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如何设计可靠,准确的存在感应

随着消费和工业系统变得更智能,更具交互性和更自主,他们需要能够感知对象,用户或路过者的存在。尽管基本的在场感知澳门美高梅娱乐城和澳门美高梅娱乐城已经很成熟,但设计人员面临着更精确,高效,经济高效且可靠地执行感知感应的压力。
要求这种改进的典型应用包括需要分别检测轮齿或瓶子的机械和制造。在机器人澳门美高梅娱乐城中,需要检测附近物体或人员的存在,以便机器人能够避开它们或停止移动,并且在智能设备和信息亭中,系统需要能够检测并响应用户交互。
该功能将介绍一些在各种应用中要考虑的主要存在感应澳门美高梅娱乐城选择标准,然后再介绍合适的设备以及如何使用它们进行设计。

存在感应设计要求和澳门美高梅娱乐城

存在感测系统的性能取决于现实世界中的应用特定问题,例如室内与室外设置; 目标对象的大小,材料和一致性; 局势的局限性和一致性; 功率要求和可用功率; 和包装/放置要求,以引用一些因素。
此外,许多存在感应器处于物理环境中,暴露在恶劣的环境中,以及人和物体撞击它们的意外(甚至是故意的)滥用(例如汽车放牧墙壁),因此物理安装和坚固性是问题考虑。
设计师还需要考虑他们的传感器澳门美高梅娱乐城组合。使用单个传感器以100%的精度检测到某人已经穿过私人车道是具有挑战性的。如果布置过于敏感,可能会由于动物或风吹叶片而造成误报。另一方面,如果安排不够敏感,可能会错过小孩的存在。
因此,所选择的方法和选定的传感器都需要进行仔细评估,甚至可能需要冗余,独立的交替传感方法,以提高“未命中”以及误报率的准确性。
三种广泛使用的存在感应方法使用光学,超声波和感应接近原理。还有其他的选择,比如雷达,但是这有一些复杂的射频设计问题,以及监管和可能的许可问题。另一种选择是基于视频的方法,该方法需要复杂的信号处理和算法开发,所以它通常不是低成本可靠性和耐用性的最佳候选,许多存在感测应用需要。
另一个要理解的因素是感应信号的波束宽度。根据澳门美高梅娱乐城的不同,这可能是一个狭窄,紧凑的梁或更广泛,更广泛的应用程序定义哪一个是最好的。例如,需要一条窄梁来感知生产线上的单个瓶子,而较宽的一个则是感知人们走到售货亭的更好选择。
在选择存在感测解决方案时,许多设计考虑因素是:
  • 从传感器到感测物体的距离
  • 光束宽度
  • 干扰(传感器与感测物体之间的物理障碍)
  • 总体感知情况与被感知的人或物体的一致性
  • 关注虚假征兆和假否定迹象
  • 环境设置(室内,室外;白天和夜间(室外);化学品和油,
  • 身体虐待(故意或意外)
  • 传感器电子元件与传感器传感器的位置选项
  • 电源要求
  • 长期可靠性
  • BOM成本和安装成本

使用多个传感器来保证准确性和可靠

应用程序的安装并不局限于只使用一个传感器,甚至只使用一种传感澳门美高梅娱乐城。尽管成本较高,但安装两个或更多传感器并不罕见,通常采用不同的澳门美高梅娱乐城来提供更可靠的存在指示。
使用多个传感器的选项(不论相同或不同类型)意味着设计人员必须解决有关系统优先级的问题。如果主要担心的是确保没有真正的目标被遗漏,那么一种解决方案是并行使用传感器(逻辑或功能)以实现重叠覆盖。这样,来自任何一个传感器的肯定指示都可以表示目标的存在。
或者,确保即使没有实际存在物体(假阳性),也没有发现物体被检测到的情况是否更重要?在这种情况下,多个传感器可以串联使用,实现“一致”投票方式的AND逻辑功能。
OR和AND功能都可以通过硬连线来实现,如果它们兼容的话。然而,基于软件的方法在组合不同类型的传感器输出时更加灵活,并且可以使用不同的算法来过滤单个传感器信号。软件的使用还可以对一系列连续的传感器读数进行加权,甚至可以在AND和OR操作中对其进行组合,以最大程度地减少误报和误报。它还可以灵活地修改基于逻辑的决策流程,并根据需要添加条件决策。

从光学传感开始

通常在红外(IR)光谱中使用聚焦光或激光束是确定存在的明显方法。一个典型的传感器由一个发射器和接收器组成,它们可以跨越感兴趣的区域相对安装,或者它们可以与远端的反射镜或回射器共处一处。使用共址可简化安装和接线,但也意味着光路长度加倍,从而降低接收信号功率并提高信噪比(SNR)。
发射的光信号通常是脉冲式的,以便将其与干扰以及来自附近的照明,反射,干扰和其他光噪声源区分开来。光束也被紧密聚焦,使得其离轴光束宽度受到限制。
光学检测可以在户外使用,但通常存在与阳光诱导的过载有关的问题以及对宽动态范围的需求,因为它必须覆盖黑暗和日光条件。
总体而言,光学传感器在受控和受限设置下是一种可靠的方法。它可以检测到几毫米大小的目标,并且可以感测几十米范围内的小物体。但是,灰尘,雾气,蒸汽和附近的反射会阻止感测或产生错误指示,而像脏镜(如果使用)这样简单的操作会导致反射信号功率下降到最小阈值以下。
与几乎所有其他存在探测器相比,光学系统现在具有独特的优势:通过使用光纤,其电子器件可以位于距发射器和接收器的光学窗口的暴露位置相当大的距离处。一对光纤用于将LED /激光传送到发射位置,并将接收到的光传送到接收器光电晶体管。只有相对坚固的纤维暴露在暴露于极端温度,油污,脏物和恶劣环境的恶劣环境中。另外,光纤更容易为电子设备提供额外的保护。
松下 FX-500系列(图1)是这种光学传感应用的一个很好的例子。
松下的FX-500光学传感器的图像
图1:松下FX-500光学传感器的控制单元及其相对敏感的电子设备可以放置在距离更坚固的发射器和接收器光纤的暴露端数米处。(图片来源:Panasonic Industrial Devices
该传感器将所有电路放置在一个单元中,该单元还包括用于设置模式,输出强度,阈值设置和测试功能的顶部按钮(图2)。该单元可以方便地位于离使用点数十米的地方。
Panasonic FX-500控制单元的图像
图2:FX-500的便利控制单元还包含用户操作的按钮,用于设置,阈值设置和测试。(图片来源:Panasonic Industrial Devices)
一对直径仅为2毫米(mm)的光纤承载发射和接收的光信号。纤维带有螺纹衬套,便于和坚固地连接到面板或表面(图3)。由于其弯曲半径为25毫米,所以光纤可以很容易地绕过或穿过电子元件和暴露光纤端部之间的障碍物。
松下FX-500感应结束的图像
图3:FX-500的感应端由两根装在坚固套管中的细光纤组成,以实现最小的物理曝光。左侧的细线,水平红线是设备IR光束的“可视化”。(图片来源:Panasonic Industrial Devices)

基于超声波的存在感测

与光束一样,超声波能量的使用是存在感测的另一种经过时间考验的澳门美高梅娱乐城。原理非常简单:压电传感器被脉冲化,然后它“侦听”来自感兴趣对象的回波。必须检测到的回波功率是传输输出,距离以及回波物体的性质(例如,汽车与外套中的人)的函数。
超声波传感具有高达几米的实际范围以及相对宽的波束宽度。它最适合于具有较大横截面的较大目标,适用于受控室内应用,因为任何风都会影响双向信号路径,从而影响性能的一致性。温度的变化也会影响超声波能量的传播。
SICK AG的UM18-218超声波传感器代表了一种可用于良性和恶劣环境的设备(图4)。该传感器安装在直径为18 mm的螺纹套管中,并具有IP67防护等级,因此可以防尘,并能够承受15 cm至1 m(30 m)的浸水时间。它运行10至20伏直流电源,在200千赫兹(kHz)下工作,响应时间为80毫秒(毫秒)时耗散功率低于1.2瓦(W)。它的输出是易于连接的集电极开路PNP晶体管,具有200毫安(mA)的负载能力。
SICK UM18-218 200 kHz超声波换能器的图片
图4:SICK UM18-218 200 kHz超声波换能器采用坚固的套管,符合IP67防尘和防水要求。(图片来源:SICK AG)
UM18-218的光束宽度显示在其检测范围图中(图5)。对于设计人员来说,这为检测(操作)和到达(最大)检测宽度与距离(左轴,高达1.5米)的性能范围进行了定义。
探测区域包络与距离的关系图
图5:定义两种基本目标类型的SICK UM18-218的检测区域包络与距离的关系图是评估此传感器类型和模型在最佳条件下的可行性的关键工具。(图片来源:SICK AG)
请注意,这些范围是目标细节的函数; 在图中,目标是与梁(一个有较大截面的有利目标)以及直径27毫米的管道(一个远不太明显的目标)垂直的500毫米正方形板。
目标类型不仅限制了距离,而且还限制了区域的形状,因此运行评估测试结果对于每种目标类型都会有所不同。

感应式接近感应:用于黑色物体的选项

第三种选择是电感式接近传感器,当黑色金属物体靠近传感线圈时触发。电感式接近传感器特别适用于近距离检测小型含铁物体,如齿轮齿,键盘按钮和风扇叶片; 它也可以用于较长的距离来检测较大的物体,如汽车。作为非接触式磁性传感器,它非常可靠,不受灰尘,油,湿气,光线或其他干扰性污染物的影响,并且可以安放在坚固的非金属外壳中。
在可以使用感应线圈的IC之前,这类传感器的设计很复杂,并且需要许多分立元件。构建这种类型的具有一致性能存在传感器的挑战是现在大大由集成电路缓解诸如LDC0851从德州仪器(图6)。
德州仪器LDC0851电感式接近传感器示意图
图6:德州仪器LDC0851电感式接近传感器管理参考线圈和传感线圈; 当含铁材料破坏感测区域时,感测线圈的电感改变,然后改变其相关LC振荡器的频率。(图片来源:德州仪器)
该IC是一个电感“比较器”,使用两个用户提供的线圈。一个线圈用作感应线圈,另一个用作参考线圈。在操作中,传感澳门美高梅娱乐城利用了这样一个事实,即开放磁场线圈的实际电感将受到附近含铁物体的影响。请注意,这不适用于屏蔽或环形线圈,无外部场。如果线圈是LC谐振振荡器的一部分,则振荡器的自由运行频率将是电感的函数。
在工作中,当检测电感下降到参考电感以下(通过其标称200 kHz振荡的变化测量)时,LDC0851的输出会变为低电平,并且当参考电感高于检测电感时会返回高电平。为了消除由于系统振动引起的输出抖动,IC包括围绕参考线圈阈值的用户可调滞后。
感应线圈和参考线圈对于成功实现该IC至关重要,因为它们有助于在整个温度范围内保持一致的开关距离并补偿其他环境因素。线圈可以是外部分立无源器件,或者作为印刷电路板的一部分制造。后者降低成本,但可能会增加印刷电路板尺寸; 对于许多低成本应用来说,这是一个可以接受的折衷方案。
理想情况下,两个线圈应该是相同的,但是相对于彼此,定位和其他因素的放置问题可能需要微调一个或两个线圈以获得最佳和一致的性能。在某些设计中,印制电路板的尺寸限制要求将线圈放置在彼此的顶部,而在其他情况下,它们并排放置。
为了获得层叠线圈的最佳感应范围,感应线圈和参考线圈之间的间距应该在多层印制电路板上尽可能大(图7)。对于该IC,被感测的目标应位于小于参考线圈直径40%的距离处。
德州仪器LDC0851的感应线圈图
图7:LDC0851的感应线圈是可靠操作的关键,可以作为印刷电路板布局的一部分制造; 它们可以并排放置,也可以按照指示堆叠它们的转向。(图片来源:德州仪器)
请注意,电感式接近传感器是磁力计的变体,它是感应地球磁场变化的无源设备。磁力计非常适用于距离达几米的较大的铁质物体,如车辆。但是,接近传感器也可用于较大的线圈尺寸和校准。

结论

感知一个人或物体的存在 - 小或大,有色或无色 - 是许多系统的共同要求。尽管对光学,超声波和电感方法有了很好的理解,但设计人员面临持续不断的压力,需要以更低的成本和更高的效率满足更高的精度和可靠性要求。
供应商正在用各种解决方案提供帮助,但在作出决定之前,设计人员需要考虑诸如操作环境,目标一致性,来自附近物体的干扰以及环境条件等问题。该决定可能包括使用相同甚至不同类型的多个传感器以增加检测精度,以及采用基于软件的存在感测方法。
(责任编辑:ioter)

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