檢測小至 3 mm 的小型、扁平、透明或不平整物體。在 55 mm 高的均勻光陣列中，傳感器可檢測物體的前緣。這意味著，即使是穿孔物體，也能可靠地檢測到，而且無需進行復(fù)雜的切換操作（圖 4）。
圖 2：光電傳感器陣列可在 55 mm 高的區(qū)域內(nèi)檢測小至 3 mm 的物體。（圖片來源：SICK） 激光距離傳感器 以下應(yīng)用的設(shè)計人員可選擇使用 DT50 激光距離傳感器：儲存容器中的液位監(jiān)測、傳送帶上物體的位置檢測、自動叉車系統(tǒng)中軸的 XY 位置、倉庫和懸掛輸送機中起重機的垂直定位，以及線圈繞制過程中的直徑監(jiān)測。這些傳感器采用反射激光，不受環(huán)境光線影響，而且工作精確可靠，支持長達數(shù)米的飛行時間 (ToF) 距離測量。 例如，DT50-2B215252 的測量范圍為 200 mm 至 30,000 mm，并且具有多項特性，其中包括： · 外殼堅固，防護等級為 IP65 和 IP67 · 每秒可提供多達 3,000 次距離測量 · 極短的響應(yīng)時間：0.83 ms · 外殼緊湊，支持從工業(yè)機器人到測量儲存容器填充高度等一系列應(yīng)用 利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行高分辨率測量 高清距離測量+ (HDDM+) 是一種高分辨率 ToF 測量技術(shù)，可用于激光距離傳感器、光檢測傳感器和測距 (LiDAR) 傳感器。與單脈沖或相位相關(guān)感應(yīng)技術(shù)相比，HDDM+ 是一種統(tǒng)計測量方法。 傳感器軟件會對多個激光脈沖的回波進行統(tǒng)計評估，以過濾掉來自玻璃、霧、雨、灰塵、雪、樹葉、柵欄和其他物體的干擾，從而計算出與預(yù)定目標的距離。即使在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件下，產(chǎn)生的距離測量結(jié)果也具有很高的確定性（圖 5）。
圖 3：SICK 的 HDDM+ 軟件使用統(tǒng)計評估過程來消除來自玻璃板、霧、雨、灰塵、雪、樹葉和柵欄等的“噪聲”。（圖片來源：SICK） HDDM+ 技術(shù)的典型應(yīng)用包括電子產(chǎn)品生產(chǎn)中用于質(zhì)量控制的距離測量、機械和設(shè)備工程中的 LiDAR 多維物體檢測和位置確定，以及工業(yè)起重機或車輛的位置確定。 HDDM+ 傳感器在回射帶上的感應(yīng)范圍可達 1.5 km。例如，型號 DT1000-S11101 的測量范圍可達 460 m，對自然物體的典型測量精度為 ±15 mm，分辨率可調(diào)范圍為 0.001 mm 至 100 mm。 · 電感式 電感式接近傳感器（如 SICK 的 IME 系列）可檢測含鐵和非鐵金屬物體。這些傳感器由電感器-電容器 (LC) 諧振電路組成，該電路可產(chǎn)生高頻交變電磁場。當金屬物體進入檢測范圍時，該磁場會受到抑制。這種抑制會被信號評估電路檢測到，然后放大器會產(chǎn)生輸出信號（圖 4）。
圖 4：基礎(chǔ)電感式接近傳感器由產(chǎn)生交變磁場的 LC 電路、信號評估器以及放大器組成。（圖片來源：SICK） 多種接近傳感器技術(shù)的感應(yīng)距離有兩個重要技術(shù)參數(shù)，即標稱感應(yīng)距離 (Sn) 和可靠感應(yīng)距離 (Sa)。Sn 不考慮制造公差或工作溫度等外部影響。Sa 既考慮制造公差，又考慮工作條件的變化。Sa 通常約為 Sn 值的 81%。例如，型號為 IME08-02BPSZT0S 的電感式傳感器的 Sn 為 2 mm，Sa 為 1.62 mm。 · 電容式感應(yīng) 與電感式傳感器類似，電容式接近傳感器也使用振蕩器。在這種情況下，使用的是開放式電容器，傳感器中的有源電極會產(chǎn)生相對于地的靜電場。這些傳感器可檢測包括金屬和非金屬物體在內(nèi)的多種材料的存在。 當物體進入靜電場時，諧振電路中的振蕩幅度會根據(jù)材料的介電特性發(fā)生變化。信號評估器會檢測到這種變化，然后放大器會產(chǎn)生輸出信號（圖 5）。
圖 5：在電容式接近傳感器中，振蕩電路會產(chǎn)生靜電場，當待感應(yīng)的目標進入靜電場時，靜電場的特性會發(fā)生變化。（圖片來源：SICK） 與電感式接近傳感器類似，電容式接近傳感器也有幾個與感應(yīng)距離相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，其中包括 Sn、Sa 和折減系數(shù)。例如，型號 CM12-08EBP-KC1 的 Sn 為 8 mm，標稱 Sa 為 5.76 mm。 待感測的物體必須至少與傳感器表面一樣大，而且感應(yīng)距離隨材料的折減系數(shù)而變化。折減系數(shù)與材料的介電常數(shù)有關(guān)，例如，金屬和水為 1，聚氯乙烯 (PVC) 為 0.4，玻璃為 0.6，陶瓷為 0.5。 · 磁性 磁性接近傳感器會對磁體的存在做出響應(yīng)。SICK 的磁性接近傳感器采用了兩種檢測技術(shù)： · 巨磁阻 (GMR)，這種傳感器基于電阻器，其電阻值會在存在磁場時發(fā)生變化。惠斯通電橋用于檢測電阻變化并產(chǎn)生輸出信號。MZT7 氣缸傳感器（如設(shè)計用于 T 型槽氣缸的 MZT7-03VPS-KP0）采用 GMR 技術(shù)檢測氣動驅(qū)動裝置和類似應(yīng)用中的活塞定位。 · LC 技術(shù)采用諧振幅度很小的諧振電路。如果外部磁場接近，諧振幅度會增大。這種增大會被信號評估器檢測到，然后放大器會產(chǎn)生輸出信號（圖 6）。MM08-60APO-ZUA 的 Sn 為 60 mm，Sa 為 48.6 mm。
圖 6：在磁性接近傳感器中，磁場探頭可采用 GMR 或 LC 技術(shù)。（圖片來源：SICK） 超聲波傳感器 對于 8 m 以內(nèi)的物體，設(shè)計人員可選擇使用超聲波傳感器，如 SICK 的 UM30 系列。這些傳感器集成了溫度補償功能，可提高測量精度，并提供不受顏色影響的物體檢測功能、防塵性以及高達 +70°C 的工作溫度。它們根據(jù)飛行時間技術(shù)測量距離，距離等于聲速乘以總聲波飛行時間 (t2)，再除以 2（圖 6）。
圖 7：超聲波傳感器可根據(jù)聲波的總飛行時間 (t2) 來測量距離。（圖片來源：SICK） 型號為 UM30-212111 的超聲波傳感器適用于空箱監(jiān)測等應(yīng)用。內(nèi)部溫度監(jiān)測器的測量精度為 ±1%。即使在有污垢和灰塵的情況下，這些不受顏色影響的傳感器也能檢測到難以分辨的物體。 結(jié)語 好消息是，有多種接近傳感器和距離傳感器技術(shù)可供選擇。這意味著各種應(yīng)用需求都有相應(yīng)的解決方案。我們面臨的挑戰(zhàn)是在眾多選擇中進行篩選，找到在實際應(yīng)用和工作條件下檢測特定材料的最佳解決方案。 |
