挑選接近感測器技術時的設計考量

目前有多種領先的接近感測器技術；在考量偵測能力、距離或接近能力時，各有相當不同的工作標準與不同的強度。本文將概述四種可行的小型固定式嵌入式系統選項，並說明其基本操作原理，協助工程師依照其設計需求進行挑選。

接近感測器能在不需要實體接觸下，以準確的方式偵測物件是否存在及其距離。此感測器會發射電磁場、光或超音波聲波，會在物件上反射或穿透，然後回傳到感測器。接近感測器相較於傳統極限開關的最明顯優勢在於更加耐用且更耐久，原因在於沒有機械式零件。

審查特定應用的理想接近感測器技術時，成本、範圍、尺寸、重新整理率或延遲，以及材料效應都需納入考量，並且找出對設計最重要的項目。

超音波

誠如其名所示，超音波接近感測器會發出超音波聲音派衝稱為「啁啾聲」，藉此偵測物件是否存在，並可用來計算物體的距離。由發射器與接收器組成，功能是以回聲定位原理為基礎達成 (圖 1)。

圖 1：超音波感測器的運作方式。(圖片來源：Same Sky)

測量啁啾聲從表面反射並回傳所花費的時間長短，感測器就可判定物件的距離，此方法通常稱為飛時測距 (ToF)。發射器與接收器通常彼此相鄰，但即便兩者分隔，回聲定位仍可運作。在某些情況下，發射器與接收器的功能會結合在單一封裝內，此類裝置就是超音波收發器。

超音波感測器是透過聲音而非電磁波運作，因此讀數不會受到物件的顏色及穿透性影響。此外也有不發光的額外優勢，因此非常適合黑暗環境甚至是明亮環境。聲波會隨時間與距離擴散，就像水中漣漪一樣，並且會擴大偵測區域或視域 (FoV)，而這可視為優點或缺點，視應用而定。然而，超音波接近感測器具有良好的準確度、相當高的重新整理率、以及每秒可發射數百次啁啾聲的潛力，因此可提供符合成本效益、多用途且安全的解決方案。

超音波感測器有個根本缺點，就是氣溫變化會影響聲波速度，進而降低測量準確性。然而，只要測量發射器與接收器之間距離的溫度，並加以調整計算方式，就可以因應。其他限制包括不可能在真空中使用超音波感測器，因為沒有空氣可以傳遞聲音。柔軟材質反射聲音的效果也不如硬質表面，因此準確度會受到影響。最後，因為超音波感測器技術的概念與聲納相似，因此無法在水中運作。

光電式

若要偵測物件是否存在，光電感測器是實用的選項。通常是以紅外線為基礎，典型應用包括車庫門感測器或商店中的佔位計數，而且也適合其他多種工業應用。

有多種方法可實作光電感測器 (圖 2)。直通光束法會在物件的一面使用發射器，對面則使用感測器。若光束斷裂，則代表有物件存在。復歸反射實作法會將發射器與偵測器裝在相同位置，並在對面安裝反射器。同樣地，漫射排列法也會將發射器與偵測器裝在相同位置，但相反地，發射光會從偵測到的任何物件上反射。在此配置下，不可能測量距離。

圖 2：光電感測器 - 直通光束、復歸反射與漫射式。(圖片來源：Same Sky)

直通光束或復歸反射式配置的光電感測器非常適合需要延伸感測範圍並達到低延遲的應用。然而，因為要小心安裝且對位，要在繁忙環境中進行系統安裝有所難度。漫射型實作方式較適合用來偵測小型物件，亦可當作移動式偵測器。

光電感測器可用於髒汙環境，通常是工業場域中，而且因為沒有活動零件，因此往往可提供比其他替代方案更長的生命週期。只要鏡片受到保護且保持乾淨，感測器的效能就可維持。雖然可感測絕大多數的物件，但遇到透明與反射性表面或水時則會發生問題。其他限制包括距離計算的準確性，以及偵測特定顏色的物件 (視光源而定)，例如使用 IR 偵測紅色物件。

雷射測距儀

雷射測距 (LRF) 在以往是昂貴的選擇，但近期已經在多種應用中成為更加可行的解決方案。此高功率感測器的運作原理與超音波感測器相同，但採用的是雷射光束而非聲波。

因為光子的行進速度快，因此要準確計算 ToF 並不容易。在此，使用干涉測量法等技術可協助維持準確度，同時降低成本 (圖 3)。雷射測距感測器還有另一個優點，因為採用電磁波束，通常有超遠距 (長達數千英尺) 能力且反應時間相當短。

圖 3：雷射測距感測器採用干涉測量法的實作。(圖片來源：Same Sky)

這些感測器即便有超低延遲與遠距能力，但還是限制。雷射耗電量高，換句話說，不適合電池供電式或可攜式應用，此外在眼睛健康方面也有安全疑慮的考量。還有一點要納入考量，就是 FoV 相當窄，而且跟光電感測器一樣，遇到水或玻璃時運作效果不良。 即便此種技術的價格有所降低，但目前仍算昂貴的選項。

電感式

電感式感測器已經問世多年，正逐漸成為主流選擇。然而，與其他接近感測技術不同的是，採用磁場進行偵測，因此僅對金屬物件有效 (圖 4)。典型應用就是金屬偵測器。

圖 4：電感式感測器的運作方式 (圖片來源：Same Sky)

偵測範圍可能有所不同，是感測器的架設方式而定。短程應用包括計算齒輪轉動，方法是在齒輪齒出現在感測器旁時進行偵測。遠距應用包括車輛計數，方法是將電感式感測器嵌入到路面中，甚至可用來展示感測器可運作的極致距離，也就是偵測太空電漿。電感式感測器同屬接近感測器的一種，通常用在超短程應用，因為運作原理是以偵測電磁場中的差異為基礎，因此可提供極快速的重新整理率。此外搭配含鐵材料時的效果更好，例如鐵與鋼。

電感式感測器在距離超遠的情況下，是符合成本效益的解決方案。然而，其可感測的材料，以及容易受到多種干擾源的影響等限制，都需要納入考量。

結論

在考量接近感測的所有實作難題時，超音波感測器通常是最佳的整體技術 (圖 5)。其優勢在於成本低、可偵測物件是否存在、可準確計算距離，而且使用簡便。

圖 5：四種接近感測器技術的比較 (圖片來源：Same Sky)

如需進一步瞭解 Same Sky 的超音波感測器，敬請造訪：Same Sky 超音波感測器