距離センサーのガイド

周囲の物体とやり取りするプロジェクトに取り組む場合、通常、距離または範囲を検出するセンサーを選択する必要があります。たとえば、人間の存在検出、ロボティクス、または産業用途に距離センサーを使用することがあります。プロジェクトが展開されるアプリケーションと環境は、どのセンサーを検討するかを決定する上で重要な指針となる場合があります。なぜなら、一部の条件下では他のオプションよりも優れた性能を発揮するセンサーがあるからです。

センサータイプ

アプリケーションに応じて、通常、距離センサーには3つの主要なクラスから選択します：

• 光学
• 電磁
• 音響

光学センサー

光学センサーは通常、レーザーや他の光源が対象に到達するまでの時間を計測する飛行時間アプローチを使用して動作します。一部の光学センサーは、反射された光の量にのみ基づいて動作します。光学センサーは、直射日光の下ではなく、暗い環境で最もよく機能します。センサーが発する光を背景光に対して捉えるのが難しいためです。中でも、反射センサーは通常、白または明るい色の物体に最も適しており、感知される範囲は、それが向けられている物体の色によって大きく変わることがあります。

電磁センサー

誘導

電磁センサーには、さまざまな感知方法が使用されています。産業用途では、近接検出に誘導センサーが一般的に使用されています。金属物体が近づくと、センサーのコイルの調整が解除され、これを使用して近接を測定できますが、通常、非常に限定された範囲です。

静電容量

静電容量センサーは、おそらく最も頻繁に接触する距離センサーです。携帯電話のタッチスクリーンとやり取りするたびに、静電容量距離センサーを使用しています。静電容量式タッチ/近接センサーは非常に短距離のセンサーで、正確な距離を測定する能力に欠けます。他のタイプのセンサーとして事前に組み立てられた静電容量距離センサーを見つけることはありませんが、必要な感知範囲に応じて、いくつかのコンポーネントとともにICを見つけ、それをキャパシタとして機能するプレート（PCBトレース、ポリゴン注ぎ込み、または外部）に接続する必要があります。

レーダー

レーダーベースのセンサーにおける電波の使用は、非常に長い範囲と信じられないほど正確な測定を提供することができます。レーダーと言えば、巨大なアンテナアレイやドーム内の皿を備えた、数百万ドルの気象、航空交通管制、または類似のレーダー設備が思い浮かぶかもしれませんが、このガイドで説明されている他のセンサーと同様のサイズと価格のパッケージで完全なレーダーセンサーを入手することができます。

音響センサー

音響センサー、例えばソナーは、ほぼ排他的に超音波範囲で動作します。人間が聞くことができる範囲で動作した場合、常にブザー音がして、それらを使用しているときに私たちを狂わせるでしょう。おそらく最も馴染みのある超音波センサーは、車が何かに近すぎると思ったときに警告音を鳴らす車の駐車支援です。超音波センサーの主な欠点は、風の条件下での性能の低下と、同じ周波数を使用する複数のセンサーを同時に使用する能力の限定です。さらに、感知される対象物はセンサーに対しておおよそ垂直である必要があります。

選択時の考慮事項

距離センサーを選択する際には、いくつかの基準を考慮する必要があります：

• 必要な範囲
• 環境
• 視野
• ハウジング/エンクロージャ
• プロトコル/インターフェース

おそらく、あなたの主な考慮事項は、最小および最大の感知範囲でしょう。電話の画面を通話中にオフにする近接センサーのようなアプリケーションは、単に何かが範囲内にあることを知る必要があるかもしれませんが、他のものは正確な距離を知りたいかもしれません。約5ミリメートルから約40メートルまで測定できる光学センサーを見つけることができ、可能な技術の中で最も多様な範囲の可能性を提供します。静電容量式および誘導式センサーは通常、数十ミリメートルに限定され、超音波センサーは数十ミリメートルから数メートルの範囲で動作します。

前述のように、一部のセンサーには、ほとんどの電子部品に適用される典型的な温度範囲を超える環境上の制限があります。主に、これは光学センサーに適用され、明るい周囲光やセンサー自体に向けられた光の影響を受ける可能性があります。

ほとんどのセンサーには円錐形の感知範囲があり、あなたのアプリケーションにとって問題ではないかもしれませんが、念頭に置くべきです。通常、長距離センサーは視野が狭くなります。ほとんどの電磁放射パターンと同様に、最大範囲は通常、センサーの正面にあり、最大視野に近づくほど減衰します。あなたのデバイスの周囲の広いエリアまたは非常に狭いエリア内での存在検出を探している場合、これはあなたのアプリケーションにとって重要かもしれません。

Parallax Ping))) 感知範囲 (データシートより)

センサーを筐体内の基板上に搭載する必要がある場合、これは選択に大きな影響を与える可能性があります。光学センサーは通常、透過するための赤外線透過窓が必要であり、これは筐体設計に大きな制限を与える可能性があります。レーダー、静電容量式、誘導式センサーは電磁波を外に出す必要があり、通常は金属を使用できず、何らかの形でプラスチックやガラス繊維の開口部を使用する必要があります。超音波センサーはほとんどの場合、完全に露出している必要があります。一部には統合されたカバーがありますが、センサー上に何らかの形のハウジングを配置することはできないでしょう。

距離測定用の多くのセンサーには、比例的または固定範囲内のアナログ出力があります。より現代的なセンサーはSPI、I2Cを利用するか、さまざまなインターフェースを提供します。センサーを使用してその範囲内に物体が入ったことを単純に検出する場合、アナログ出力は基本的な回路を使用してスリープ中のマイクロコントローラーに割り込みを生成するために使用できます。一方、デジタルプロトコルを使用すると、より正確な距離測定が可能になります。これは、デバイスの応答に対するより正確または複雑な式に対して内部で変換を行うため、データシートで提供されるものやマイクロコントローラーで使用するものよりも正確です。

部品の提案

光学

ST Microelectronics VL53 シリーズ

(最大2メートルまで) (最大4メートルまで)

低コストの光学センサーとして長年Sharp GP2Y0Aシリーズの赤外線反射距離センサーが王座にいましたが、STの新しい部品は簡単にそれを奪います。私は多くのプロジェクトでSharpのセンサーを使用してきましたが、過去にSharpのセンサーを使用していたすべてのものにVL53シリーズを使用する予定です。これらは非常に小さく、コスト効果の高いセンサーで、スマートフォンに見られるようなガラスの後ろで動作し、反射ではなく位相測定を使用します。前述のように、反射は暗い物体が反射率が低く、同じ距離にある白い物体よりも遠くに見えるため、正確な測定を得るのが非常に難しいです。代わりに飛行時間を使用することで、これらのセンサーは色や陰影に関係なく物体を正確に測定することができ、はるかに信頼性が高くなります。それでも、物体から反射される赤外線レーザーのみに機能するため、IR成分を含む明るい環境光（太陽光など）はこれらのセンサーの有効範囲を減少させる可能性があります。

上記のリンクからわかるように、これらは非常に人気があります。さらに、非常に短い範囲の感知が必要な場合は、最大100ミリメートルを読み取ることができるVL61センサーもあります。

誘導

Panasonic GX シリーズ

Panasonic GXシリーズは、さまざまな検出距離を提供する誘導近接スイッチのシリーズです。安価な中国製センサーや他の西洋ブランドよりも、このシリーズを好む理由は、産業機器に必要な優れた繰り返し精度と精密さを提供するからです。他の代替品よりも高価ですが、私の用途では精密さがはるかに重要です。これらのスイッチは、非接触の原点復帰やリミットスイッチとして、または歯車の歯を数えることでエンコーディングの手段として、あるいは3Dプリンターのベッドレベリングに使用することができます。

TI LDC1101

非接触スイッチを探していない場合、TI LDC1101は必要なセンサーを構築できます。コイルといくつかの受動部品を取り付けることで、金属オブジェクトのサイズや距離を迅速に感知できます。また、油状態でもうまく機能する非常に高いカウントのロータリーエンコーダを構築したり、コイルのインダクタンスフィールド内の金属オブジェクトの移動をマイクロメートル単位で測定することもできます。

静電容量式

マイクロコントローラーを使用している場合、2つのピン、抵抗器、および大きな銅面を使用して、静電容量の変化をかなり大雑把に測定することができます。

TI FDC1004Q

もっと精密なもの（はるかに！）を探している場合、TIの静電容量-デジタル変換器は、独自の静電容量式近接センサーを構築するためのコスト効果的な方法です。上記の誘導部品と同様に、これにより、コイルではなく静電容量プレートを使用して、要件に応じた回路を構築できます。静電容量センサーを使用すると、マイクロン単位の距離変化を測定したり、人間が近くにいる事実だけを測定したりすることができます。静電容量センサーは、人間がそれに向かって手を伸ばしたときにディスプレイやインターフェースを点灯させるのに適しています。私の車のサットナビは、手が近づいているときにのみ画面の下部にユーザーインターフェースボタンを表示し、それ以外の場合はマップがディスプレイ全体を占めるように、静電容量式近接感知をうまく活用しています。

レーダー

Acconeer A111

数ヶ月前にこの宝石を発見しましたが、長い間開発されており、非常に小さなレーダーユニットを開発するために多くの労力を注いでいることがわかりました。使用可能な範囲は約2メートルに限られ、最小距離は60ミリメートルですが、ミリメートル単位の絶対精度を特長としており、相対精度はそれよりもはるかに低くなっています。レーダーを使用しているため、プラスチックやファイバーグラスのエンクロージャーの後ろに隠して、センサーの存在を外部から見えないようにすることができます。ウェアラブル電子機器やインタラクティブデバイスを構築している場合、この機能によりクリーンな外観を実現できます。このセンサーは、今後のプロジェクトで非常に使用したいと考えているものです！

超音波

Maxbotixセンサー

Maxbotixの超音波センサーの範囲は、多くの良い理由から多年にわたり業界標準でした。使用が簡単で比較的精密であり、多くの感知距離と視野を提供するオプションがあります。単一の超音波トランシーバーを使用しているため、Parallax Pingユニットなどのやや安価なデュアルトランシーバーモジュールよりも製品に統合しやすいです。

さまざまな用途に適した距離センサーがたくさんあります。それぞれに長所と短所があり、この記事があなたのアプリケーションに最適なものを選ぶための十分な洞察を提供できたことを願っています。この記事が役立ったと思われる場合は、電子製品の構築に関する他の側面を議論する私の他の記事もぜひご覧ください。

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