隨著消費(fèi)者和工業(yè)系統(tǒng)變得更智能，更具互動性和更自主，他們需要能夠感知對象，用戶或路人的存在。雖然基本存在感應(yīng)技術(shù)和技術(shù)已經(jīng)建立，但設(shè)計(jì)人員面臨著更加準(zhǔn)確，高效，經(jīng)濟(jì)高效且可靠地執(zhí)行存在感測的壓力。

要求此類改進(jìn)的典型應(yīng)用包括機(jī)械和制造，分別需要檢測齒輪齒或瓶子的地方。在機(jī)器人技術(shù)中，需要檢測附近物體或人的存在，以便機(jī)器人可以避開它們或停止移動，而在智能設(shè)備和信息亭中，系統(tǒng)需要能夠檢測并響應(yīng)用戶交互。

此功能將介紹一些主要的存在感應(yīng)技術(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)，以便在引入合適的設(shè)備以及如何使用它們之前考慮各種應(yīng)用。

存在感應(yīng)設(shè)計(jì)要求和技術(shù)

存在感應(yīng)系統(tǒng)的性能取決于真實(shí)的，特定應(yīng)用的問題，如室內(nèi)和室外設(shè)置;目標(biāo)對象大小，材料和一致性;局勢的限制和一致性;功率要求和可用功率;和包裝/放置要求，引用一些因素。

此外，許多存在感應(yīng)器處于物理環(huán)境中，在這些環(huán)境中，它們既暴露于惡劣的環(huán)境，也暴露于人為的非故意（甚至是故意的）濫用撞擊它們的物體（例如汽車放牧墻壁），物理安裝和堅(jiān)固性是需要考慮的問題。

設(shè)計(jì)師還需要考慮他們的傳感器技術(shù)組合。使用單個傳感器以100％的準(zhǔn)確度檢測到有人走過私人車道是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。如果布置過于敏感，可能會因動物或風(fēng)吹的葉子而發(fā)出誤報。另一方面，如果安排不夠靈敏，可能會錯過小孩的存在。

因此，選擇的方法和選擇的傳感器都需要仔細(xì)評估，甚至可能需要冗余，獨(dú)立，交替的傳感方法，在“未命中”和誤報方面具有更高的準(zhǔn)確度。

存在感應(yīng)的三種廣泛使用的方法使用光學(xué)，超聲波和電感接近原理。還有其他選擇，如雷達(dá)，但這有一些復(fù)雜的RF設(shè)計(jì)問題以及監(jiān)管和可能的許可問題。另一種選擇是基于視頻的方法，需要復(fù)雜的信號處理和算法開發(fā)，因此它通常不是許多存在感應(yīng)應(yīng)用所需的低成本可靠性和耐用性的最佳候選者。

另一個因素是理解的是傳感信號的波束寬度。根據(jù)技術(shù)，這可以是窄的，緊的梁或更寬，更寬的梁，并且應(yīng)用定義哪一個是優(yōu)選的。例如，需要一根窄梁來感知生產(chǎn)線輸送機(jī)軌道上的各個瓶子，而更廣泛的一個是檢測走向售貨亭的人的更好選擇。

選擇存在感應(yīng)解決方案時的眾多設(shè)計(jì)考慮因素包括：

傳感器到感應(yīng)物體的距離

光束寬度

干擾（傳感器與感應(yīng)物體之間的物理障礙）

整體感應(yīng)情況與被感知者或物體的一致性

對假陽性指示和假陰性指示的關(guān)注

環(huán)境設(shè)置（室內(nèi)，室外;白天和夜晚（室外環(huán)境）;化學(xué)品和油類，

物理濫用（故意或意外）

傳感器電子設(shè)備的位置選項(xiàng)傳感器傳感器

電源要求

長期可靠性

BOM成本和安裝成本

使用多個傳感器實(shí)現(xiàn)精度和可靠性

應(yīng)用程序安裝不僅限于使用單個傳感器甚至單一傳感技術(shù)。雖然成本較高，但安裝兩個或多個m并不罕見礦石傳感器，通常采用不同的技術(shù)來提供更可靠的存在指示。

使用多個傳感器的選項(xiàng)，無論是相同還是不同類型，都意味著設(shè)計(jì)人員必須解決有關(guān)系統(tǒng)優(yōu)先級的問題。如果主要關(guān)注的是確保沒有錯過真正的目標(biāo)，那么一種解決方案是并行使用傳感器（邏輯OR函數(shù)）來重疊覆蓋。這樣，來自任何一個傳感器的正指示都可以指示目標(biāo)的存在。

或者，更重要的是確保沒有檢測到對象的情況，即使實(shí)際上沒有檢測到對象（假陽性）？在這種情況下，多個傳感器可以串聯(lián)使用，以實(shí)現(xiàn)AND邏輯功能的“一致”投票方法。

OR和AND功能都可以通過硬連線輸出來實(shí)現(xiàn)兼容。然而，基于軟件的方法在組合不同類型的傳感器輸出時更靈活，并且可以使用不同的算法來過濾各個傳感器信號。軟件的使用還允許加權(quán)一系列順序傳感器讀數(shù)，甚至它們在AND和OR運(yùn)算中的組合，以最佳地最小化假陰性和陽性。它還可以靈活地修改基于邏輯的決策過程，并在需要時添加條件決策。

從光學(xué)傳感開始

使用聚焦光或激光束，通常在紅外（IR）光譜是確定存在的明顯方法。典型的傳感器包括發(fā)射器和接收器，它們可以在感興趣的區(qū)域上相對安裝，或者它們可以與遠(yuǎn)端的鏡子或后向反射器共同定位。使用共址簡化了安裝和布線，但也意味著光路長度加倍，這降低了接收信號功率并增加了信噪比（SNR）。

發(fā)出的光信號是通常是脈沖式的，以區(qū)別于干擾，以及附近的照明，反射，干擾和其他光學(xué)噪聲源。光束也是緊密聚焦的，因此其軸外光束寬度受到限制。

光學(xué)檢測可在戶外使用，但往往存在與陽光引起的過載有關(guān)的問題以及對寬動態(tài)范圍的需求因?yàn)樗仨毢w黑暗和日光情況。

總的來說，光學(xué)傳感器在受控和受限設(shè)置中是一種可靠的方法。它可以探測到幾毫米大小的目標(biāo)，并可以感知幾十米范圍內(nèi)的小物體。但是，灰塵，霧氣，蒸汽和附近的反射會阻止感應(yīng)或?qū)е洛e誤指示，而像臟鏡（如果使用的話）這樣簡單的東西會導(dǎo)致反射信號功率降至最低閾值以下。

與幾乎所有其他存在探測器相比，光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)在具有獨(dú)特的優(yōu)勢：通過使用光纖，它們的電子器件可以位于距發(fā)射器和接收器的光學(xué)窗口的暴露位置相當(dāng)遠(yuǎn)的位置。一對光纖用于將LED/激光傳送到發(fā)光部位，并將接收到的光傳送到接收器光電晶體管。只有相對粗糙的纖維暴露在惡劣的環(huán)境中才會暴露在極端溫度，油污，污垢和濫用的環(huán)境中。此外，還可以為光纖提供額外的保護(hù)，而不是電子設(shè)備。

使用光學(xué)傳感的一個很好的例子是Panasonic FX-500系列（圖1）。

圖1：松下FX-500光學(xué)傳感器的控制單元及其相對敏感的電子元件，可以放置在距離暴露端數(shù)米的位置更堅(jiān)固的發(fā)射器和接收器光纖。 （圖像來源：Panasonic工業(yè)設(shè)備公司）

該傳感器將所有電路放置在一個單元中，該單元還包括用于設(shè)置模式，輸出強(qiáng)度，閾值設(shè)置和測試功能的上部按鈕（圖2）。該裝置可以方便地位于距離使用點(diǎn)數(shù)十米的位置。

圖2：FX-500的便利控制單元還包含用戶操作的按鈕，用于設(shè)置，閾值設(shè)置和測試。 （圖像來源：Panasonic工業(yè)設(shè)備公司）

一對直徑僅為2毫米（mm）的光纖傳輸發(fā)射和接收的光信號。纖維帶有螺紋襯套，可輕松牢固地連接到面板或表面（圖3）。由于它們具有25毫米的緊密彎曲半徑，因此可以輕松地繞過或穿過電子設(shè)備之間的障礙物以及暴露的光纖末端的位置。

圖3：FX-500的傳感端由兩根薄的光纖組成，這些光纖安裝在堅(jiān)固的襯套中，以最大限度地減少物理暴露。左側(cè)細(xì)而水平的紅線是設(shè)備紅外光束的“可視化”。 （圖像來源：Panasonic工業(yè)設(shè)備公司）

基于超聲波的存在感應(yīng)

與光束一樣，超聲波能量的使用是另一種經(jīng)過時間考驗(yàn)的存在感應(yīng)技術(shù)。原理很簡單：壓電傳感器是脈沖的，然后它“監(jiān)聽”來自感興趣對象的回波。必須檢測的回波功率是發(fā)射輸出，距離和回聲物體的性質(zhì)的函數(shù)（例如，汽車與外套中的人）。

超聲波感應(yīng)具有實(shí)用范圍高達(dá)數(shù)米，光束寬度相對較寬。它最適合具有相對較大橫截面的較大目標(biāo)，這些目標(biāo)在受控的室內(nèi)應(yīng)用中運(yùn)行，因?yàn)槿魏物L(fēng)都會影響兩個方向上的信號路徑，從而影響性能的一致性。溫度的變化也會影響超聲波能量的傳播。

SICK AG的UM18-218超聲波傳感器代表了一種可用于良性和惡劣環(huán)境的裝置（圖4）。傳感器安裝在螺紋襯套（直徑18毫米）中，防護(hù)等級為IP67，因此可防塵，并能承受15厘米至1米（m）的水浸30分鐘。它采用10至20伏直流電源供電，功耗低于1.2瓦（W），工作頻率為200千赫（kHz），響應(yīng)時間為80毫秒。它的輸出是一個易于接口的集電極開路PNP晶體管，具有200毫安（mA）的負(fù)載能力。

圖4：SICK UM18-218 200 kHz超聲波換能器采用堅(jiān)固的襯套，符合IP67防塵和防水要求。 （圖像來源：SICK AG）

UM18-218的光束寬度顯示在其檢測范圍圖中（圖5）。對于設(shè)計(jì)人員，這定義了檢測寬度與距離（左軸，最大1.5米）的性能包絡(luò)，用于檢測（操作）和到達(dá)（最大）。

圖5：定義兩種基本目標(biāo)類型的SICK UM18-218檢測區(qū)域包絡(luò)與距離的圖表是評估的關(guān)鍵工具在最佳條件下，這種傳感器類型和型號的可行性。 （圖片來源：SICK AG）

請注意，這些范圍是目標(biāo)細(xì)節(jié)的函數(shù);在圖中，目標(biāo)是與梁成直角的500 mm方形板（具有大橫截面的有利目標(biāo)），以及直徑為27 mm的管（遠(yuǎn)遠(yuǎn)不太明顯的目標(biāo)）。

《 p》目標(biāo)類型不僅限制了距離，還限制了區(qū)域的形狀，因此每個目標(biāo)類型的運(yùn)行評估測試結(jié)果會有所不同。

電感式接近感應(yīng)：鐵質(zhì)物體的選項(xiàng)

第三種選擇是電感式接近傳感器，當(dāng)黑色金屬物體靠近傳感線圈時觸發(fā)。電感式接近傳感器特別適用于近距離檢測小型鐵質(zhì)物體，如齒輪齒，鍵盤按鈕和風(fēng)扇葉片;它還可以在更遠(yuǎn)的距離使用，以檢測更大的物體，如汽車。作為非接觸式磁性傳感器，它可靠且不受污垢，油，濕氣，光線或其他干擾污染物的影響，并且可以安裝在堅(jiān)固的非金屬外殼中。

在可用于感應(yīng)線圈的IC的可用性之前，這類傳感器的設(shè)計(jì)是復(fù)雜的并且需要許多分立元件。現(xiàn)在，德州儀器（TI）的LDC0851等IC（圖6）大大緩解了構(gòu)建具有一致性能的這種存在傳感器的挑戰(zhàn)。

圖6：Texas Instruments LDC0851電感式接近傳感器管理參考線圈和傳感線圈;當(dāng)鐵質(zhì)材料破壞傳感區(qū)時，傳感線圈的電感會發(fā)生變化，從而改變其相關(guān)L-C振蕩器的頻率。 （圖像來源：德州儀器公司）

該IC是一個電感“比較器”，它使用兩個用戶提供的線圈。一個線圈用作傳感線圈，另一個線圈用作參考線圈。在操作中，傳感技術(shù)利用了開放場線圈的實(shí)際電感將受到附近含鐵物體影響的事實(shí)。請注意，這不適用于沒有外部磁場的屏蔽線圈或環(huán)形線圈。如果線圈是LC諧振振蕩器的一部分，振蕩器的自由運(yùn)行頻率將是電感的函數(shù)。

在工作時，當(dāng)感應(yīng)電感低于電感時，LDC0851的輸出為低電平。參考電感（通過其標(biāo)稱200 kHz振蕩的變化測量）并在參考電感高于感應(yīng)電感時返回高電平。為了消除由于系統(tǒng)振動引起的輸出抖動，IC在參考線圈閾值附近包含用戶可調(diào)節(jié)的滯后。

感測和參考線圈對于成功實(shí)現(xiàn)此IC至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冇兄谠跍囟确秶鷥?nèi)保持一致的切換距離并補(bǔ)償其他環(huán)境因素。線圈可以是外部分立無源器件，也可以作為印刷電路板的一部分制造。后者降低了成本，但可能會增加印刷電路板的尺寸;對于許多低成本應(yīng)用，這是一個可接受的權(quán)衡。

理想情況下，兩個線圈應(yīng)該是相同的，但是相對于彼此的放置問題，方向和其他因素可能需要對一個或兩個線圈進(jìn)行微調(diào)以獲得最佳和一致的性能。在某些設(shè)計(jì)中，印刷電路板的尺寸限制要求將線圈放在彼此的頂部，而在其他情況下，它們并排放置。

為了獲得堆疊線圈的最佳感應(yīng)范圍，間距在多層印刷電路板上，傳感線圈和參考線圈之間應(yīng)盡可能大（圖7）。對于該IC，被感測的目標(biāo)應(yīng)位于距參考線圈直徑小于40％的距離處。

圖7： LDC0851的傳感線圈是可靠操作的關(guān)鍵，可以作為印刷電路板布局的一部分制造;它們可以并排放置，或者如圖所示以其轉(zhuǎn)彎方向堆疊。 （圖片來源：德州儀器公司）

請注意，電感式接近傳感器是磁力計(jì)的一種變體，磁力計(jì)是一種感應(yīng)地球磁場變化的無源設(shè)備。磁力計(jì)非常適合距離達(dá)數(shù)米的較大的鐵質(zhì)物體，例如車輛。然而，接近傳感器也可以用于更大的線圈尺寸和校準(zhǔn)。

結(jié)論

感知人或物體的存在 - 小或大，黑色或有色金屬 - 是許多系統(tǒng)中的常見要求。雖然光學(xué)，超聲波和電感方法已得到充分了解，但設(shè)計(jì)人員仍面臨著以更低成本和更高效率滿足更高精度和可靠性要求的壓力。

供應(yīng)商正在采取各種解決方案來幫助，但在制作之前他們的決定是，設(shè)計(jì)師需要考慮諸如操作環(huán)境，目標(biāo)的一致性，附近物體的干擾以及環(huán)境條件等問題。該決定可能包括使用相同甚至不同類型的多個傳感器以增加檢測精度，以及采用基于軟件的存在感應(yīng)方法。