Руководство по датчикам расстояния

Работа над проектом, который взаимодействует с объектами вокруг, обычно требует от вас выбора датчика расстояния или поиска диапазона. Например, вы можете использовать датчики расстояния для обнаружения присутствия человека, в робототехнике или промышленных приложениях. Приложение и среда, в которой будет развернут проект, могут быть значительным ориентиром при выборе датчика, поскольку некоторые из них будут иметь лучшую производительность по сравнению с другими вариантами в некоторых условиях.

Типы датчиков

В зависимости от вашего приложения, обычно вы будете выбирать из трех основных классов датчиков расстояния:

• Оптические
• Электромагнитные
• Акустические

Оптические датчики

Оптические датчики обычно работают по принципу времени полета, измеряя, сколько времени требуется лазеру или другому источнику света, чтобы достичь цели. Некоторые оптические датчики работают исключительно на количестве отраженного света. Оптические датчики лучше всего работают в темных условиях, а не на прямом солнечном свете, поскольку датчику сложнее зафиксировать свет, который он излучает, на фоне окружающего света. Среди них датчики отражения обычно лучше всего работают с белыми или светлыми объектами, и диапазон обнаружения может значительно варьироваться в зависимости от цвета объекта, на который он направлен.

Электромагнитные датчики

Индуктивные

Существует широкий спектр методов обнаружения, используемых в электромагнитных датчиках. В промышленных приложениях вы часто найдете индуктивные датчики, используемые для обнаружения близости. Когда металлический объект приближается, он настраивает катушку датчика, что может быть использовано для измерения близости, хотя, как правило, на очень ограниченном расстоянии.

Емкостные

Емкостные датчики, вероятно, являются датчиками расстояния, с которыми вы взаимодействуете чаще всего. Каждый раз, когда вы взаимодействуете с сенсорным экраном вашего телефона, вы используете емкостной датчик расстояния. Емкостные сенсоры касания/близости являются датчиками очень короткого действия, которые не способны измерять точные расстояния. Вы не найдете готового емкостного датчика расстояния, как это бывает с другими типами датчиков, вместо этого вы найдете интегральную схему, которую вам нужно подключить к нескольким компонентам и к пластине (следу на печатной плате, заливке полигона или внешнем элементе), которая будет действовать как конденсатор, в зависимости от требуемого диапазона обнаружения.

Радар

Использование радиоволн в радарных датчиках может обеспечить очень большие диапазоны и невероятно точные измерения. Когда упоминается радар, на ум приходят миллионные инвестиции в метеорологические, управления воздушным движением или подобные радарные установки с огромными антенными решетками или тарелками в куполе, но вы можете получить полноценный радарный датчик в аналогичном размере и по цене, сопоставимой с другими датчиками, обсуждаемыми в этом руководстве.

Акустические датчики

Акустические датчики, такие как сонар, работают почти исключительно в ультразвуковом диапазоне. Если бы они работали в диапазоне, который могут слышать люди, они бы постоянно издавали гудение, сводя нас с ума при работе с ними. Ультразвуковые датчики, с которыми вы, вероятно, наиболее знакомы, - это помощники парковки автомобиля, подающие звуковой сигнал, когда автомобиль считает, что вы слишком близко к чему-то. Основными недостатками ультразвуковых датчиков являются сниженная производительность в ветреных условиях и ограниченная возможность использования нескольких датчиков на одной и той же частоте одновременно. Кроме того, объект, который необходимо обнаружить, должен быть примерно перпендикулярен датчику.

Критерии выбора

При выборе датчика расстояния есть несколько критериев, которые вам нужно будет учесть:

• Требуемый диапазон
• Окружающая среда
• Поле зрения
• Корпус/Защитный кожух
• Протокол/Интерфейс

Скорее всего, вашим основным критерием будет диапазон обнаружения, как минимальный, так и максимальный. Некоторые приложения, например, датчик приближения, который выключает экран вашего телефона во время звонков, могут просто нуждаться в том, чтобы знать, что что-то находится в пределах диапазона, в то время как другим может потребоваться знать точное расстояние. Вы найдете оптические датчики, способные измерять от примерно пяти миллиметров до около 40 метров, что дает наиболее разнообразный диапазон возможностей среди всех возможных технологий. Емкостные и индуктивные датчики обычно ограничены десятками миллиметров, а ультразвуковые датчики работают от десятков миллиметров до пары метров.

Как упоминалось ранее, некоторые датчики имеют ограничения, связанные с окружающей средой, помимо типичных температурных диапазонов, которые применимы к большинству электронных компонентов. В первую очередь это касается оптических датчиков, которые могут быть подвержены воздействию яркого окружающего света или света, направленного непосредственно на датчик.

У большинства датчиков диапазон обнаружения имеет форму конуса, что может не быть проблемой для вашего приложения, но это следует иметь в виду. Как правило, датчик с более длинным диапазоном имеет более узкое поле зрения. Как и в случае с большинством паттернов электромагнитного излучения, максимальный диапазон обычно находится прямо перед датчиком, с уменьшением чем ближе вы подходите к максимальному полю зрения. Если вы ищете обнаружение присутствия в широкой области вокруг вашего устройства или в очень узкой области, это может быть критично для вашего приложения.

Диапазон обнаружения Parallax Ping))) (из технического описания)

Если датчик, который вы разрабатываете, должен быть установлен на плате внутри корпуса, это может существенно повлиять на ваш выбор. Оптические датчики обычно требуют наличия инфракрасного прозрачного окна для "видения", что может сильно ограничить дизайн корпуса. Радарные, емкостные и индуктивные датчики должны иметь возможность излучать электромагнитные волны, что обычно означает, что вы не сможете использовать металл и придется прибегнуть к использованию пластикового или стекловолоконного отверстия какого-то рода. Ультразвуковые датчики почти всегда должны быть полностью открыты. Хотя некоторые из них имеют интегрированные крышки, скорее всего, вы не сможете разместить над датчиком какой-либо корпус.

Многие датчики для измерения дистанции имеют аналоговый выход, который либо рациометричен, либо находится в фиксированном диапазоне. Более современные датчики используют SPI, I2C или предлагают ряд интерфейсов. Если вы используете датчик для простого обнаружения объекта, входящего в его диапазон, аналоговый выход может быть использован с некоторой базовой схемотехникой для генерации прерывания для спящего микроконтроллера. С другой стороны, цифровые протоколы позволяют более точно измерять расстояние, поскольку они выполняют преобразование внутри устройства в соответствии с формулой отклика устройства, которая более точна или сложна, чем то, что может быть предоставлено в техническом описании или использоваться на микроконтроллере.

Рекомендации по компонентам

Оптические

Серия ST Microelectronics VL53

(до 2 метров) (до 4 метров)

Инфракрасные датчики отражения расстояния серии Sharp GP2Y0A многие годы держали пальму первенства среди недорогих оптических датчиков, но новая деталь от ST легко забирает ее себе. Я использовал датчики Sharp во многих проектах, но теперь буду использовать серию VL53 для всего, для чего раньше использовал датчики Sharp. Это маленькие, экономичные датчики, которые работают сквозь стекло, например, как в смартфоне, и используют измерение фазы, а не отражение. Как упоминалось ранее, с отражением сложно получить точные измерения, поскольку темный объект будет иметь меньшее отражение и, следовательно, будет казаться дальше, чем белый объект на том же расстоянии. Используя время полета, эти датчики могут точно измерять объекты независимо от их цвета или оттенка, что делает их гораздо более надежными. Поскольку они все равно могут функционировать только на отраженном от объекта инфракрасном лазере, яркий окружающий свет, содержащий ИК-компонент (например, солнечный свет), может снизить эффективный диапазон этих датчиков.

Они очень популярны, как вы увидите по большому количеству вариантов плат расширения в приведенных выше ссылках. Кроме того, если вам нужно очень короткое расстояние обнаружения, есть также датчик VL61, способный считывать максимум 100 миллиметров.

Индуктивные

Серия Panasonic GX

Серия Panasonic GX - это серия индуктивных близостных переключателей, которая предлагает ряд рабочих расстояний. Мне нравится эта серия больше, чем дешевые китайские датчики и другие западные бренды, так как она обеспечивает высокую повторяемость и точность, необходимые для промышленного оборудования. Она дороже других альтернатив, но для моих приложений точность гораздо важнее. Вы можете использовать один из этих датчиков во всем, что связано с ЧПУ, для бесконтактного возвращения в исходное положение или как концевые выключатели, для подсчета зубьев шестерни в качестве способа кодирования, или для выравнивания стола 3D-принтера.

TI LDC1101

Если вам не нужен бесконтактный переключатель, то TI LDC1101 позволяет вам создать необходимый датчик. Подключите катушку и несколько пассивных компонентов, и вы сможете быстро определить размер или расстояние металлического объекта. Вы также можете создать очень точные ротационные энкодеры, которые хорошо работают в масляных условиях или измерять микрометры перемещения металлического объекта в поле индуктивности вашей катушки.

Емкостные

Если у вас есть микроконтроллер, вы можете довольно грубо измерить изменения емкости всего лишь с помощью двух контактов, резистора и большой медной площади.

TI FDC1004Q

Если вы ищете что-то более точное (намного более!), чем грубый метод, то преобразователь емкости в цифровой сигнал от TI - это экономически выгодный способ создать свой собственный емкостной датчик приближения. Как и в случае с индуктивным элементом выше, это позволяет вам построить схему по требованиям, используя емкостную пластину вместо катушки. С помощью емкостного датчика вы можете измерять изменения расстояния в микронах или просто факт нахождения человека поблизости. Емкостные датчики отлично подходят для включения дисплея или интерфейса, когда человек тянется к нему. Система навигации моего автомобиля отлично использует емкостное датчиковое приближение, отображая кнопки пользовательского интерфейса в нижней части экрана только тогда, когда ваша рука находится рядом, в остальное время карта занимает весь дисплей.

Радар

Acconeer A111

Я обнаружил этот драгоценный камень несколько месяцев назад, и, как оказалось, он разрабатывался долгое время, и разработчики вложили много усилий в создание такого маленького радарного блока. Действующий диапазон ограничен примерно двумя метрами и минимальным расстоянием в 60 миллиметров, однако он обеспечивает миллиметровую абсолютную точность с гораздо более низкой относительной точностью. Поскольку он использует радар, вы можете скрыть его за пластиковым или стекловолоконным корпусом без каких-либо внешне видимых признаков наличия датчика. Если вы создаете носимую электронику или интерактивные устройства, эта функция позволяет добиться чистого внешнего вида. Этот датчик - один из тех, которые я очень хочу использовать в предстоящих проектах!

Ультразвуковые

Датчики Maxbotix

Ассортимент ультразвуковых датчиков Maxbotix является отраслевым стандартом на протяжении многих лет по веским причинам. Они одновременно просты в использовании и относительно точны, а также предлагают ряд вариантов с различными дистанциями обнаружения и полями зрения. С использованием всего одного ультразвукового передатчика их легче интегрировать в продукт, чем немного более дешевые модули с двумя передатчиками, такие как устройства Parallax Ping.

Существует широкий ассортимент датчиков расстояния, подходящих для еще более широкого спектра применений. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, и я надеюсь, что эта статья дала вам достаточно информации для выбора наиболее подходящего для вашего приложения. Если вы нашли эту статью полезной, не стесняйтесь ознакомиться с другими моими статьями в блоге, где обсуждаются другие аспекты создания электронных продуктов.

Мы надеемся, что вы нашли эту статью полезной! Если вы хотите получать подобный контент прямо на вашу почту, подпишитесь на наш ежемесячный информационный бюллетень!