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科普帖 | 三大常用测距传感器优劣势及应用

2019年03月08日

传感器的存在,让物体可以像人一样有触觉、嗅觉和味觉等感官,因此越来越多的企业为工厂设备安装上互联的传感器,并利用复杂的数据分析加深了解和优化生产。
通常测量某物体(介质)的距离,超声波传感器、毫米波传感器、激光雷达传感器这三种常见的传感器会成为首选:
1、超声波传感器


超声波是一种可以在固体、气体、和液体三种介质之间传播的频率高于20KHz的声波,在工业应用中有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,经反射后由超声波接收器接收脉冲。超声波在空气中的传播速度为C=340m/s,根据计时器记录的时间T秒,计算出发射点距障碍物的距离L,即:L= C×T /2 。

图1 超声波传感器测距方法示意图
超声波传感器常见测距应用
  -工业质量监控、直径和尺寸检测
  -液位检测
  -机器人避障
  -汽车(泊车系统)避障
  -智能家居

超声波传感器测距优劣势

优势:
无任何机械传动部件,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体,稳定性较强。
频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好,能够成为射线而定向传播。
对液体、固体的穿透本领很大,尤其在阳光下不透明的固体。

劣势:
抗干扰能力弱,任何声学噪声都可能干扰传感器的正常输出,两个相同频率的超声波传感器放在一起,会产生声学串扰。同时会受到烟雾、灰尘、雨滴的干扰。
报错率较高,发射角度较大,针对障碍物较多时,反射回来的声波较多,干扰较多。
测量范围有限,测量范围通常在百米以内,不适合超远距离探测。
测量精度低,超声波测距传感器的测量精度通常是厘米级的。
只能检测平面介质,例如声波被58度斜面接收到声音之后,声波无法正常传回接收器
不利于测量高速移动的物体,由于超声波利用声音速度传播,相较于利用光学传感器测量,响应时间比较长。

2、毫米波传感器


毫米波实质上就是电磁波,其内部振荡器会产生一个频率随时间逐渐增加的信号,这个信号遇到障碍物之后,会反弹回来。当电磁波被发射出去后,通过精确测量电磁波来回的时间(设距离为D,时间为T,光速为C),根据D=(C*T)/2,便可得距目标障碍物之间的距离D的数值。

图2 毫米波传感器测距方法示意图
毫米波传感器常见测距应用
  -汽车辅助驾驶
  -智能交通(交通流识别和管理)
  -工业安防
  -无人机定高
  -智能家居

毫米波传感器测距优劣势

优势:
探测距离远,通常都可以在100百米外探测
抗干扰能力强,全天候工作,穿透雾、烟、灰尘的能力强
针对多目标探测有优势

劣势:
探测精度低,好的线性调频不易获得,影响距离分辨率
易受电磁干扰,产生误报
针对细小或者微小的物体测距识别较差
在防空环境中,不可避免的会出现距离模糊和速度模糊

3、激光雷达传感器


激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。以北醒TF02激光雷达距离传感器为例,发出经调制的近红外光,遇物体后反射,传感器通过计算调制红外光的发射、反射后产生的相位差,来换算与被测目标物体之间的距离。

图3 TF02激光雷达传感器测距方法示意图
激光雷达传感器常见测距应用
  -物位计(物料、液体)
  -智能交通
  -室内外无人车
  -机器人
  -工业安防
  -汽车辅助驾驶
  -无人机定高、仿地飞行
  -智能家居

激光雷达传感器测距优劣势

(以北醒激光雷达为例)
优势:
精度高,在测距、识别障碍物方面最为准确,黑夜中也可工作。
内部无任何机械传动部件,寿命较旋转激光雷达高,稳定性较强。
探测距离适中,北醒推出4m-180m等多种选择。
测量方式多样,根据不同测距需求,推出单点测量及面阵测量。
安装便捷,具有体积小、质量轻,功耗小,价格优势非常明显。

劣势:
在雨雪雾霾天,沙尘暴等恶劣天气中开启会影响测距量程(针对沙尘,北醒推出TF02-C除尘版)
量程有限,针对200米以内的目标探测精准
针对黑色高亮物体识别量程有衰减

超声波、毫米波雷达、激光雷达作为三大常用测距传感器,各有利弊。客户需要根据不同场景选型适配的产品,有时甚至需要考虑多种传感器融合,才能满足当下的需求。北醒作为国内专业激光雷达传感器供应商,累积多种复杂场景应用案例,欢迎国内外客户申请测试。
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