作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

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、農業機械、制造和裝配作業，以及食品、飲料和藥品包裝等工業流程方面非常重要。

這些傳感器采用光電、激光、感應、電容、磁性和超聲波等多種技術。在確定特定應用的最佳選擇時，需要考慮范圍、尺寸、精度、靈敏度、分辨率以及成本等因素。

許多應用的一個關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，并介紹這些技術的工作原理、基本性能特點和 [SICK] 的示例傳感器，以及一些預期應用。

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用的一系列特性。W10 傳感器采用堅固的設計，因此適合在具有挑戰性的環境中精確檢測物體。集成式觸摸屏可加快參數設置和傳感器部署速度（圖 1）。

借助提供的教程，設計人員能夠根據特定應用要求調整這些傳感器。此外，集成速度設置、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送元件與接收元件之間采用三角測量法。所設定感應范圍后方的物體的信號會被抑制。此外，SICK 的 BGS 技術還能忽略背景中的高反射物體，并能應對復雜的環境照明條件。

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定距離內的物體。傳感器與感應距離（設置為背景）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。此外，用激光器取代標準紅外光發射器可獲得更大的感應范圍和更高的分辨率。

采用低于正常值的開關滯后可提高回射式傳感器的性能。在這些設計中，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 的監控系統，該系統可持續調節和調整開關閾值，以應對可能導致感應系統失靈的污染物逐漸積聚現象。

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：發送器和接收器。對射式感應可實現更遠的感應范圍。用激光二極管取代紅外發射器可進一步擴大感應距離，同時還能保持高分辨率和精確感應。

光纖

光纖傳感器是對射式設計的一種變體。在光纖光電傳感器中，發送器和接收器共同封裝在一個外殼內。發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用以及危險和惡劣的環境。

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，而且還能實現快速調試。與反射器結合使用時，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，而且無需進行復雜的切換操作（圖 4）。

圖 2：光電傳感器陣列可在 55 mm 高的區域內檢測小至 3 mm 的物體。（圖片來源：SICK）

激光距離傳感器

以下應用的設計人員可選擇使用 [DT50 激光距離傳感器] ：儲存容器中的液位監測、傳送帶上物體的位置檢測、自動叉車系統中軸的 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測。這些傳感器采用反射激光，不受環境光線影響，而且工作精確可靠，支持長達數米的飛行時間 (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
• 極短的響應時間：0.83 ms
• 外殼緊湊，支持從工業機器人到測量儲存容器填充高度等一系列應用

利用統計數據進行高分辨率測量

高清距離測量+ (HDDM+) 是一種高分辨率 ToF 測量技術，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感應技術相比，HDDM+ 是一種統計測量方法。

傳感器軟件會對多個激光脈沖的回波進行統計評估，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，從而計算出與預定目標的距離。即使在具有挑戰性的環境條件下，產生的距離測量結果也具有很高的確定性（圖 5）。

圖 3：SICK 的 HDDM+ 軟件使用統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+ 技術的典型應用包括電子產品生產中用于質量控制的距離測量、機械和設備工程中的 LiDAR 多維物體檢測和位置確定，以及工業起重機或車輛的位置確定。

HDDM+ 傳感器在回射帶上的感應范圍可達 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，然后放大器會產生輸出信號（圖 4）。

圖 4：基礎電感式接近傳感器由產生交變磁場的 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的感應距離有兩個重要技術參數，即標稱感應距離 (Sn) 和可靠感應距離 (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

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材料的介電特性發生變化。信號評估器會檢測到這種變化，然后放大器會產生輸出信號（圖 5）。

圖 5：在電容式接近傳感器中，振蕩電路會產生靜電場，當待感應的目標進入靜電場時，靜電場的特性會發生變化。（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距離相關的技術參數，其中包括 Sn、Sa 和折減系數。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，而且感應距離隨材料的折減系數而變化。折減系數與材料的介電常數有關，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。SICK 的磁性接近傳感器采用了兩種檢測技術：

• 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生變化。惠斯通電橋用于檢測電阻變化并產生輸出信號。[MZT7 氣缸傳感器] （如設計用于 T 型槽氣缸的 [MZT7-03VPS-KP0）] 采用 GMR 技術檢測氣動驅動裝置和類似應用中的活塞定位。
• LC 技術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。（圖片來源：SICK）

超聲波傳感器

對于 8 m 以內的物體，設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。它們根據飛行時間技術測量距離，距離等于聲速乘以總聲波飛行時間 (t 2 )，再除以 2（圖 6）。

圖 7：超聲波傳感器可根據聲波的總飛行時間 (t 2 ) 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測等應用。內部溫度監測器的測量精度為 ±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。

結語

好消息是，有多種接近傳感器和距離傳感器技術可供選擇。這意味著各種應用需求都有相應的解決方案。我們面臨的挑戰是在眾多選擇中進行篩選，找到在實際應用和工作條件下檢測特定材料的最佳解決方案。

審核編輯 黃宇