非接觸式距離傳感器的原理與應(yīng)用綜述

顏鸝嫻

摘 要：測(cè)量距離的需求早已充斥著人類社會(huì)的諸多方面。然而，以使用尺子測(cè)量為主的傳統(tǒng)方法因?yàn)榱砍绦　⑿实偷炔蛔?，無(wú)法達(dá)到高新技術(shù)領(lǐng)域的要求。隨著距離傳感器的問(wèn)世，人們測(cè)距的能力也有所提高。而其中的非接觸式傳感器在提高量程、測(cè)距效率、使用壽命、測(cè)量精度上尤為突出，為我們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的效益。本文介紹了光電式、超聲式、霍爾式、電感式磁傳感器這幾種非接觸式傳感器的測(cè)距原理，并列舉了近年來(lái)非接觸式距離傳感器的一些實(shí)際應(yīng)用。對(duì)這些應(yīng)用的分析表明，光電式和超聲式傳感器憑借其優(yōu)越的靈活性、適應(yīng)性等受到廣泛使用，而霍爾器件和電感式磁傳感器則因量程小，抗干擾差等問(wèn)題較難以被應(yīng)用在測(cè)距領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：傳感器；距離；非接觸；原理與應(yīng)用；光電式；超聲

中圖分類號(hào)：TP212.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）23-0050-03

縱觀歷史，人類測(cè)量距離和長(zhǎng)度的需求體現(xiàn)在生活的方方面面。早在遠(yuǎn)古時(shí)期，埃及人就已發(fā)明了使用繩子來(lái)丈量土地的方法。而在我國(guó)春秋時(shí)期，魯班創(chuàng)造了帶有刻度的長(zhǎng)度測(cè)量工具，名為“矩”，使用尺子丈量距離的方法由此誕生。隨后，為滿足不同的距離測(cè)量需要，人類又發(fā)明了諸如卷尺、卡尺等工具。然而隨著時(shí)代的發(fā)展，如地理繪圖、集裝箱定位、機(jī)器人避障、建筑測(cè)繪、水位監(jiān)控等諸多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嚯x測(cè)量提出了全新的需求。使用尺子測(cè)距的傳統(tǒng)方法由于存在量程小、效率低下、工具易磨損等缺陷，已無(wú)法勝任此類應(yīng)用。

隨著電子技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，基于傳感器的距離測(cè)量方法應(yīng)運(yùn)而生。傳感器是一類檢測(cè)器件或裝置的統(tǒng)稱，用于感知待測(cè)的物理量并將其按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)進(jìn)行輸出。用來(lái)測(cè)量距離的傳感器可以分為接觸式和非接觸式兩大類。其中，接觸式距離傳感器相比傳統(tǒng)測(cè)距方法而言，效率有較大提升，但同樣存在量程較小的問(wèn)題。例如，一種安裝在機(jī)器人上的觸須式傳感器，由微動(dòng)開關(guān)和探針等構(gòu)成，它能根據(jù)探針長(zhǎng)度來(lái)感知垂直于開關(guān)方向的距離[1]。再者，如線性可變差動(dòng)傳感器（LVDT），雖然精度高，在微小物件的厚度測(cè)量上有優(yōu)勢(shì)，但同樣不能測(cè)量長(zhǎng)距離[2]。除此之外，由于存在零殘電壓，LVDT在零點(diǎn)附近測(cè)量的時(shí)候就會(huì)遇到靈敏度銳減，分辨力變差，測(cè)量誤差增大的問(wèn)題[3]。而非接觸式距離傳感器相比接觸式距離傳感器則有靈活性強(qiáng)，量程范圍大，使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)非接觸式距離傳感器的抗干擾性能迅速提高，使得它們能夠更為勝任惡劣環(huán)境下的工作任務(wù)。

非接觸式距離傳感器按其工作原理主要可分為光電式、超聲式、霍爾式、電感式等類別。本文分別介紹了這幾種非接觸式距離傳感器的工作原理，并對(duì)它們的性能與適用的場(chǎng)景進(jìn)行了比較。在下文中，第一部分逐一介紹了不同工作原理的非接觸式距離傳感器將待測(cè)距離轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的原理；第二部分列舉了非接觸式距離傳感幾種典型應(yīng)用，并基于這些應(yīng)用對(duì)比討論了各種傳感器的特點(diǎn)；第三部分給出了關(guān)于非接觸式傳感器的總結(jié)與展望。

1 非接觸式距離傳感器原理

1.1 光電傳感器

光電傳感器一般由發(fā)光元件、接收元件、光學(xué)元件和檢測(cè)電路組成，其中，發(fā)光元件可以是發(fā)光二極管、激光二極管和紅外發(fā)射二極管。利用光的反射性，當(dāng)發(fā)光元件向被測(cè)物體發(fā)射光后，接收元件檢測(cè)到物體所反射的光并將光量變化、接收位置、反光時(shí)間等信息以電學(xué)量輸出。當(dāng)然，也可以是發(fā)光元件持續(xù)向接收元件發(fā)光，光被物件遮擋引起光量、接收時(shí)間等變化，接收元件反饋的電學(xué)量信息也就發(fā)生改變。

光電傳感器測(cè)量距離有兩種方式，分別是三角式測(cè)量和時(shí)間式測(cè)量。三角式測(cè)量：因?yàn)樵诮邮赵那胺窖b有一個(gè)受光鏡頭，所以發(fā)光元件發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡后會(huì)在接收元件上成像。這一成像的形態(tài)會(huì)隨著物體與發(fā)光元件的距離變化而變化，導(dǎo)致接收元件輸出的參量也發(fā)生變化，見(jiàn)圖1。時(shí)間式測(cè)量：通過(guò)獲取光的渡越時(shí)間，在有已知量光速的基礎(chǔ)上加以計(jì)算得到距離見(jiàn)圖2。根據(jù)測(cè)量時(shí)間的方式又可再細(xì)分為脈沖式和相位式。

1.2 超聲式傳感器

超聲式傳感器的原理與光電式傳感器有相似之處，即以射線定向傳播的渡越時(shí)間來(lái)求距離。越是高頻率的聲波，繞射現(xiàn)象越小，方向性越好，所以超聲波（頻率高于20000赫茲的聲波）因其穿透能力強(qiáng)、方向性好等特性，可作為射線進(jìn)行定向傳播。

超聲能夠用于檢測(cè)幾乎所有可反射聲波的物質(zhì)，甚至是部分吸收聲波的物質(zhì)，例如泡沫橡膠。不過(guò)被測(cè)物是吸收聲波的物質(zhì)時(shí)，超聲傳感器的檢測(cè)范圍會(huì)大幅縮小。此外，超聲的檢測(cè)對(duì)象的物態(tài)可以是固態(tài)也可以是氣態(tài)，因?yàn)楸粶y(cè)物形狀不會(huì)影響超聲的檢測(cè)結(jié)果。但是被測(cè)對(duì)象上返回的超聲波數(shù)量能夠決定超聲傳感器的最大檢測(cè)距離，而被測(cè)對(duì)象的尺寸、表面結(jié)構(gòu)以及超聲波波束角度則決定了返還聲波數(shù)。

測(cè)量距離時(shí)，只有上一個(gè)超聲波反射脈沖被接受到并延遲一段時(shí)間后，下一個(gè)超聲波脈沖才會(huì)發(fā)出。故而低頻率的超聲波用于測(cè)量遠(yuǎn)距離，而高頻率的用于測(cè)量短距離。如果距離過(guò)短，對(duì)于使用單換能器的超聲測(cè)距系統(tǒng)就會(huì)因?yàn)闊o(wú)法同時(shí)收發(fā)聲波而無(wú)法檢測(cè)。

1.3 霍爾器件

霍爾器件（或霍爾式傳感器）運(yùn)用到的是霍爾效應(yīng)，由美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)。當(dāng)載流子垂直外磁場(chǎng)方向通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，物件在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。這個(gè)現(xiàn)象即是霍爾效應(yīng)。薄片為一個(gè)N型半導(dǎo)體，在其左右端通一個(gè)控制電流I，此時(shí)半導(dǎo)體中的載流子（電子）會(huì)逆電流方向運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖3。但是，由于有外加磁場(chǎng)的存在，電子受到洛倫茲力FL，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，積累在后端。而前端感應(yīng)出正電荷，前后兩端形成電場(chǎng)。于是后續(xù)流入的載流子同時(shí)受到洛倫茲力和電場(chǎng)力。電場(chǎng)力小于洛倫茲力時(shí)，后端繼續(xù)積累電子。當(dāng)這兩個(gè)力大小相等達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，半導(dǎo)體前后兩端的電場(chǎng)就是霍爾電場(chǎng)EH，其電勢(shì)差即為霍爾電壓UH[4]。

由永久磁鐵和特定導(dǎo)體構(gòu)成的傳感器靠近（或遠(yuǎn)離）被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，特定導(dǎo)體的磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)變?nèi)酰ɑ蜃儚?qiáng)），從而引起特定導(dǎo)體前后兩端電勢(shì)差的變化。根據(jù)輸出的電量便可計(jì)算出距離。endprint

1.4 電感式磁傳感器

電感式傳感器的核心部件是線圈和永久磁體。它運(yùn)用了電磁感應(yīng)原理，即當(dāng)電磁感應(yīng)閉合電路中的部分導(dǎo)體切割磁感線時(shí)，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。當(dāng)它靠近鐵磁性材料時(shí)，永久磁鐵的磁力線發(fā)生變化，導(dǎo)致線圈中的電流改變。最后，它把感應(yīng)電流的變化變換成電壓輸出。但是，隨著距離增大，輸出信號(hào)就會(huì)明顯減弱。所以這種傳感器只能用作接近傳感器，適用于短距離，一般是零點(diǎn)幾毫米。

2 非接觸式距離傳感器應(yīng)用

2.1 尺度測(cè)量

非接觸式傳感器最明顯的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量那些不便于使用傳統(tǒng)測(cè)量方法或接觸式距離傳感器進(jìn)行測(cè)量的尺度，如野外環(huán)境（山體情況、峽谷深度、等）或是大型物件高度測(cè)量，如飛機(jī)，亦或是用于礦井深度、建筑高度等的測(cè)量。這類場(chǎng)景的距離尺度通常在數(shù)十米到數(shù)百米之間，多適合使光電式距離傳感器，例如采礦工作中需要精確測(cè)距，邱飛等人對(duì)應(yīng)用相位式激光測(cè)距傳感器于該場(chǎng)景中作了研究，并且其測(cè)試表明該測(cè)距量程可達(dá)100m，誤差在10mm內(nèi)，能夠滿足礦井測(cè)距需求[4]。

2.2 障礙物/目標(biāo)物檢測(cè)

機(jī)器人、飛行器、汽車等，都需要進(jìn)行障礙物探測(cè)，有時(shí)也會(huì)需要對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行探測(cè)。康瑞等人就發(fā)明了一種運(yùn)用了紅外線距離傳感器的電動(dòng)自行車道路安全預(yù)警裝置，為繁忙交通中穿行的自行車騎手增添了一份安全保障[5]。對(duì)于殘疾人士而言，義肢能夠有靈敏的“感官”無(wú)疑是極大地便利了他們的日常行動(dòng)。張燕等人就設(shè)計(jì)了一套基于激光距離傳感器的路況識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用到義肢上，能夠高精度地識(shí)別多種路況以輔助使用者行動(dòng)[6]。在種植業(yè)上，采摘果實(shí)的機(jī)器人則需要對(duì)果實(shí)進(jìn)行探測(cè)，劉兆祥等人研制了一種基于主動(dòng)三角測(cè)距原理的激光距離傳感器應(yīng)用于此類機(jī)器人上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蘋果的三維定位并且其測(cè)試表明這種傳感器在150～800mm近距離探測(cè)不受環(huán)境影響，最大距離偏差在13mm內(nèi)[7]。

2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控

許多情景是不斷變化的，為了根據(jù)其變化以作出最合適的調(diào)整就需要我們對(duì)它實(shí)時(shí)監(jiān)控。如果依靠傳統(tǒng)方式，就不免顯得費(fèi)時(shí)費(fèi)力了。但只要我們安裝相應(yīng)的非接觸式傳感器，并設(shè)計(jì)讓它將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸回來(lái)，我們的工作就會(huì)輕松很多。譬如，劉超就通過(guò)分析水稻生長(zhǎng)的環(huán)境需求，研究了基于紅外測(cè)距技術(shù)來(lái)測(cè)量水位的傳感器，并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)了稻田水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[8]。另外，楊習(xí)成等人研制了應(yīng)用激光距離傳感器的驗(yàn)潮儀，不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)潮水動(dòng)態(tài)，還克服了海岸鹽霧腐蝕的問(wèn)題[9]。

3 結(jié)語(yǔ)

幾種非接觸式距離傳感器各有優(yōu)劣，目前應(yīng)用最廣泛的是光電式中的紅外線和激光以及超聲式傳感器。而霍爾式和電感式磁傳感器檢測(cè)對(duì)象局限于導(dǎo)體材料并且因?yàn)榇旁碇荒軝z測(cè)微小距離，很少用在測(cè)距離上。光電式距離傳感器之所以大多采用紅外線作光源，是因?yàn)樗杀镜土?、易于制取。但是紅外線也有精度低、距離近的缺點(diǎn)。激光測(cè)距的優(yōu)勢(shì)則在于更為精準(zhǔn)，但它制作難度較大、成本較高、要求其測(cè)距系統(tǒng)保持干凈以免影響測(cè)量。此外，我們還應(yīng)注意到激光會(huì)對(duì)人體造成傷害。超聲波距離傳感器比較耐污，即是傳感器上有塵土，只要沒(méi)有堵死，就依舊可以工作。這也是倒車?yán)走_(dá)多采用超聲波的原因之一。不過(guò)采用超聲波距離傳感器的成本還是比較高的，而且其精度較低?；魻柶骷碗姼惺酱艂鞲衅飨啾惹皫追N，則有可測(cè)距離近的缺點(diǎn)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，激光的成本在不斷降低，而超聲傳感器的精度將會(huì)進(jìn)一步提高。采用激光的光電式距離傳感器和超聲式傳感器將被更為廣泛地應(yīng)用到需要測(cè)距的領(lǐng)域。而霍爾器件和電感式磁傳感器則幾乎是在彌補(bǔ)光電式和超聲式存在短距離盲區(qū)的不足，甚至很有可能在測(cè)距領(lǐng)域上被淘汰。

參考文獻(xiàn)

[1]王曉東.機(jī)器人測(cè)距傳感器原理與應(yīng)用綜述[J].傳感器世界，1996，（2）：18-26.

[2]Cleav，何瑜.測(cè)量距離和位移的各種傳感器[J].現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理，1990，（3）：20-21.

[3]沈申生.差動(dòng)變壓器式位移傳感器檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（3）：41-43.

[4]張志勇，王雪文，翟春雪，贠江妮.現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用[M].北京電子工業(yè)出版社，2014.

[5]邱飛，丁業(yè)平，饒家龍.礦用相位式激光測(cè)距傳感器的應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2016，（01）：31-32+35.

[6]康瑞，周興，王灝，等.一種電動(dòng)自行車道路安全預(yù)警裝置：，CN204641963U[P].2015.

[7]張燕，許京，陳玲玲，等.基于激光距離傳感器的路況識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].激光與紅外，2016，46（3）：265-270.

[8]劉兆祥，劉剛，喬軍.應(yīng)用于蘋果采摘機(jī)器人的激光距離傳感器[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，31（4）：373-377.

[9]劉超.基于紅外測(cè)距技術(shù)的稻田水位傳感器研究[D].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2016.

[10]楊習(xí)成，張永和，劉軍.基于激光測(cè)距傳感技術(shù)的驗(yàn)潮儀的研制[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016，（09）：56-57.endprint