隨著消費者和工業系統變得更智能，更具互動性和更自主，他們需要能夠感知對象，用戶或路人的存在。雖然基本存在感應技術和技術已經建立，但設計人員面臨著更加準確，高效，經濟高效且可靠地執行存在感測的壓力。

要求此類改進的典型應用包括機械和制造，分別需要檢測齒輪齒或瓶子的地方。在機器人技術中，需要檢測附近物體或人的存在，以便機器人可以避開它們或停止移動，而在智能設備和信息亭中，系統需要能夠檢測并響應用戶交互。

此功能將介紹一些主要的存在感應技術選擇標準，以便在引入合適的設備以及如何使用它們之前考慮各種應用。

存在感應設計要求和技術

存在感應系統的性能取決于真實的，特定應用的問題，如室內和室外設置;目標對象大小，材料和一致性;局勢的限制和一致性;功率要求和可用功率;和包裝/放置要求，引用一些因素。

此外，許多存在感應器處于物理環境中，在這些環境中，它們既暴露于惡劣的環境，也暴露于人為的非故意（甚至是故意的）濫用撞擊它們的物體（例如汽車放牧墻壁），物理安裝和堅固性是需要考慮的問題。

設計師還需要考慮他們的傳感器技術組合。使用單個傳感器以100％的準確度檢測到有人走過私人車道是一項挑戰。如果布置過于敏感，可能會因動物或風吹的葉子而發出誤報。另一方面，如果安排不夠靈敏，可能會錯過小孩的存在。

因此，選擇的方法和選擇的傳感器都需要仔細評估，甚至可能需要冗余，獨立，交替的傳感方法，在“未命中”和誤報方面具有更高的準確度。

存在感應的三種廣泛使用的方法使用光學，超聲波和電感接近原理。還有其他選擇，如雷達，但這有一些復雜的RF設計問題以及監管和可能的許可問題。另一種選擇是基于視頻的方法，需要復雜的信號處理和算法開發，因此它通常不是許多存在感應應用所需的低成本可靠性和耐用性的最佳候選者。

另一個因素是理解的是傳感信號的波束寬度。根據技術，這可以是窄的，緊的梁或更寬，更寬的梁，并且應用定義哪一個是優選的。例如，需要一根窄梁來感知生產線輸送機軌道上的各個瓶子，而更廣泛的一個是檢測走向售貨亭的人的更好選擇。

選擇存在感應解決方案時的眾多設計考慮因素包括：

傳感器到感應物體的距離

光束寬度

干擾（傳感器與感應物體之間的物理障礙）

整體感應情況與被感知者或物體的一致性

對假陽性指示和假陰性指示的關注

環境設置（室內，室外;白天和夜晚（室外環境）;化學品和油類，

物理濫用（故意或意外）

傳感器電子設備的位置選項傳感器傳感器

電源要求

長期可靠性

BOM成本和安裝成本

使用多個傳感器實現精度和可靠性

應用程序安裝不僅限于使用單個傳感器甚至單一傳感技術。雖然成本較高，但安裝兩個或多個m并不罕見礦石傳感器，通常采用不同的技術來提供更可靠的存在指示。

使用多個傳感器的選項，無論是相同還是不同類型，都意味著設計人員必須解決有關系統優先級的問題。如果主要關注的是確保沒有錯過真正的目標，那么一種解決方案是并行使用傳感器（邏輯OR函數）來重疊覆蓋。這樣，來自任何一個傳感器的正指示都可以指示目標的存在。

或者，更重要的是確保沒有檢測到對象的情況，即使實際上沒有檢測到對象（假陽性）？在這種情況下，多個傳感器可以串聯使用，以實現AND邏輯功能的“一致”投票方法。

OR和AND功能都可以通過硬連線輸出來實現兼容。然而，基于軟件的方法在組合不同類型的傳感器輸出時更靈活，并且可以使用不同的算法來過濾各個傳感器信號。軟件的使用還允許加權一系列順序傳感器讀數，甚至它們在AND和OR運算中的組合，以最佳地最小化假陰性和陽性。它還可以靈活地修改基于邏輯的決策過程，并在需要時添加條件決策。

從光學傳感開始

使用聚焦光或激光束，通常在紅外（IR）光譜是確定存在的明顯方法。典型的傳感器包括發射器和接收器，它們可以在感興趣的區域上相對安裝，或者它們可以與遠端的鏡子或后向反射器共同定位。使用共址簡化了安裝和布線，但也意味著光路長度加倍，這降低了接收信號功率并增加了信噪比（SNR）。

發出的光信號是通常是脈沖式的，以區別于干擾，以及附近的照明，反射，干擾和其他光學噪聲源。光束也是緊密聚焦的，因此其軸外光束寬度受到限制。

光學檢測可在戶外使用，但往往存在與陽光引起的過載有關的問題以及對寬動態范圍的需求因為它必須涵蓋黑暗和日光情況。

總的來說，光學傳感器在受控和受限設置中是一種可靠的方法。它可以探測到幾毫米大小的目標，并可以感知幾十米范圍內的小物體。但是，灰塵，霧氣，蒸汽和附近的反射會阻止感應或導致錯誤指示，而像臟鏡（如果使用的話）這樣簡單的東西會導致反射信號功率降至最低閾值以下。

與幾乎所有其他存在探測器相比，光學系統現在具有獨特的優勢：通過使用光纖，它們的電子器件可以位于距發射器和接收器的光學窗口的暴露位置相當遠的位置。一對光纖用于將LED/激光傳送到發光部位，并將接收到的光傳送到接收器光電晶體管。只有相對粗糙的纖維暴露在惡劣的環境中才會暴露在極端溫度，油污，污垢和濫用的環境中。此外，還可以為光纖提供額外的保護，而不是電子設備。

使用光學傳感的一個很好的例子是Panasonic FX-500系列（圖1）。

圖1：松下FX-500光學傳感器的控制單元及其相對敏感的電子元件，可以放置在距離暴露端數米的位置更堅固的發射器和接收器光纖。 （圖像來源：Panasonic工業設備公司）

該傳感器將所有電路放置在一個單元中，該單元還包括用于設置模式，輸出強度，閾值設置和測試功能的上部按鈕（圖2）。該裝置可以方便地位于距離使用點數十米的位置。

圖2：FX-500的便利控制單元還包含用戶操作的按鈕，用于設置，閾值設置和測試。 （圖像來源：Panasonic工業設備公司）

一對直徑僅為2毫米（mm）的光纖傳輸發射和接收的光信號。纖維帶有螺紋襯套，可輕松牢固地連接到面板或表面（圖3）。由于它們具有25毫米的緊密彎曲半徑，因此可以輕松地繞過或穿過電子設備之間的障礙物以及暴露的光纖末端的位置。

圖3：FX-500的傳感端由兩根薄的光纖組成，這些光纖安裝在堅固的襯套中，以最大限度地減少物理暴露。左側細而水平的紅線是設備紅外光束的“可視化”。 （圖像來源：Panasonic工業設備公司）

基于超聲波的存在感應

與光束一樣，超聲波能量的使用是另一種經過時間考驗的存在感應技術。原理很簡單：壓電傳感器是脈沖的，然后它“監聽”來自感興趣對象的回波。必須檢測的回波功率是發射輸出，距離和回聲物體的性質的函數（例如，汽車與外套中的人）。

超聲波感應具有實用范圍高達數米，光束寬度相對較寬。它最適合具有相對較大橫截面的較大目標，這些目標在受控的室內應用中運行，因為任何風都會影響兩個方向上的信號路徑，從而影響性能的一致性。溫度的變化也會影響超聲波能量的傳播。

SICK AG的UM18-218超聲波傳感器代表了一種可用于良性和惡劣環境的裝置（圖4）。傳感器安裝在螺紋襯套（直徑18毫米）中，防護等級為IP67，因此可防塵，并能承受15厘米至1米（m）的水浸30分鐘。它采用10至20伏直流電源供電，功耗低于1.2瓦（W），工作頻率為200千赫（kHz），響應時間為80毫秒。它的輸出是一個易于接口的集電極開路PNP晶體管，具有200毫安（mA）的負載能力。

圖4：SICK UM18-218 200 kHz超聲波換能器采用堅固的襯套，符合IP67防塵和防水要求。 （圖像來源：SICK AG）

UM18-218的光束寬度顯示在其檢測范圍圖中（圖5）。對于設計人員，這定義了檢測寬度與距離（左軸，最大1.5米）的性能包絡，用于檢測（操作）和到達（最大）。

圖5：定義兩種基本目標類型的SICK UM18-218檢測區域包絡與距離的圖表是評估的關鍵工具在最佳條件下，這種傳感器類型和型號的可行性。 （圖片來源：SICK AG）

請注意，這些范圍是目標細節的函數;在圖中，目標是與梁成直角的500 mm方形板（具有大橫截面的有利目標），以及直徑為27 mm的管（遠遠不太明顯的目標）。

《 p》目標類型不僅限制了距離，還限制了區域的形狀，因此每個目標類型的運行評估測試結果會有所不同。

電感式接近感應：鐵質物體的選項

第三種選擇是電感式接近傳感器，當黑色金屬物體靠近傳感線圈時觸發。電感式接近傳感器特別適用于近距離檢測小型鐵質物體，如齒輪齒，鍵盤按鈕和風扇葉片;它還可以在更遠的距離使用，以檢測更大的物體，如汽車。作為非接觸式磁性傳感器，它可靠且不受污垢，油，濕氣，光線或其他干擾污染物的影響，并且可以安裝在堅固的非金屬外殼中。

在可用于感應線圈的IC的可用性之前，這類傳感器的設計是復雜的并且需要許多分立元件?，F在，德州儀器（TI）的LDC0851等IC（圖6）大大緩解了構建具有一致性能的這種存在傳感器的挑戰。

圖6：Texas Instruments LDC0851電感式接近傳感器管理參考線圈和傳感線圈;當鐵質材料破壞傳感區時，傳感線圈的電感會發生變化，從而改變其相關L-C振蕩器的頻率。 （圖像來源：德州儀器公司）

該IC是一個電感“比較器”，它使用兩個用戶提供的線圈。一個線圈用作傳感線圈，另一個線圈用作參考線圈。在操作中，傳感技術利用了開放場線圈的實際電感將受到附近含鐵物體影響的事實。請注意，這不適用于沒有外部磁場的屏蔽線圈或環形線圈。如果線圈是LC諧振振蕩器的一部分，振蕩器的自由運行頻率將是電感的函數。

在工作時，當感應電感低于電感時，LDC0851的輸出為低電平。參考電感（通過其標稱200 kHz振蕩的變化測量）并在參考電感高于感應電感時返回高電平。為了消除由于系統振動引起的輸出抖動，IC在參考線圈閾值附近包含用戶可調節的滯后。

感測和參考線圈對于成功實現此IC至關重要，因為它們有助于在溫度范圍內保持一致的切換距離并補償其他環境因素。線圈可以是外部分立無源器件，也可以作為印刷電路板的一部分制造。后者降低了成本，但可能會增加印刷電路板的尺寸;對于許多低成本應用，這是一個可接受的權衡。

理想情況下，兩個線圈應該是相同的，但是相對于彼此的放置問題，方向和其他因素可能需要對一個或兩個線圈進行微調以獲得最佳和一致的性能。在某些設計中，印刷電路板的尺寸限制要求將線圈放在彼此的頂部，而在其他情況下，它們并排放置。

為了獲得堆疊線圈的最佳感應范圍，間距在多層印刷電路板上，傳感線圈和參考線圈之間應盡可能大（圖7）。對于該IC，被感測的目標應位于距參考線圈直徑小于40％的距離處。

圖7： LDC0851的傳感線圈是可靠操作的關鍵，可以作為印刷電路板布局的一部分制造;它們可以并排放置，或者如圖所示以其轉彎方向堆疊。 （圖片來源：德州儀器公司）

請注意，電感式接近傳感器是磁力計的一種變體，磁力計是一種感應地球磁場變化的無源設備。磁力計非常適合距離達數米的較大的鐵質物體，例如車輛。然而，接近傳感器也可以用于更大的線圈尺寸和校準。

結論

感知人或物體的存在 - 小或大，黑色或有色金屬 - 是許多系統中的常見要求。雖然光學，超聲波和電感方法已得到充分了解，但設計人員仍面臨著以更低成本和更高效率滿足更高精度和可靠性要求的壓力。

供應商正在采取各種解決方案來幫助，但在制作之前他們的決定是，設計師需要考慮諸如操作環境，目標的一致性，附近物體的干擾以及環境條件等問題。該決定可能包括使用相同甚至不同類型的多個傳感器以增加檢測精度，以及采用基于軟件的存在感應方法。