如何选择合适的接近和距离传感器技术

这些传感器采用多种技术，包括光电、激光、电感、电容、磁性和超声波。在确定特定应用的最佳选择时，需要考虑范围、尺寸、精度、灵敏度、分辨率和成本等因素。

在许多应用中，一个关键因素是要检测的物体的材料。有些传感器在硬表面和纤维表面上的表现不同，而其他传感器则可能受到物体颜色或反射率的影响。

本文回顾了常见的非接触式接近传感器技术，介绍了它们的工作原理、基本性能特征和SICK的典型传感器，以及一些预期应用。

光电传感器

光电传感器（例如SICK 的W10 光电接近传感器）使用和安装简单，具有适合多种应用的一系列功能。W10 传感器的坚固设计使其适合在具有挑战性的环境中精确检测物体。集成的触摸屏可加快参数设置和传感器部署速度（图 1）。

图 1：这些光电传感器上的触摸屏可以加快调试和部署速度。（图片来源：SICK）

可用的示教功能使设计人员能够根据特定的应用要求调整这些传感器。此外，速度设置、标准和精确测量模式以及前景和背景抑制等集成功能意味着单个传感器可用于一系列应用。该传感器系列包括四种变体，它们在操作距离和安装选项方面有所不同。

背景抑制

带背景抑制 (BGS) 的光电接近传感器在发送元件和接收元件之间使用三角测量。来自设定感应范围后面的物体的信号被抑制。此外，SICK 的 BGS 技术可忽略背景中反射率较高的物体，并可应对复杂的环境照明条件。

当目标物体和背景（如传送带）具有相似的反射率，或者背景反射率可变且可能对检测造成干扰时，背景抑制特别有用。

前景抑制

具有前景抑制 (FGS) 的光电接近传感器可以检测规定距离内的物体。传感器和感应距离（设置为背景）之间的所有物体都会被检测到。为了确保可靠的感应，背景需要相对明亮，并且高度不应有变化。

当物体位于白色或浅色传送带等反射表面上时，前景抑制可以改善检测。传感器不是检测物体反射的光，而是通过传送带反射光的消失来检测物体。

回归反射

在反射式传感器中，发射的光会照射到反射器上，然后传感器会评估反射光。使用偏振滤光片可以最大限度地减少误差。透明的拉伸膜和塑料包装会干扰这些传感器。降低传感器灵敏度可以帮助克服这些挑战。此外，用激光器代替标准红外光发射器可以实现更长的感应范围和更高的分辨率。

通过使用低于正常的开关滞后，可以提高反射式传感器的性能。在这些设计中，即使是传感器和反射器之间最小的光衰减（例如由玻璃瓶引起的光衰减），也可以可靠地检测到。SICK 还提供了一种名为 AutoAdapt 的监控系统，该系统可以持续调节和调整开关阈值，以应对可能导致传感系统故障的污染物逐渐累积。

对射光束

与反射式传感器相比，对射式传感器使用两个有源设备：一个发送器和一个接收器。对射式传感可实现更长的传感范围。用激光二极管代替红外发射器可进一步增加传感距离，同时保持高分辨率和精确传感。

光纤

光纤传感器是光束穿透设计的变体。在光纤光电传感器中，发送器和接收器被封装在一个外壳中。发送器和接收器使用单独的光纤电缆。这些传感器特别适合在高温应用以及危险和恶劣环境中使用。

光电传感器阵列

RAY26 Reflex Array 系列光电传感器（例如型号1221950）能够可靠地检测扁平物体并快速调试。与反射器结合使用时，光电传感器还可以检测小至 3 毫米的扁平、透明或不平整物体。在 55 毫米高的均匀光阵列内，传感器可检测物体的前缘。这意味着即使是穿孔物体也可以可靠地检测到，而无需复杂的切换（图 4）。

图 2：光电传感器阵列可以在 55 毫米高的场内检测到小至 3 毫米的物体。（图片来源：SICK）

激光距离传感器

DT50 激光距离传感器适用于存储容器中的液位监控、传送带上物体的位置检测、自动叉车系统中轴的 XY 位置、仓库和高架传送带中起重机的垂直定位以及线圈缠绕过程中的直径监控等应用的设计人员。这些传感器支持使用反射激光进行长达数米的飞行时间 (ToF) 距离测量，以提供对环境光的免疫力以及精确可靠的操作。

例如，DT50-2B215252的范围为 200 至 30,000 毫米，并具有多项特殊功能，包括：

• 外壳坚固，防护等级为 IP65 和 IP67
• 每秒可提供多达 3,000 次距离测量
• 最小响应时间为 0.83 毫秒
• 紧凑的外壳支持从工业机器人到测量储存容器填充高度的一系列应用

使用统计数据进行高分辨率测量

高清距离测量增强版 (HDDM+) 是一种高分辨率 ToF 测量技术，可用于激光距离和光检测和测距 (LiDAR) 传感器。与单脉冲或相位相关传感技术相比，HDDM+ 是一种统计测量过程。

传感器软件对多个激光脉冲的回波进行统计评估，以滤除玻璃、雾、雨、灰尘、雪、树叶、栅栏和其他物体等干扰源，从而计算出与目标之间的距离。即使在具有挑战性的环境条件下，最终的距离测量结果也能具有很高的确定性（图 5）。

图 3：SICK 的 HDDM+ 软件使用统计评估流程来消除玻璃板、雾、雨、灰尘、雪、树叶和栅栏等物体带来的“噪音”。 （图片来源：SICK）

HDDM+ 技术的典型应用包括电子生产质量控制的距离测量、机械和工厂工程中的 LiDAR 多维物体检测和位置确定以及确定工业起重机或车辆的位置。

HDDM+ 传感器在反射带上的感应范围可达 1.5 公里。例如，型号DT1000-S11101的感应范围可达 460 米，对自然物体的典型测量精度为 ±15 毫米，可调分辨率为 0.001 至 100 毫米。

电感

电感式接近传感器（例如SICK 的IME 系列）可以检测铁质和非铁质金属物体。这些传感器由电感电容 (LC) 谐振电路组成，可产生高频交变电磁场。当金属物体进入检测范围时，电磁场会减弱。信号评估电路和产生输出信号的放大器可检测出这种减弱（图 4）。

图 4：基本电感式接近传感器由产生交变场的 LC 电路、信号评估器和放大器组成。（图片来源：SICK）

几种接近传感器技术的感应距离的两个重要规格是标称感应距离 (Sn) 和安全感应距离 (Sa)。Sn 不考虑制造公差或工作温度等外部影响。Sa 考虑了制造公差和工作条件的变化。Sa 通常约为 Sn 值的 81%。例如，对于型号为IME08-02BPSZT0S 的电感式传感器，Sn 为 2 毫米，Sa 为 1.62 毫米。

电容式感应

与电感式传感器一样，电容式接近传感器也使用振荡器。在这种情况下，使用开路电容器，传感器中的有源电极产生相对于地面的静电场。这些传感器可以检测各种材料的存在，包括金属和非金属物体。

当物体进入静电场时，谐振电路中的振荡幅度会根据材料的介电特性而变化。信号评估器检测到变化，然后放大器产生输出信号（图 5）。

图 5：在电容式接近传感器中，振荡电路会产生静电场，当要感测的目标进入静电场时，静电场的特性会发生变化。（图片来源：SICK）

与电感式接近传感器一样，电容式接近传感器的感应距离也有几个规格，包括 Sn、Sa 和折减系数。例如，型号CM12-08EBP-KC1的 Sn 为 8 毫米，标称 Sa 为 5.76 毫米。

被感应的物体必须至少与传感器表面一样大，感应距离随材料的衰减系数而变化。衰减系数与材料的介电常数有关，金属和水的衰减系数为 1，聚氯乙烯 (PVC) 的衰减系数为 0.4，玻璃的衰减系数为 0.6，陶瓷的衰减系数为 0.5。

磁的

磁性接近传感器对磁铁的存在作出反应。SICK 的磁性接近传感器采用两种检测技术：

• 巨磁电阻 (GMR) 传感器基于电阻器，电阻器在磁场存在时会改变其值。惠斯通电桥用于检测电阻变化并产生输出信号。MZT7气缸传感器（如专为 T 型槽气缸设计的MZT7-03VPS-KP0）使用 GMR 技术来检测气动驱动器和类似应用中的活塞位置。
• LC 技术使用谐振电路，该电路以较小的振幅产生谐振。如果外部磁场接近，谐振振幅会增加。信号评估器检测到这种增加，放大器产生输出信号（图 6）。MM08-60APO -ZUA的 Sn 为 60 毫米，Sa 为 48.6 毫米。

图 6：在磁接近传感器中，场探头可以使用 GMR 或 LC 技术。（图片来源：SICK）

超声波传感器

对于距离最远 8 米的物体，设计人员可以使用超声波传感器，例如SICK 的UM30 系列。这些传感器集成了温度补偿功能，可提高测量精度，并提供与颜色无关的物体检测、防尘功能，工作温度最高可达 +70°C。它们基于飞行时间技术测量距离，其中距离等于声速乘以总声学飞行时间 (t 2 )，再将总和除以 2（图 6）。

图 7：超声波传感器可以根据声波的总飞行时间 (t 2 ) 测量距离。（图片来源：SICK）

型号为UM30-212111的超声波传感器适用于空箱监控等应用。内部温度监控器可实现 ±1% 的测量精度。这些不受颜色影响的传感器即使在有污垢和灰尘的情况下也能检测到难以区分的物体。

结论

好消息是，有各种各样的接近和距离传感器技术可供选择。这意味着每种应用需求都有解决方案。挑战在于从众多选择中筛选出在实际应用和操作条件下检测特定材料的最佳解决方案。