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來看看與我們生活相關(guān)的傳感器

傳感器技術(shù) ? 來源:未知 ? 作者:李建兵 ? 2018-03-02 15:17 ? 次閱讀

現(xiàn)在智能手機已經(jīng)非常普及了,如果你留心,會發(fā)現(xiàn)在用手機撥打接聽電話過程中,當你的臉靠近屏幕,手機屏幕會自動黑屏,而當你臉離開屏幕一定距離后,屏幕又會自動開啟,同時自動解鎖恢復可操作狀態(tài)。

手機里的這個功能主要是為了防止接打電話時,臉部對手機屏幕進行誤操作。而實現(xiàn)這一功能所依賴的一個關(guān)鍵零部件就是距離傳感器

實際上,距離傳感器的應用是非常廣泛的,不單單是手機,大到航空航天,小到工業(yè)生產(chǎn),乃至人們?nèi)粘W習生活,都離不開距離傳感器。

接下來,我們深入了解一下這種和我們?nèi)粘I钕⑾⑾嚓P(guān)的傳感器。

距離傳感器

相關(guān)概念

距離傳感器

距離傳感器泛指一切可以測量距離的傳感器。具體指:

1、利用飛行時間(flying time)原理測量距離的傳感器;

2、可以針對距離變化產(chǎn)生信號的傳感器。

距離傳感器可通過發(fā)射能量波束并被被測物體反射,計算波束發(fā)射到被物體反射回來的時間,來計算與物體之間的距離。

常用的能量波束有:

超聲波,激光,紅外光、雷達等。這種傳感器的測量精度很高,可以精確測量距離。

而針對距離變化產(chǎn)生信號的傳感器原理和形式非常繁多,這類傳感器并不要求對距離做出定量檢測,只需判斷在設(shè)定的距離范圍內(nèi)是否有物體出現(xiàn),例如文章開頭提到的手機距離傳感器。

手機距離傳感器

飛行時間(flying time)原理:

能量源發(fā)出能量波束,當這些波遇到物體時會很快的被反射回來 通過這種反射可以計算出障礙物或者目標的位置 ,這種測量方法叫做飛行時間法。

飛行時間測量法原理

距離傳感器

種類及特點

目前距離傳感器根據(jù)其發(fā)射的能量波束的不同,通常分為超聲波測距傳感器、激光測距傳感器、紅外線測距傳感器、24GHZ雷達傳感器幾種。

1

超聲波測距傳感器

超聲波傳感器

超聲波測距傳感器即用超聲波作為能量源測量距離的傳感器,其使用比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制,并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求,因此在移動機器人研制上也得到了廣泛的應用。

超聲波測距的原理

超聲波是一種振動頻 率高于聲波的機械波,由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的,它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小,特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。

超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大,尤其是在陽光不透明的固體中,它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波,碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。

因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面以超聲波作為檢測手段,必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波測距傳感器。

超聲波傳感器原理圖

超聲波測距傳感器的優(yōu)點

1、超聲波對色彩和光照度不敏感。可用于識別透明漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)。

2、超聲波對外界光線和電磁場不敏感。可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中。

3、超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費用低、技術(shù)難度小、信息處理簡單可靠、易于小型化和集成化。

2

激光測距傳感器

激光傳感器

激光測距傳感器是以激光器作為光源進行測距。根據(jù)激光工作的方式分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。紅寶石、釹玻璃等固體激光器,用于脈沖式激光測距;氦氖、氬離子、氪鎘等氣體激光器工作于連續(xù)輸出狀態(tài),用于相位式激光測距。

激光測距儀由于激光的單色性好、方向性強等特點,加上電子線路半導體化集成化,與光電測距儀相比,不僅可以日夜作業(yè)、而且能提高測距精度,顯著減少重量和功耗,使測量到人造地球衛(wèi)星、月球等遠目標的距離變成現(xiàn)實。

航天測距

激光測距傳感器原理

傳輸時間激光傳感器工作時,先由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器,被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。

雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學傳感器,因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間,即可測定目標距離。

激光傳感器原理圖

如果光以速度c在空氣中傳播在A、B兩點間往返一次所需時間為t,則A、B兩點間距離D可用下列表示。

D=ct/2

式中:

D——測站點A、B兩點間距離;

c——速度;

t——光往返A(chǔ)、B一次所需的時間。

由上式可知,通過測量光傳播的時間t就可以測量A、B距離。

激光測距傳感器的優(yōu)點

測量范圍廣,響應速度快;

遠距離測量無需反光板;

測量精度高量程大;

905納米安全激光對人眼無傷害;

體積小安裝調(diào)試方便;

在線式連續(xù)測量達到無人值守連續(xù)監(jiān)測。

3

紅外線測距傳感器

紅外線傳感器

紅外測距傳感是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng),按探測機理可分成為光子探測器和熱探測器。紅外傳感技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。

紅外線測距原理

紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管,利用的紅外測距傳感器LDM301發(fā)射出一束紅外光,在照射到物體后形成一個反射的過程,反射到傳感器后接收信號,然后利用CCD圖像處理接收發(fā)射與接收的時間差的數(shù)據(jù)。

經(jīng)信號處理器處理后計算出物體的距離。這不僅可以使用于自然表面,也可用于加反射板。紅外線測距測量距離遠,具有很高的頻率響應,適合于惡劣的工業(yè)環(huán)境中。

紅外線測距傳感器的優(yōu)點

1、遠距離測量,在無反光板和反射率低的情況下能測量較遠的距離;

2、有同步輸入端,可多個傳感器同步測量;

3、測量范圍廣,響應時間短;

4、外形設(shè)計緊湊,易于安裝,便于操作;

4

24GHZ雷達測距傳感器

微波雷達傳感器

24GHz雷達傳感器是一種可以將微波回波信號轉(zhuǎn)換為一種電信號的裝換裝置,是雷達測速儀,水位計,汽車ACC輔助巡航系統(tǒng),自動門感應器等的核心芯片

通過發(fā)射與接收頻率為24.125GHz左右的微波來感應物體的存在,運動速度,靜止距離,物體所處角度等,采用平面微帶天線技術(shù),具有體積小.集成化程度高.感應靈敏等特點。

24GHZ雷達測距傳感器原理

1、CW多普勒雷達傳感器

將24GHz選為發(fā)射頻率,利用發(fā)送與接收信號的頻率差,通過公式計算出物體運動的速度。經(jīng)過參考信號與回波信號的混頻,雙通道傳感器輸出兩個頻率幅度相同,相位差為90°的中頻信號IF1和IF2,根據(jù)90°相位引導的信號類型,可識別物體的運動方向(遠離或靠近)

2、FMCW 雷達傳感器

如果要測量一個參數(shù),如靜態(tài)物體到傳感器的距離,那么選用線性升坡或降坡作為發(fā)射頻率的時間相關(guān)函數(shù)就足夠了,并定期重復這些坡,以期得到可能的平均值。根據(jù)延遲效應的計算公式可以得到物體的距離。

雷達測距傳感器優(yōu)點

1、測距原理簡單,制作方便,成本低;

2、對雨、雪、霧等傳透力強,衰減小。

距離傳感器自投放使用以來,越來越多在社會各個應用方面得以普及,從防盜安防產(chǎn)品到工業(yè)物位料位檢測,對射/反射產(chǎn)量計數(shù),水位檢測,交通流量,汽車車長測量,高速公路汽車防追尾預警,霧天車輛防撞,人體移動、機場空中飛鳥探測驅(qū)趕,智能化控制、醫(yī)療,水文流速/水位、生命特怔探測 自動門控制器,長檢測距離控制,燈光控制開關(guān)、糧食水分儀傳感器、混凝土濕度測量傳感器、治安探測器等。

由于距離傳感器的應用范圍非常廣泛,以下僅列舉幾例典型的距離傳感器應用。

紅外距離傳感器技術(shù)在監(jiān)控攝像機應用

可以實現(xiàn)各種檢測功能,如入侵檢測,通過視頻分析還可以實現(xiàn)無數(shù)的其他應用程序,如無人看管的行李,違規(guī)停車,機動巡邏對象,圍欄攀爬,交行,走錯了方向。有些系統(tǒng)允許多個應用程序同時使用單一監(jiān)視攝像機的輸入。

此外,入侵檢測系統(tǒng)的可靠性發(fā)揮重要的作用。紅外傳感器,能實現(xiàn)基本的入侵檢測,視頻分析可以提供即時反饋系統(tǒng)狀態(tài),并打開篡改檢測,輕松搞定房屋丈量與房屋驗收。

房屋丈量一直是房管部門既關(guān)心又費心的工作,房屋勘丈面積圖是直接作為產(chǎn)權(quán)證的附圖,具有法律效力。直接關(guān)系到老百姓的經(jīng)濟利益,所以房屋丈量誤差的控制尤為顯得重要。

房屋丈量驗收

利用皮尺或鋼卷尺進行建筑面積的丈量,雖然也可以滿足基本要求,然而在長距離測量,測層高,不易到達地的測量上存在較大誤差,而且存在勞動強度大工作繁雜等缺點,因此像激光測距儀等儀器就變得必不可少。

激光測距儀使用簡便,測量數(shù)據(jù)精確(1.5毫米精度),工作效率提高(可非接觸測量),完全拋棄了一根皮尺(或鋼卷尺)丈量房屋的方法,減少勘丈誤差,保證了面積量算精度,量算結(jié)果使業(yè)主更加信服。

全面用于汽車主動安全系統(tǒng)

統(tǒng)計表明,70%~90%的交通事故是由于駕駛員操作失誤造成的。在美國、日本等國家,消費者選購汽車的著眼點已把駕駛汽車的安全程度放在第一位。

如果拋開駕駛的熟練程度和駕駛經(jīng)驗外,最有效的降低事故的方法就是讓車具有碰撞報警或主動避撞功能。

隨著人們對交通安全的不斷重視,推動了汽車前向碰撞報警系統(tǒng)、前向主動避撞系統(tǒng)、自適應巡航控制系統(tǒng)等先進車輛主動安全技術(shù)的飛速發(fā)展。

汽車主動安全系統(tǒng)

上述系統(tǒng)的共同點是通過車用測距雷達測量主車與目標車之間的距離、相對速度以及相對方位角等信息,并將其傳送給系統(tǒng)的控制單元。車用測距雷達俗稱車用雷達,是實現(xiàn)汽車主動安全技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一,是當前智能交通、信號處理以及傳感器工業(yè)的研究熱點

交通測速

美軍阿特拉斯人形機器人腦袋裝激光測距儀

由波士頓動力公司為美軍研制的世界最先進人形機器人“阿特拉斯”日前亮相,這一機器人將來或許能像人一樣在危險環(huán)境下進行救援工作。

“阿特拉斯”身高1.9米,體重150千克,由頭部、軀干和四肢組成,像人類一樣用雙腿直立行走,令人聯(lián)想起科幻電影中的“終結(jié)者”。它的腦袋包括立體照相機和一個激光測距儀。它的“雙眼”是兩個立體感應器,有兩只靈巧的手,還能在實時遙控下穿越比較復雜的地形。它動力來至設(shè)置在一個場外的電源上。

波士頓動力公司發(fā)布在網(wǎng)上的最新視頻展示了“阿特拉斯”的能力。比如,它在傳送帶上大步前進時,能躲開傳送帶上突然出現(xiàn)的木板;它從高處跳下時能穩(wěn)穩(wěn)落地,還能兩腿分開從陷阱兩邊走過,然后跑上樓梯;它能單腿站立,被從側(cè)面襲來的球撞擊后不會摔倒……

谷歌研發(fā)的無人駕駛汽車

谷歌研發(fā)的無人駕駛汽車利用安裝在汽車不同部位的攝像機、測距傳感器、激光雷達等設(shè)備以及精確詳細的導航地圖,依靠計算機系統(tǒng)模擬人工智能實現(xiàn)無人駕駛。據(jù)谷歌介紹,已在測試中的無人駕駛汽車已自主安全行駛累計超過30萬英里(約48萬公里)。

其實不只是汽車,在手機、家用電器、可穿戴設(shè)備上,以及工業(yè)自動化領(lǐng)域,越來越多的距離傳感器成為機器的“耳目”。即將給人們生活方式帶來更大變化的物聯(lián)網(wǎng),其最核心的基礎(chǔ)技術(shù)也是各種傳感器。

有科學家預言,包括距離傳感器在內(nèi)的各個傳感器,將像“人體的五官”一樣,在未來充滿各個領(lǐng)域和空間。

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原文標題:一文讀懂距離傳感器

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