來(lái)看看與我們生活相關(guān)的傳感器

現(xiàn)在智能手機(jī)已經(jīng)非常普及了，如果你留心，會(huì)發(fā)現(xiàn)在用手機(jī)撥打接聽(tīng)電話過(guò)程中，當(dāng)你的臉靠近屏幕，手機(jī)屏幕會(huì)自動(dòng)黑屏，而當(dāng)你臉離開(kāi)屏幕一定距離后，屏幕又會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，同時(shí)自動(dòng)解鎖恢復(fù)可操作狀態(tài)。

手機(jī)里的這個(gè)功能主要是為了防止接打電話時(shí)，臉部對(duì)手機(jī)屏幕進(jìn)行誤操作。而實(shí)現(xiàn)這一功能所依賴的一個(gè)關(guān)鍵零部件就是距離傳感器。

實(shí)際上，距離傳感器的應(yīng)用是非常廣泛的，不單單是手機(jī)，大到航空航天，小到工業(yè)生產(chǎn)，乃至人們?nèi)粘W(xué)習(xí)生活，都離不開(kāi)距離傳感器。

接下來(lái)，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(cè)量距離的傳感器。具體指：

1、利用飛行時(shí)間（flying time）原理測(cè)量距離的傳感器；

2、可以針對(duì)距離變化產(chǎn)生信號(hào)的傳感器。

距離傳感器可通過(guò)發(fā)射能量波束并被被測(cè)物體反射，計(jì)算波束發(fā)射到被物體反射回來(lái)的時(shí)間，來(lái)計(jì)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(dá)等。這種傳感器的測(cè)量精度很高，可以精確測(cè)量距離。

而針對(duì)距離變化產(chǎn)生信號(hào)的傳感器原理和形式非常繁多，這類傳感器并不要求對(duì)距離做出定量檢測(cè)，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(kāi)頭提到的手機(jī)距離傳感器。

手機(jī)距離傳感器

飛行時(shí)間（flying time）原理：

能量源發(fā)出能量波束，當(dāng)這些波遇到物體時(shí)會(huì)很快的被反射回來(lái) 通過(guò)這種反射可以計(jì)算出障礙物或者目標(biāo)的位置 ，這種測(cè)量方法叫做飛行時(shí)間法。

飛行時(shí)間測(cè)量法原理

距離傳感器

種類及特點(diǎn)

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(cè)距傳感器、激光測(cè)距傳感器、紅外線測(cè)距傳感器、24GHZ雷達(dá)傳感器幾種。

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超聲波測(cè)距傳感器

超聲波傳感器

超聲波測(cè)距傳感器即用超聲波作為能量源測(cè)量距離的傳感器，其使用比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。

超聲波測(cè)距的原理

超聲波是一種振動(dòng)頻 率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)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(diǎn)。

超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)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(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。

因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測(cè)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(cè)距傳感器。

超聲波傳感器原理圖

超聲波測(cè)距傳感器的優(yōu)點(diǎn)

1、超聲波對(duì)色彩和光照度不敏感?？捎糜谧R(shí)別透明漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)。

2、超聲波對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感?？捎糜诤诎?、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中。

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

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激光測(cè)距傳感器

激光傳感器

激光測(cè)距傳感器是以激光器作為光源進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)距。

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

航天測(cè)距

激光測(cè)距傳感器原理

傳輸時(shí)間激光傳感器工作時(shí)，先由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)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(xué)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(xué)傳感器，因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測(cè)定目標(biāo)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(diǎn)間往返一次所需時(shí)間為t，則A、B兩點(diǎn)間距離D可用下列表示。

D=ct/2

式中：

D——測(cè)站點(diǎn)A、B兩點(diǎn)間距離；

c——速度；

t——光往返A(chǔ)、B一次所需的時(shí)間。

由上式可知，通過(guò)測(cè)量光傳播的時(shí)間t就可以測(cè)量A、B距離。

激光測(cè)距傳感器的優(yōu)點(diǎn)

測(cè)量范圍廣，響應(yīng)速度快；

遠(yuǎn)距離測(cè)量無(wú)需反光板；

測(cè)量精度高量程大；

905納米安全激光對(duì)人眼無(wú)傷害；

體積小安裝調(diào)試方便；

在線式連續(xù)測(cè)量達(dá)到無(wú)人值守連續(xù)監(jiān)測(cè)。

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紅外線測(cè)距傳感器

紅外線傳感器

紅外測(cè)距傳感是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，按探測(cè)機(jī)理可分成為光子探測(cè)器和熱探測(cè)器。紅外傳感技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國(guó)防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

紅外線測(cè)距原理

紅外測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，利用的紅外測(cè)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(gè)反射的過(guò)程，反射到傳感器后接收信號(hào)，然后利用CCD圖像處理接收發(fā)射與接收的時(shí)間差的數(shù)據(jù)。

經(jīng)信號(hào)處理器處理后計(jì)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(cè)距測(cè)量距離遠(yuǎn)，具有很高的頻率響應(yīng)，適合于惡劣的工業(yè)環(huán)境中。

紅外線測(cè)距傳感器的優(yōu)點(diǎn)

1、遠(yuǎn)距離測(cè)量，在無(wú)反光板和反射率低的情況下能測(cè)量較遠(yuǎn)的距離；

2、有同步輸入端，可多個(gè)傳感器同步測(cè)量；

3、測(cè)量范圍廣，響應(yīng)時(shí)間短；

4、外形設(shè)計(jì)緊湊，易于安裝，便于操作；

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24GHZ雷達(dá)測(cè)距傳感器

微波雷達(dá)傳感器

24GHz雷達(dá)傳感器是一種可以將微波回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為一種電信號(hào)的裝換裝置，是雷達(dá)測(cè)速儀，水位計(jì)，汽車ACC輔助巡航系統(tǒng)，自動(dòng)門感應(yīng)器等的核心芯片。

通過(guò)發(fā)射與接收頻率為24.125GHz左右的微波來(lái)感應(yīng)物體的存在，運(yùn)動(dòng)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(yīng)靈敏等特點(diǎn)。

24GHZ雷達(dá)測(cè)距傳感器原理

1、CW多普勒雷達(dá)傳感器

將24GHz選為發(fā)射頻率，利用發(fā)送與接收信號(hào)的頻率差，通過(guò)公式計(jì)算出物體運(yùn)動(dòng)的速度。經(jīng)過(guò)參考信號(hào)與回波信號(hào)的混頻，雙通道傳感器輸出兩個(gè)頻率幅度相同，相位差為90°的中頻信號(hào)IF1和IF2,根據(jù)90°相位引導(dǎo)的信號(hào)類型，可識(shí)別物體的運(yùn)動(dòng)方向（遠(yuǎn)離或靠近）

2、FMCW 雷達(dá)傳感器

如果要測(cè)量一個(gè)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(shí)間相關(guān)函數(shù)就足夠了，并定期重復(fù)這些坡，以期得到可能的平均值。根據(jù)延遲效應(yīng)的計(jì)算公式可以得到物體的距離。

雷達(dá)測(cè)距傳感器優(yōu)點(diǎn)

1、測(cè)距原理簡(jiǎn)單，制作方便，成本低；

2、對(duì)雨、雪、霧等傳透力強(qiáng)，衰減小。

距離傳感器自投放使用以來(lái)，越來(lái)越多在社會(huì)各個(gè)應(yīng)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(cè)，對(duì)射/反射產(chǎn)量計(jì)數(shù)，水位檢測(cè)，交通流量，汽車車長(zhǎng)測(cè)量，高速公路汽車防追尾預(yù)警，霧天車輛防撞，人體移動(dòng)、機(jī)場(chǎng)空中飛鳥(niǎo)探測(cè)驅(qū)趕，智能化控制、醫(yī)療，水文流速/水位、生命特怔探測(cè) 自動(dòng)門控制器，長(zhǎng)檢測(cè)距離控制，燈光控制開(kāi)關(guān)、糧食水分儀傳感器、混凝土濕度測(cè)量傳感器、治安探測(cè)器等。

由于距離傳感器的應(yīng)用范圍非常廣泛，以下僅列舉幾例典型的距離傳感器應(yīng)用。

紅外距離傳感器技術(shù)在監(jiān)控?cái)z像機(jī)應(yīng)用

可以實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)功能，如入侵檢測(cè)，通過(guò)視頻分析還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)的其他應(yīng)用程序，如無(wú)人看管的行李，違規(guī)停車，機(jī)動(dòng)巡邏對(duì)象，圍欄攀爬，交行，走錯(cuò)了方向。有些系統(tǒng)允許多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)使用單一監(jiān)視攝像機(jī)的輸入。

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

房屋丈量一直是房管部門既關(guān)心又費(fèi)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(jì)利益，所以房屋丈量誤差的控制尤為顯得重要。

房屋丈量驗(yàn)收

利用皮尺或鋼卷尺進(jìn)行建筑面積的丈量，雖然也可以滿足基本要求，然而在長(zhǎng)距離測(cè)量，測(cè)層高，不易到達(dá)地的測(cè)量上存在較大誤差，而且存在勞動(dòng)強(qiáng)度大工作繁雜等缺點(diǎn)，因此像激光測(cè)距儀等儀器就變得必不可少。

激光測(cè)距儀使用簡(jiǎn)便，測(cè)量數(shù)據(jù)精確（1.5毫米精度），工作效率提高（可非接觸測(cè)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(dòng)安全系統(tǒng)

統(tǒng)計(jì)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(guó)、日本等國(guó)家，消費(fèi)者選購(gòu)汽車的著眼點(diǎn)已把駕駛汽車的安全程度放在第一位。

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

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

汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)

上述系統(tǒng)的共同點(diǎn)是通過(guò)車用測(cè)距雷達(dá)測(cè)量主車與目標(biāo)車之間的距離、相對(duì)速度以及相對(duì)方位角等信息，并將其傳送給系統(tǒng)的控制單元。車用測(cè)距雷達(dá)俗稱車用雷達(dá)，是實(shí)現(xiàn)汽車主動(dòng)安全技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是當(dāng)前智能交通、信號(hào)處理以及傳感器工業(yè)的研究熱點(diǎn)

交通測(cè)速

美軍阿特拉斯人形機(jī)器人腦袋裝激光測(cè)距儀

由波士頓動(dòng)力公司為美軍研制的世界最先進(jìn)人形機(jī)器人“阿特拉斯”日前亮相，這一機(jī)器人將來(lái)或許能像人一樣在危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)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(jī)和一個(gè)激光測(cè)距儀。它的“雙眼”是兩個(gè)立體感應(yīng)器，有兩只靈巧的手，還能在實(shí)時(shí)遙控下穿越比較復(fù)雜的地形。它動(dòng)力來(lái)至設(shè)置在一個(gè)場(chǎng)外的電源上。

波士頓動(dòng)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(jìn)時(shí)，能躲開(kāi)傳送帶上突然出現(xiàn)的木板；它從高處跳下時(shí)能穩(wěn)穩(wěn)落地，還能兩腿分開(kāi)從陷阱兩邊走過(guò)，然后跑上樓梯；它能單腿站立，被從側(cè)面襲來(lái)的球撞擊后不會(huì)摔倒……

谷歌研發(fā)的無(wú)人駕駛汽車

谷歌研發(fā)的無(wú)人駕駛汽車?yán)冒惭b在汽車不同部位的攝像機(jī)、測(cè)距傳感器、激光雷達(dá)等設(shè)備以及精確詳細(xì)的導(dǎo)航地圖，依靠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模擬人工智能實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。據(jù)谷歌介紹，已在測(cè)試中的無(wú)人駕駛汽車已自主安全行駛累計(jì)超過(guò)30萬(wàn)英里(約48萬(wàn)公里)。

其實(shí)不只是汽車，在手機(jī)、家用電器、可穿戴設(shè)備上，以及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，越來(lái)越多的距離傳感器成為機(jī)器的“耳目”。即將給人們生活方式帶來(lái)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(xué)家預(yù)言，包括距離傳感器在內(nèi)的各個(gè)傳感器，將像“人體的五官”一樣，在未來(lái)充滿各個(gè)領(lǐng)域和空間。