在多種接近和距離感測器技術選擇中進行分類

在無實際接觸的情況下，使用接近感測器和距離感測器偵測物品是否存在及其所在位置，對於控制物料搬運、農業機械、製造與組裝作業，以及食品、飲料和藥品包裝等工業製程相當重要。

這些感測器採用許多技術，包括光電、雷射、電感式、電容、磁性和超音波。在為特定應用制定最佳方案時，需要考慮到範圍、尺寸、準確度、靈敏度、解析度和成本等因素。

對許多應用來說，待偵測物體的材料就是一大關鍵因素。有些感測器在硬質和纖維表面上的行為表現會有所不同，而其他感測器則可能會受到物體的顏色或反射率的影響。

本文將探討一般常見的非接觸性接近感測器技術，探討這些技術的運作方式、基本效能特性，以及 SICK 堪稱典範的感測器，最後還會介紹部分預期應用。

光電感測器

光電感測器 (如 SICK 的 W10 光電接近感測器) 的使用及安裝方式相當簡便，而且具備適用於許多應用的多種功能。W10 感測器較為堅固，而正是因為這一設計，令其非常適合在嚴苛環境中進行精確的物體偵測。內建的觸控螢幕可加快參數設定和感測器部署的速度 (圖 1)。

圖 1：這些光電感測器上的觸控螢幕可以加快試運轉和部署的速度。(圖片來源：SICK)

設計人員能使用現有的教導式設定功能，根據特定的應用要求來調整這些感測器。此外，由於單一感測器便已具備速度設定、標準和精密測量模式，以及前景和背景抑制等整合式功能，這代表只需一個感測器就可用於各種應用中。感測器系列包括四種型號，各自的操作距離和安裝選項各不相同。

背景抑制

含背景抑制 (BGS) 的光電接近感測器，在傳送元件和接收元件之間會使用三角測量法。若物體在設定的感測範圍後面，則發自此物體的訊號將受到抑制。此外，SICK 的 BGS 技術可以忽略背景中的高反射性物體，並且還可以處理艱難的環境光條件。

當目標物體和背景 (如輸送帶) 具有相似反射率，或假如背景反射率是可變，並可能對偵測造成干擾時，背景抑制就尤其有用。

前景抑制

含前景抑制 (FGS) 的光電接近感測器，可以偵測到在指定距離內的物體。所有位於感測器和感測距離 (設定至背景中) 之間的物體，全都會被偵測到。為確保獲得可靠的感測效果，背景必須相對明亮，而且不應變更高度。

當物體位於反射表面 (如白色或淺色輸送帶) 時，前景抑制可以改善偵測效果。此感測器是在沒有輸送帶反射的光線下偵測到物體，而不是因偵測到物體反射的光線。

逆反射

在逆反射感測器中，發射光會撞擊反射器，而反射光則會由感測器進行評估。使用偏振濾光器可以將錯誤減至最少。透明的伸縮薄膜和塑膠包裝材料會干擾這些感測器，而降低感測器靈敏度將有助於克服這些困難。此外，以雷射替換標準的 IR 光發射器，可以擴大感測範圍以及提高解析度。

使用低於正常值的切換磁滯，可以提升逆反射感測器的效能。在這些設計中，就連感測器和反射器之間極微的光線衰減 (例如由玻璃瓶引起)，也可以可靠地偵測到。SICK 還提供一種稱為 AutoAdapt 的監控系統。該系統可持續調節及適應切換閾值，以對逐漸積累的污染可能導致感測系統故障的狀況進行回應。

透射式

與逆反射感測器不同的是，透射式感測器要使用到兩個主動元件：傳送器和接收器。透射式感測功能可擴大感測範圍。以雷射二極體取代 IR 發射器，可進一步增加感測距離，同時保持高解析度和精確感測。

光纖

光纖感測器是一種變化型的透射式設計。在光纖光電感測器中，傳送器和接收器封裝在同一外殼內，不過，傳送器和接收器各自使用獨立的光纖纜線。這些感測器特別適合在高溫應用以及危險且惡劣的環境中使用。

光電感測器陣列

RAY26 Reflex Array 系列的光電感測器 (如型號 1221950) 能可靠地偵測到扁平物體，並快速地進行試運轉。在與反射器結合使用時，光電感測器還可偵測小至 3 mm 的扁平透明或不平坦的小物體。在 55 mm 高的均勻光線陣列內，感測器會偵測到物體的前緣。這表示無需複雜的切換，亦能可靠地偵測到穿孔物體 (圖 4)。

圖 2：光電感測器陣列可以在 55 mm 高的區域內偵測到小至 3 mm 的物體。(圖片來源：SICK)

雷射距離感測器

設計人員若要設計儲存容器內的液位監測、輸送帶上物體位置的偵測、自動化堆高機系統軸的 XY 位置、倉庫與高架輸送機中起重機的垂直定位，以及繞線期間監控直徑等多種應用，則可以轉用 DT50 雷射距離感測器。這些感測器使用反射的雷射光，來支援長達數公尺的飛行時間 (ToF) 距離測量，藉此消除受到的環境光影響以及提供精確可靠的操作。

例如，DT50-2B215252 的範圍為 200 至 30,000 mm，且具備以下特殊功能：

• 外殼等級為 IP65 和 IP67 的耐用外罩
• 每秒可以提供多達 3,000 個距離測量
• 0.83 ms 的最小回應時間
• 小巧的外罩可支援各種應用，範圍涵蓋從工業機器人到測量儲存容器的填充高度

使用統計資料進行高解析度測量

高解析度距離測量強化版 (HDDM+) 是一種高解析度 ToF 測量技術，可用於雷射距離感測器和光達 (LiDAR) 感測器。與單脈衝或相位關聯感測技術相比，HDDM+ 是一種統計測量流程。

感測器軟體會按照統計資料評估多個雷射脈衝的回波，以過濾掉來自玻璃窗格、霧、雨、灰塵、雪花、樹葉、柵欄和其他物體等多種來源的干擾，進而計算與預期目標的距離。即使在艱難的環境條件下，由此得出的距離測量值也能有很高的確定性 (圖 5)。

圖 3：SICK 的 HDDM+ 軟體使用統計評估流程來消除玻璃窗格、霧、雨、灰塵、雪片、樹葉和柵欄等物品的「雜訊」。(圖片來源：SICK)

HDDM+ 技術的典型應用包括，電子產品生產中用於品質控制的距離測量、機械和工廠工程中的光達多維度物體偵測和位置判定，以及工業起重機或車輛位置判定。

HDDM+ 感測器在逆反射膠帶上的感應範圍可達 1.5 km。例如，DT1000-S11101 型號的範圍長達 460 m，自然界物體的典型測量準確度為 ±15 mm，而解析度可在 0.001 至 100 mm 的範圍內調整。

電感式

類似 SICK 的 IME 系列的電感式接近感測器，可以偵測到鐵質和非鐵質金屬物體。這些感測器由電感電容 (LC) 諧振電路組成，可產生高頻交流電磁場。當金屬物體進入偵測範圍內時，此磁場會受到抑制。此種抑制效應會由訊號評估電路和一個會產生輸出訊號的放大器偵測到 (圖 4)。

圖 4：基本的電感式接近感測器由可以產生交流磁場的 LC 電路、訊號評估器和放大器所組成。(圖片來源：SICK)

幾種接近感測器技術的感測距離有兩個重要規格：標稱傳感距離 (Sn) 和安全感測距離 (Sa)。Sn 不考慮製造容差或工作溫度等外部影響；Sa 則要考慮製造容差和工作條件的差異。Sa 通常約為 Sn 值的 81%。例如，對於 IME08-02BPSZT0S 型號的電感式感測器，Sn 是 2 mm 且 Sa 是 1.62 mm。

電容式感測

如同電感式感測器一樣，電容式接近感測器也使用振盪器。在這種情況下，如果感測器中的主動電極產生相對於地面的靜電場，則會使用開路電容。這些感測器可以偵測到各種材料的存在，包括金屬和非金屬物體。

當物體進入靜電場時，諧振電路中的諧振振幅會基於材料的介電屬性而發生變化。訊號評估器會偵測到變化，而放大器則產生輸出訊號 (圖 5)。

圖 5：在電容式接近感測器中，振盪電路會產生靜電場，而當待感測標的物進入靜電場時，此靜電場會改變特性。(圖片來源：SICK)

與電感式接近感測器一樣，電容式接近感測器也有多種與感測距離相關的規格，包括 Sn、Sa 和縮減因數。例如，CM12-08EBP-KC1 型號的 Sn 為 8 mm，而標稱 Sa 為 5.76 mm。

待感測物體必須至少與感測器表面一樣大，且感測距離會隨材料的縮減因數而變化。縮減因數與材料的介電常數有關，最大可達金屬和水的 1，也可小至聚氯乙烯 (PVC) 的 0.4、玻璃的 0.6、陶瓷的 0.5。

磁性

磁性接近感測器會對磁鐵的存在作出回應。SICK 的磁性接近感測器使用兩種偵測技術：

• 巨磁阻 (GMR) 感測器所採用的電阻，會在存在磁場時改變其值。惠司同電橋可用於偵測電阻的變化，並產生輸出訊號。與用來搭配 T 形槽氣壓缸使用的 MZT7-03VPS-KP0 一樣，MZT7 氣壓缸感測器可以使用 GMR 技術，來偵測活塞在氣動驅動器和類似應用中的位置。
• LC 技術會採用諧振電路，以較小的振幅諧振。如果外部磁場接近，則諧振振幅會增加。訊號評估板會偵測到振幅的增加，而放大器則產生輸出訊號 (圖 6)。MM08-60APO-ZUA 的 Sn 為 60 mm，Sa 為 48.6 mm。

圖 6：在磁性接近感測器中，磁場探針可以使用 GMR 或 LC 技術。(圖片來源：SICK)

超音波感測器

對於最遠達 8 m 的物體，設計人員可以轉用超音波感測器，如 SICK 的 UM30 系列。這些感測器整合溫度補償以提高測量準確度，並提供不受顏色影響的物體偵測功能、防塵能力，且操作溫度可達 70°C。這些感測器根據飛時測距技術來測量距離，而距離則等於聲波速度乘以聲波總飛行時間 (t₂) 後所得的總數除以 2 (圖 6)。

圖 7：超音波感測器可以根據聲波的總飛行時間 (t₂) 測量距離。(圖片來源：SICK)

UM30-212111 型號等超音波感測器，非常適合用於空袋監控等應用中。內部溫度監視器可以產生 ±1% 的測量準確度。即使在有泥土和灰塵的情況下，這些不受顏色影響的感測器也能偵測到難以辨別的物體。

結論

目前幸好還有各種接近和距離感測器的技術可供我們選用。這表示對於每種應用要求，都會有一種解決方案。目前面臨的挑戰是：如何分類各種選擇，並根據實際應用和工作條件，找到偵測特定材料的最佳解決方案。