Hướng dẫn về Cảm biến Khoảng cách

Khi làm việc trên một dự án tương tác với các vật thể xung quanh, bạn thường cần chọn một cảm biến khoảng cách hoặc tìm kiếm phạm vi. Ví dụ, bạn có thể sử dụng cảm biến khoảng cách cho việc phát hiện sự hiện diện của con người, robot, hoặc ứng dụng công nghiệp. Ứng dụng và môi trường mà dự án sẽ được triển khai có thể là yếu tố hướng dẫn quan trọng trong việc quyết định xem cảm biến nào để xem xét, vì một số sẽ có hiệu suất vượt trội hơn các lựa chọn khác trong một số điều kiện.

Loại Cảm Biến

Tùy thuộc vào ứng dụng của bạn, bạn thường sẽ chọn từ ba lớp chính cho cảm biến khoảng cách:

• Quang học
• Điện từ
• Âm thanh

Cảm Biến Quang Học

Cảm biến quang học thường hoạt động dựa trên cách tiếp cận thời gian bay, đo thời gian một tia laser hoặc nguồn sáng khác mất bao lâu để đến mục tiêu. Một số cảm biến quang học hoạt động hoàn toàn dựa trên lượng ánh sáng phản chiếu trở lại. Cảm biến quang học hoạt động tốt nhất trong môi trường tối hơn thay vì dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp, vì việc cảm biến thu được ánh sáng mà nó phát ra so với ánh sáng nền trở nên khó khăn hơn. Trong số đó, cảm biến phản xạ thường hoạt động tốt nhất với các vật thể màu trắng hoặc màu sáng, và phạm vi cảm nhận có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào màu sắc của vật thể mà nó hướng vào.

Cảm Biến Điện Từ

Cảm Ứng

Có một loạt các phương pháp cảm biến được sử dụng trong cảm biến điện từ. Trong các ứng dụng công nghiệp, bạn sẽ thường thấy cảm biến cảm ứng được sử dụng cho việc phát hiện gần. Khi một vật thể kim loại tiến gần, nó làm thay đổi tần số của cuộn cảm biến, có thể được sử dụng để đo khoảng cách gần, mặc dù thường với phạm vi rất hạn chế.

Điện dung

Cảm biến điện dung có lẽ là loại cảm biến khoảng cách bạn tương tác nhiều nhất. Mỗi khi bạn tương tác với màn hình cảm ứng của điện thoại, bạn đang sử dụng một cảm biến khoảng cách điện dung. Cảm biến cảm ứng/điện dung là cảm biến có phạm vi rất ngắn và không có khả năng đo khoảng cách chính xác. Bạn sẽ không tìm thấy một cảm biến khoảng cách điện dung đã được lắp ráp sẵn như bạn sẽ tìm thấy với các loại cảm biến khác, thay vào đó bạn sẽ tìm thấy một IC mà bạn cần kết nối với một số linh kiện và một tấm (đường dẫn PCB, đổ đa giác, hoặc bên ngoài) sẽ hoạt động như tụ điện, tùy thuộc vào phạm vi cảm biến bạn yêu cầu.

Radar

Sử dụng sóng vô tuyến trong cảm biến dựa trên radar có thể mang lại phạm vi rất xa và đo lường chính xác đáng kinh ngạc. Khi nhắc đến radar, người ta thường nghĩ đến các hệ thống radar triệu đô dùng trong dự báo thời tiết, kiểm soát không lưu, hoặc các cài đặt radar tương tự với hàng loạt ăng-ten khổng lồ hoặc đĩa trong một mái vòm, nhưng bạn có thể có được một cảm biến radar đầy đủ trong một gói có kích thước và giá cả tương tự như các cảm biến khác được thảo luận trong hướng dẫn này.

Cảm biến Âm thanh

Các cảm biến âm thanh, như sonar, hoạt động gần như hoàn toàn trong phạm vi siêu âm. Nếu chúng hoạt động trong phạm vi mà con người có thể nghe thấy, chúng sẽ liên tục phát ra tiếng vo ve, khiến chúng ta phát điên khi làm việc với chúng. Các cảm biến siêu âm mà bạn có lẽ quen thuộc nhất là hệ thống hỗ trợ đỗ xe ô tô bíp bíp khi xe nghĩ rằng bạn quá gần với một vật thể nào đó. Nhược điểm chính của cảm biến siêu âm là hiệu suất giảm trong điều kiện gió và khả năng sử dụng hạn chế đối với nhiều cảm biến cùng một lúc sử dụng cùng một tần số. Ngoài ra, vật thể được cảm nhận cần phải gần như vuông góc với cảm biến.

Xem xét khi Lựa chọn

Khi lựa chọn cảm biến khoảng cách, có một số tiêu chí bạn cần xem xét:

• Phạm vi yêu cầu
• Môi trường
• Tầm nhìn
• Vỏ bọc/Bảo vệ
• Giao thức/Giao diện

Có lẽ, tiêu chí quan trọng nhất của bạn sẽ là phạm vi cảm biến, cả tối thiểu và tối đa. Một số ứng dụng, như cảm biến tiệm cận tắt màn hình điện thoại của bạn trong khi gọi điện, có thể chỉ cần biết rằng có một vật gì đó trong phạm vi, trong khi những người khác có thể muốn biết khoảng cách chính xác. Bạn sẽ tìm thấy cảm biến quang học có thể đo từ khoảng năm milimét đến khoảng 40 mét, mang lại phạm vi đa dạng nhất trong số các công nghệ có thể. Cảm biến điện dung và cảm biến cảm ứng thường giới hạn ở vài chục milimét và cảm biến siêu âm hoạt động từ vài chục milimét đến vài mét.

Như đã đề cập trước đó, một số cảm biến có giới hạn về môi trường ngoài phạm vi nhiệt độ thông thường áp dụng cho hầu hết các linh kiện điện tử. Chủ yếu, điều này áp dụng cho cảm biến quang, có thể bị ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường sáng hoặc bởi ánh sáng hướng trực tiếp vào cảm biến.

Hầu hết các cảm biến có phạm vi cảm nhận hình nón, có thể không phải là vấn đề đối với ứng dụng của bạn, nhưng nên được lưu ý. Thông thường, một cảm biến có phạm vi xa hơn sẽ có tầm nhìn hẹp hơn. Giống như hầu hết các mô hình bức xạ điện từ, phạm vi tối đa thường trực tiếp trước mặt cảm biến, với sự giảm dần càng bạn tiếp cận tầm nhìn tối đa. Nếu bạn đang tìm kiếm phát hiện sự hiện diện trong một khu vực rộng lớn xung quanh thiết bị của mình hoặc trong một khu vực rất hẹp, điều này có thể rất quan trọng đối với ứng dụng của bạn.

Phạm vi cảm biến của Parallax Ping))) (từ bảng dữ liệu)

Nếu cảm biến bạn đang xây dựng cần được đặt trên một bảng mạch nằm trong một vỏ bọc, điều này có thể ảnh hưởng mạnh mẽ đến lựa chọn của bạn. Các cảm biến quang học thường cần một cửa sổ trong suốt hồng ngoại để "nhìn" qua, điều này có thể hạn chế nhiều đến thiết kế vỏ bọc. Cảm biến radar, điện dung và cảm ứng từ cần phải có khả năng phát ra sóng điện từ, điều này thường có nghĩa là bạn sẽ không thể sử dụng kim loại và sẽ phải sử dụng một loại cửa sổ nhựa hoặc sợi thủy tinh nào đó. Cảm biến siêu âm hầu như luôn cần phải được lộ ra hoàn toàn. Mặc dù một số có vỏ bọc tích hợp, bạn có lẽ không thể đặt bất kỳ loại vỏ bọc nào lên trên cảm biến.

Nhiều cảm biến đo khoảng cách có đầu ra tương tự là tỷ lệ hoặc trong một phạm vi cố định. Các cảm biến hiện đại hơn sử dụng SPI, I2C, hoặc cung cấp một loạt các giao diện. Nếu bạn sử dụng cảm biến để phát hiện đơn giản một vật thể đi vào phạm vi của nó, một đầu ra tương tự có thể được sử dụng với một số mạch cơ bản để tạo ra một ngắt cho vi điều khiển đang ngủ. Ngược lại, các giao thức số cho phép đo khoảng cách chính xác hơn, vì chúng sẽ thực hiện việc chuyển đổi nội bộ dựa trên công thức cho phản ứng của thiết bị mà chính xác hoặc phức tạp hơn những gì bạn có thể được cung cấp trong bảng dữ liệu hoặc sử dụng trên vi điều khiển.

Gợi ý linh kiện

Quang học

ST Microelectronics VL53 series

(lên đến 2 mét) (lên đến 4 mét)

Các cảm biến khoảng cách phản xạ hồng ngoại của dòng Sharp GP2Y0A đã giữ vị trí cao nhất cho các cảm biến quang học giá rẻ trong nhiều năm, nhưng linh kiện mới của ST dễ dàng chiếm lấy vị trí đó. Tôi đã sử dụng các cảm biến Sharp trong nhiều dự án, nhưng tôi sẽ sử dụng dòng VL53 cho mọi thứ mà trước đây tôi đã sử dụng cảm biến Sharp. Đây là các cảm biến nhỏ, hiệu quả về chi phí, có thể hoạt động qua kính - như bạn sẽ thấy trong một điện thoại thông minh - và sử dụng phép đo pha thay vì phản xạ. Như đã đề cập trước đó, phản xạ thực sự khó để có được các phép đo chính xác, do việc một vật thể màu tối sẽ có độ phản xạ thấp hơn và do đó trông xa hơn so với một vật thể màu trắng ở cùng một khoảng cách. Bằng cách sử dụng thời gian bay thay vì, các cảm biến này có thể đo chính xác các vật thể bất kể màu sắc hoặc bóng tối, làm cho chúng đáng tin cậy hơn nhiều. Vì chúng vẫn chỉ có thể hoạt động dựa trên tia laser hồng ngoại phản xạ từ vật thể, ánh sáng môi trường sáng chứa thành phần IR (như ánh nắng mặt trời) có thể giảm phạm vi hiệu quả của các cảm biến này.

Chúng rất phổ biến, như bạn sẽ thấy từ số lượng lớn các tùy chọn bo mạch phụ trợ trong các liên kết ở trên. Hơn nữa, nếu bạn cần cảm biến khoảng cách rất ngắn, cũng có cảm biến VL61 có khả năng đọc tối đa 100 milimét.

Cảm ứng từ

Dòng Panasonic GX

Dòng Panasonic GX là một loạt các công tắc tiệm cận cảm ứng, cung cấp nhiều khoảng cách chuyển mạch khác nhau. Tôi thích dòng sản phẩm này hơn so với các cảm biến giá rẻ của Trung Quốc và các thương hiệu phương Tây khác vì nó cung cấp độ lặp lại và độ chính xác vượt trội cần thiết cho thiết bị công nghiệp. Nó đắt hơn so với các lựa chọn khác, nhưng đối với các ứng dụng của tôi, độ chính xác quan trọng hơn nhiều. Bạn có thể sử dụng một trong những cảm biến này trong bất kỳ thiết bị nào liên quan đến CNC cho việc định vị không tiếp xúc hoặc công tắc giới hạn, để đếm số răng của bánh răng như một phương tiện mã hóa, hoặc để cân bằng giường in 3D.

TI LDC1101

Nếu bạn không tìm kiếm một công tắc không tiếp xúc, thì TI LDC1101 cho phép bạn xây dựng cảm biến bạn cần. Gắn một cuộn dây và một số linh kiện thụ động và bạn có thể nhanh chóng cảm nhận kích thước hoặc khoảng cách của một vật thể kim loại. Bạn cũng có thể xây dựng bộ mã hóa quay có số lượng rất cao, hoạt động tốt trong điều kiện dầu mỡ hoặc đo lường micromet chuyển động của một vật thể kim loại trong trường cảm ứng của cuộn dây của bạn.

Điện dung

Nếu bạn có một vi điều khiển, bạn có thể đo sự thay đổi điện dung một cách khá thô sơ chỉ với hai chân, một điện trở và một khu vực đồng lớn.

TI FDC1004Q

Nếu bạn đang tìm kiếm một cái gì đó chính xác hơn (nhiều hơn!) so với phương pháp thô sơ, bộ chuyển đổi từ điện dung sang số của TI là một cách tiết kiệm chi phí để xây dựng cảm biến tiệm cận điện dung của riêng bạn. Giống như phần cảm ứng từ trên, điều này cho phép bạn xây dựng một mạch theo yêu cầu, sử dụng một tấm điện dung thay vì một cuộn dây. Với cảm biến điện dung, bạn có thể đo sự thay đổi khoảng cách micromet, hoặc chỉ đơn giản là sự hiện diện của con người. Cảm biến điện dung rất tốt để kích hoạt màn hình hoặc giao diện khi một người vươn tay về phía nó. Hệ thống định vị vệ tinh của xe hơi tôi sử dụng cảm biến tiệm cận điện dung một cách hiệu quả bằng cách chỉ hiển thị các nút giao diện người dùng ở phía dưới màn hình khi tay bạn ở gần nó, nếu không, bản đồ sẽ chiếm toàn bộ màn hình.

Radar

Acconeer A111

Tôi phát hiện ra viên ngọc này vài tháng trước, và hóa ra, nó đã được phát triển trong một thời gian dài và họ đã bỏ ra rất nhiều công sức để phát triển một đơn vị radar nhỏ như vậy. Phạm vi sử dụng bị giới hạn ở khoảng hai mét và khoảng cách tối thiểu là 60 milimet, tuy nhiên, nó có độ chính xác tuyệt đối đến từng milimet với độ chính xác tương đối thấp hơn nhiều so với vậy. Vì sử dụng radar, bạn có thể giấu nó sau một vỏ nhựa hoặc sợi thủy tinh mà không có bất kỳ dấu hiệu nào bên ngoài về sự hiện diện của cảm biến. Nếu bạn đang xây dựng thiết bị điện tử đeo được hoặc thiết bị tương tác, tính năng này cho phép một vẻ ngoài sạch sẽ. Đây là cảm biến mà tôi rất muốn sử dụng trong các dự án sắp tới!

Siêu âm

Maxbotix Sensors

Dải cảm biến siêu âm của Maxbotix đã là tiêu chuẩn công nghiệp trong nhiều năm vì nhiều lý do tốt. Chúng vừa dễ sử dụng vừa tương đối chính xác, và có nhiều lựa chọn cung cấp nhiều khoảng cách và góc nhìn cảm biến khác nhau. Chỉ với một bộ phát và nhận siêu âm đơn, chúng dễ dàng tích hợp vào sản phẩm hơn so với các mô-đun phát và nhận kép giá rẻ hơn như các đơn vị Parallax Ping.

Có một loạt các loại cảm biến khoảng cách phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau. Mỗi loại đều có những ưu điểm và hạn chế của nó, và tôi hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn đủ hiểu biết để chọn loại phù hợp nhất với ứng dụng của mình. Nếu bạn thấy bài viết này hữu ích, đừng ngần ngại khám phá thêm một số bài viết khác trên blog, nơi chúng tôi thảo luận về các khía cạnh khác của việc xây dựng sản phẩm điện tử.

Chúng tôi hy vọng bạn thấy bài viết này hữu ích! Nếu bạn muốn nhận được nội dung như thế này gửi đến hộp thư của mình, đăng ký nhận bản tin hàng tháng của chúng tôi!