作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-11-12

在物流、制造、采礦、運輸、農(nóng)業(yè)和其他行業(yè)中，運動監(jiān)測和位置傳感器可用于避免碰撞、確保安全并提高生產(chǎn)率。這些傳感器可安裝在車輛上，也可以放置于關(guān)鍵固定位置。

傳感器必須能夠根據(jù)特定的應用需求進行配置，并具有多功能感測能力，包括基于距離、角度位置和速度的物體檢測。在繁忙或復雜的環(huán)境中，需要有同時探測多個目標的能力。

對于像裝卸月臺和叉車速度控制這類應用，采用不受污垢、灰塵、風、降水和其他環(huán)境條件影響的技術(shù)會很有利。定制像檢測窗形狀和目標設(shè)定點這樣的參數(shù)可進一步提高性能。

本文首先探討工作頻率對幾個關(guān)鍵雷達技術(shù)指標的重要性，然后比較調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 和脈沖相干雷達 (PCR) 等現(xiàn)有雷達技術(shù)、探測方案、波束圖和感應區(qū)。接下來，介紹一款軟件套件，可用于加速開發(fā)使用雷達傳感器的系統(tǒng)。

最后，以應用實例說明 [Banner Engineering] [Q90R 系列] 雷達傳感器如何利用所有這些因素提供多功能感測能力，在苛刻的環(huán)境中進行可靠的檢測，包括檢測裝卸月臺是否有卡車，及控制叉車速度以提高安全性。

無線電探測與測距（雷達）是一種主動傳感器技術(shù)，會發(fā)射高頻射頻能量。發(fā)出的能量會被路徑上的物體反射，反射能量的特征可用來探測物體、確定其距離，有時還能測量物體靠近或遠離傳感器的速度。

工作頻率是決定雷達傳感器性能的基本特征。工業(yè)雷達傳感器的工作頻率為 24 GHz、60 Ghz 和 122 GHz，屬于工業(yè)、科學和醫(yī)療 (ISM) 頻段，無需特殊許可證即可使用。

雷達傳感器的工作頻率對多項技術(shù)指標有重大影響，包括：

• 探測距離 - 24 Ghz 等低頻雷達傳感器的探測距離最遠。
• 精度 - 122 GHz 等高頻雷達傳感器具有更高的精度，可以探測到更小的物體。
• 盲區(qū) - 雷達傳感器的盲區(qū)或阻擋距離是由于目標太近造成的。一般而言，通常傳感器的頻率越高，盲區(qū)越小。
• 耐候性 - 感測功能耐受風、霧、蒸汽和溫度變化的能力。雷達一般不受雨雪干擾。24 GHz 雷達具有最佳的抗雨雪干擾能力。
• 目標材料 - 雖然 24 GHz 雷達的抗天氣干擾能力最好，但其感測各種材料的能力卻最為有限。60 GHz 或 122 GHz 雷達傳感器可探測高介電和低介電材料（圖 1）。

圖 1：雷達傳感器的工作頻率對其基于材料介電特性識別各種目標材料的能力有很大影響。（圖片來源：Banner Engineering）

頻率之外的技術(shù)指標

頻率是雷達傳感器的一個決定性特征。其他重要技術(shù)指標還包括雷達技術(shù)（如 FMCW 與 PCR）、探測方案（包括可調(diào)場與反射式傳感器）以及視場、窗形和目標設(shè)定點。

FMCW 發(fā)射連續(xù)信號，信號經(jīng)過調(diào)制，頻率在固定帶寬內(nèi)增減。通過測量反射信號的頻率，雷達可以知道信號從目標反射回來所需的時間。因此飛行時間 (ToF) 信息決定了目標距離。

FMCW 的一些優(yōu)勢包括：無需單獨的天線或脈沖就能同時測量距離和速度、優(yōu)異的測距分辨率、區(qū)分密集目標的能力，以及在挑戰(zhàn)性環(huán)境中更高的精度。

PCR 雷達發(fā)射一個脈沖，關(guān)閉發(fā)射器，等待接收目標的回波，然后重新打開發(fā)射器，發(fā)射新的脈沖，不斷繼續(xù)這一循環(huán)。與 FMCW 一樣，也采用一種 ToF 分析形式來確定目標的距離和速度。使用脈沖意味著 PCR 雷達的功耗比 FMCW 更低。PCR 通常是電池供電型系統(tǒng)的首選，非常適合低功耗短距離應用。

可調(diào)場傳感器與反射式傳感器的對比

可調(diào)場雷達通過感應反射的射頻波來探測物體，其非常適合探測雷達截面較大而能反射大量射頻能量的物體。金屬表面積較大的物體，尤其是垂直于雷達波束的表面，通常具有較大的雷達截面積。

可調(diào)場雷達傳感器可配置設(shè)定點距離。這種傳感器使用 ToF 計算來確定目標范圍，并只在設(shè)定距離內(nèi)出現(xiàn)目標時發(fā)出信號。

反射式雷達傳感器依賴于墻壁等反射參考目標，它通過識別來自參考目標的返回信號中的干擾信號來探測物體。這些雷達傳感器經(jīng)過優(yōu)化，能夠檢測雷達截面積較小的物體。

60 Ghz FMCW 雷達傳感器

Q90R 系列 FMCW 可調(diào)場雷達傳感器的工作頻率為 60 GHz，在精度、距離和材料探測能力方面性能均衡。此外，這些傳感器的防護等級為 IP69K，適合在苛刻的環(huán)境中使用（圖 2）。這些產(chǎn)品提供 120° x 40° 或 40° x 40° 的視場選擇。可以根據(jù)具體的應用要求修改探測距離、檢測最近或信號最強的物體等參數(shù)。

圖 2：Q90R 系列 FMCW 可調(diào)場雷達傳感器的工作頻率為 60 GHz，采用堅固的 IP69K 級封裝。（圖片來源：DigiKey）

[Q90R2-12040-6KDQ] 具有高度可配置的 120° x 40° 視場，可分割成獨立的檢測區(qū)域，實現(xiàn)精確的位置感測（圖 3）。該傳感器具有多維感測能力，可支持基于距離、徑向位置和速度閾值進行更智能的物體檢測。與 Q90R 系列雷達傳感器的其他型號一樣，其探測距離為 0.15 至 20 米。此外，這款傳感器還提供靈活的連接選擇，包括 IO-Link 和 Banner 的 Pulse Pro 脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 技術(shù)。

圖 3：Q90R2 雷達傳感器具有 120° x 40° 的可配置寬視場（圖片來源：Banner Engineering）

軟件解鎖性能

Q90R 和 Q90R2 雷達傳感器的強大功能可以通過 Banner 的[測量傳感器軟件] 來實現(xiàn)，該軟件是一個圖形用戶界面 (GUI)，能夠讓設(shè)計人員配置和可視化來自傳感器的數(shù)據(jù)。

該軟件以圖形形式呈現(xiàn)傳感器看到的情況，這對雷達傳感器等沒有可見光束的傳感器非常有用。用戶可以修改傳感器參數(shù)，如響應速度、輸出配置和過濾選項。

Q90R2 的視場為 120° x 40°，具有很高的可配置性，可實現(xiàn)精確定位和控制。設(shè)計人員可以使用 Banner 軟件定制高級感測參數(shù)，例如每個應用的窗形和目標設(shè)定點。（圖 4）。

圖 4：Banner 的測量傳感器軟件能夠讓設(shè)計人員優(yōu)化視場（上圖）以及窗形和目標點（下圖）。（圖片來源：Banner Engineering）

裝卸月臺車輛檢測

自動、準確地檢測裝卸月臺的卡車對于提高生產(chǎn)率和安全性，以及滿足環(huán)保標準非常重要。傳統(tǒng)的門鈴或指示燈解決方案往往并不適用。裝卸月臺可能非常嘈雜，門鈴的聲音不一定能被聽到。此外，叉車上的頂燈、機器照明燈和閃光燈也很容易讓人忽略指示燈，即使是閃爍的指示燈。

自動傳感器解決方案是理想之選。然而，卡車有多種尺寸，由各種材料制成，顏色和表面處理也多種多樣。這些挑戰(zhàn)，再加上噪音、灰塵、雨雪等環(huán)境條件的不確定性，使得實現(xiàn)可靠的基于光電或超聲波傳感器的解決方案非常困難。

像 Q90R2 這樣的雷達傳感器通常是首選。這類傳感器不受周圍環(huán)境條件的影響，外殼具有 IP67/IP69K 防護等級，適用于暴雨和其他挑戰(zhàn)性環(huán)境條件，并具有 -40°C 至 +65°C 的寬工作溫度范圍。無論材料的顏色、質(zhì)地或反射率如何，它們都能可靠地檢測到卡車的存在。

Q90R2 具有獨立和可配置的傳感區(qū)域，以及 120° x 40° 的波束圖，一個傳感器可以完成兩個傳感器的工作，并能檢測到兩個相鄰月臺是否有卡車（圖 5）。

圖 5：Q90R2 雷達傳感器的 120° x 40° 波束圖意味著一個傳感器可以監(jiān)測兩個卡車月臺。（圖片來源：Banner Engineering）

叉車速度控制與安全

除了探測車輛，雷達傳感器還可以安裝在叉車等車輛上，以檢測周圍環(huán)境的變化，從而提高安全性。例如，Q90R2 雷達傳感器可安裝在叉車的背面或側(cè)面，并在不同距離配置多個區(qū)域。

Q90R2 具有 120° x 40° 的寬波束圖，特別適合監(jiān)測周圍可能移動的物體。此外，Q90R2 還可提供徑向距離、角度位置和目標速度反饋。當危險越來越近時，叉車駕駛員會收到報警，叉車速度會自動受到限制，或者叉車會被停止。

如果叉車在室內(nèi)和室外使用，則可在車頂安裝一個波束圖為 40° x 40° 的 Q90R 雷達傳感器，以檢測是否存在天花板。當叉車在室外且未檢測到天花板時，機器就可以最高限速行駛。當叉車在室內(nèi)移動且存在天花板時，最大速度可自動降低，以提高安全性并防止損壞（圖 6）。

圖 6：雷達傳感器可用于監(jiān)測叉車周圍是否有人員或物體，以及是否有天花板。（圖片來源：Banner Engineering）

根據(jù)系統(tǒng)需要，Q90R 有多種型號可供選擇，輸出配置各不相同，包括：

• [Q90R-4040-6KDQ] ，帶有兩個分立式 NPN/PNP、PFM 輸出和一個 IO-Link 輸出
• [Q90R-4040-6KIQ] ，帶有一個模擬電流（4 至 20 mA）輸出、一個 NPN/PNP 分立輸出和一個 IO-Link 輸出
• [Q90R-4040-6KUQ] ，帶有一個模擬電壓（0 至 10 V 或 0.5 至 4.5 V）輸出、一個 NPN/PNP 分立輸出和一個 IO-Link 輸出

結(jié)語

Q90R 系列雷達傳感器用途非常廣泛，其工作頻率為 60 GHz，能夠探測各種材料。這些 FMCW 雷達的探測距離最遠為 20 米，波束圖可配置，可支持多種應用。輸出選擇有多種選擇，可滿足不同的系統(tǒng)需求，并可安裝在叉車等車輛上或放置在月臺等關(guān)鍵固定位置。最后，設(shè)計人員還可以利用 Banner 的測量傳感器軟件來加快系統(tǒng)設(shè)計和部署。

審核編輯 黃宇