非接触式距离传感器的原理与应用综述

颜鹂娴

摘 要：测量距离的需求早已充斥着人类社会的诸多方面。然而，以使用尺子测量为主的传统方法因为量程小、效率低等不足，无法达到高新技术领域的要求。随着距离传感器的问世，人们测距的能力也有所提高。而其中的非接触式传感器在提高量程、测距效率、使用寿命、测量精度上尤为突出，为我们的生产生活带来了极大的效益。本文介绍了光电式、超声式、霍尔式、电感式磁传感器这几种非接触式传感器的测距原理，并列举了近年来非接触式距离传感器的一些实际应用。对这些应用的分析表明，光电式和超声式传感器凭借其优越的灵活性、适应性等受到广泛使用，而霍尔器件和电感式磁传感器则因量程小，抗干扰差等问题较难以被应用在测距领域。

关键词：传感器；距离；非接触；原理与应用；光电式；超声

中图分类号：TP212.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）23-0050-03

纵观历史，人类测量距离和长度的需求体现在生活的方方面面。早在远古时期，埃及人就已发明了使用绳子来丈量土地的方法。而在我国春秋时期，鲁班创造了带有刻度的长度测量工具，名为“矩”，使用尺子丈量距离的方法由此诞生。随后，为满足不同的距离测量需要，人类又发明了诸如卷尺、卡尺等工具。然而随着时代的发展，如地理绘图、集装箱定位、机器人避障、建筑测绘、水位监控等诸多应用领域对距离测量提出了全新的需求。使用尺子测距的传统方法由于存在量程小、效率低下、工具易磨损等缺陷，已无法胜任此类应用。

随着电子技术和传感技术的发展，基于传感器的距离测量方法应运而生。传感器是一类检测器件或装置的统称，用于感知待测的物理量并将其按一定规律转换成可用的电信号进行输出。用来测量距离的传感器可以分为接触式和非接触式两大类。其中，接触式距离传感器相比传统测距方法而言，效率有较大提升，但同样存在量程较小的问题。例如，一种安装在机器人上的触须式传感器，由微动开关和探针等构成，它能根据探针长度来感知垂直于开关方向的距离[1]。再者，如线性可变差动传感器（LVDT），虽然精度高，在微小物件的厚度测量上有优势，但同样不能测量长距离[2]。除此之外，由于存在零残电压，LVDT在零点附近测量的时候就会遇到灵敏度锐减，分辨力变差，测量误差增大的问题[3]。而非接触式距离传感器相比接触式距离传感器则有灵活性强，量程范围大，使用寿命长的优点。近年来非接触式距离传感器的抗干扰性能迅速提高，使得它们能够更为胜任恶劣环境下的工作任务。

非接触式距离传感器按其工作原理主要可分为光电式、超声式、霍尔式、电感式等类别。本文分别介绍了这几种非接触式距离传感器的工作原理，并对它们的性能与适用的场景进行了比较。在下文中，第一部分逐一介绍了不同工作原理的非接触式距离传感器将待测距离转化为电信号的原理；第二部分列举了非接触式距离传感几种典型应用，并基于这些应用对比讨论了各种传感器的特点；第三部分给出了关于非接触式传感器的总结与展望。

1 非接触式距离传感器原理

1.1 光电传感器

光電传感器一般由发光元件、接收元件、光学元件和检测电路组成，其中，发光元件可以是发光二极管、激光二极管和红外发射二极管。利用光的反射性，当发光元件向被测物体发射光后，接收元件检测到物体所反射的光并将光量变化、接收位置、反光时间等信息以电学量输出。当然，也可以是发光元件持续向接收元件发光，光被物件遮挡引起光量、接收时间等变化，接收元件反馈的电学量信息也就发生改变。

光电传感器测量距离有两种方式，分别是三角式测量和时间式测量。三角式测量：因为在接收元件的前方装有一个受光镜头，所以发光元件发出的光经过透镜后会在接收元件上成像。这一成像的形态会随着物体与发光元件的距离变化而变化，导致接收元件输出的参量也发生变化，见图1。时间式测量：通过获取光的渡越时间，在有已知量光速的基础上加以计算得到距离见图2。根据测量时间的方式又可再细分为脉冲式和相位式。

1.2 超声式传感器

超声式传感器的原理与光电式传感器有相似之处，即以射线定向传播的渡越时间来求距离。越是高频率的声波，绕射现象越小，方向性越好，所以超声波（频率高于20000赫兹的声波）因其穿透能力强、方向性好等特性，可作为射线进行定向传播。

超声能够用于检测几乎所有可反射声波的物质，甚至是部分吸收声波的物质，例如泡沫橡胶。不过被测物是吸收声波的物质时，超声传感器的检测范围会大幅缩小。此外，超声的检测对象的物态可以是固态也可以是气态，因为被测物形状不会影响超声的检测结果。但是被测对象上返回的超声波数量能够决定超声传感器的最大检测距离，而被测对象的尺寸、表面结构以及超声波波束角度则决定了返还声波数。

测量距离时，只有上一个超声波反射脉冲被接受到并延迟一段时间后，下一个超声波脉冲才会发出。故而低频率的超声波用于测量远距离，而高频率的用于测量短距离。如果距离过短，对于使用单换能器的超声测距系统就会因为无法同时收发声波而无法检测。

1.3 霍尔器件

霍尔器件（或霍尔式传感器）运用到的是霍尔效应，由美国物理学家霍尔于1879年发现。当载流子垂直外磁场方向通过半导体时，物件在垂直于电流和磁场的方向上的两侧会产生电势差。这个现象即是霍尔效应。薄片为一个N型半导体，在其左右端通一个控制电流I，此时半导体中的载流子（电子）会逆电流方向运动，见图3。但是，由于有外加磁场的存在，电子受到洛伦兹力FL，发生偏转，积累在后端。而前端感应出正电荷，前后两端形成电场。于是后续流入的载流子同时受到洛伦兹力和电场力。电场力小于洛伦兹力时，后端继续积累电子。当这两个力大小相等达到动态平衡时，半导体前后两端的电场就是霍尔电场EH，其电势差即为霍尔电压UH[4]。

由永久磁铁和特定导体构成的传感器靠近（或远离）被测导体时，特定导体的磁感应强度会变弱（或变强），从而引起特定导体前后两端电势差的变化。根据输出的电量便可计算出距离。endprint

1.4 电感式磁传感器

电感式传感器的核心部件是线圈和永久磁体。它运用了电磁感应原理，即当电磁感应闭合电路中的部分导体切割磁感线时，导体中会产生感应电流。当它靠近铁磁性材料时，永久磁铁的磁力线发生变化，导致线圈中的电流改变。最后，它把感应电流的变化变换成电压输出。但是，随着距离增大，输出信号就会明显减弱。所以这种传感器只能用作接近传感器，适用于短距离，一般是零点几毫米。

2 非接触式距离传感器应用

2.1 尺度测量

非接触式传感器最明显的优势在于测量那些不便于使用传统测量方法或接触式距离传感器进行测量的尺度，如野外环境（山体情况、峡谷深度、等）或是大型物件高度测量，如飞机，亦或是用于矿井深度、建筑高度等的测量。这类场景的距离尺度通常在数十米到数百米之间，多适合使光电式距离传感器，例如采矿工作中需要精确测距，邱飞等人对应用相位式激光测距传感器于该场景中作了研究，并且其测试表明该测距量程可达100m，误差在10mm内，能够满足矿井测距需求[4]。

2.2 障碍物/目标物检测

机器人、飞行器、汽车等，都需要进行障碍物探测，有时也会需要对目标物进行探测。康瑞等人就发明了一种运用了红外线距离传感器的电动自行车道路安全预警装置，为繁忙交通中穿行的自行车骑手增添了一份安全保障[5]。对于残疾人士而言，义肢能够有灵敏的“感官”无疑是极大地便利了他们的日常行动。张燕等人就设计了一套基于激光距离传感器的路况识别系统应用到义肢上，能够高精度地识别多种路况以辅助使用者行动[6]。在种植业上，采摘果实的机器人则需要对果实进行探测，刘兆祥等人研制了一种基于主动三角测距原理的激光距离传感器应用于此类机器人上，实现了对苹果的三维定位并且其測试表明这种传感器在150～800mm近距离探测不受环境影响，最大距离偏差在13mm内[7]。

2.3 实时监控

许多情景是不断变化的，为了根据其变化以作出最合适的调整就需要我们对它实时监控。如果依靠传统方式，就不免显得费时费力了。但只要我们安装相应的非接触式传感器，并设计让它将数据无线传输回来，我们的工作就会轻松很多。譬如，刘超就通过分析水稻生长的环境需求，研究了基于红外测距技术来测量水位的传感器，并通过无线数据传输的方式实现了稻田水位的实时监测[8]。另外，杨习成等人研制了应用激光距离传感器的验潮仪，不仅能够实时监测潮水动态，还克服了海岸盐雾腐蚀的问题[9]。

3 结语

几种非接触式距离传感器各有优劣，目前应用最广泛的是光电式中的红外线和激光以及超声式传感器。而霍尔式和电感式磁传感器检测对象局限于导体材料并且因为磁原理只能检测微小距离，很少用在测距离上。光电式距离传感器之所以大多采用红外线作光源，是因为它成本低廉、易于制取。但是红外线也有精度低、距离近的缺点。激光测距的优势则在于更为精准，但它制作难度较大、成本较高、要求其测距系统保持干净以免影响测量。此外，我们还应注意到激光会对人体造成伤害。超声波距离传感器比较耐污，即是传感器上有尘土，只要没有堵死，就依旧可以工作。这也是倒车雷达多采用超声波的原因之一。不过采用超声波距离传感器的成本还是比较高的，而且其精度较低。霍尔器件和电感式磁传感器相比前几种，则有可测距离近的缺点。

随着技术的发展，激光的成本在不断降低，而超声传感器的精度将会进一步提高。采用激光的光电式距离传感器和超声式传感器将被更为广泛地应用到需要测距的领域。而霍尔器件和电感式磁传感器则几乎是在弥补光电式和超声式存在短距离盲区的不足，甚至很有可能在测距领域上被淘汰。

参考文献

[1]王晓东.机器人测距传感器原理与应用综述[J].传感器世界，1996，（2）：18-26.

[2]Cleav，何瑜.测量距离和位移的各种传感器[J].现代测量与实验室管理，1990，（3）：20-21.

[3]沈申生.差动变压器式位移传感器检测系统研究[J].传感器与微系统，2006，25（3）：41-43.

[4]张志勇，王雪文，翟春雪，贠江妮.现代传感器原理及应用[M].北京电子工业出版社，2014.

[5]邱飞，丁业平，饶家龙.矿用相位式激光测距传感器的应用研究[J].自动化与仪器仪表，2016，（01）：31-32+35.

[6]康瑞，周兴，王灏，等.一种电动自行车道路安全预警装置：，CN204641963U[P].2015.

[7]张燕，许京，陈玲玲，等.基于激光距离传感器的路况识别系统的设计[J].激光与红外，2016，46（3）：265-270.

[8]刘兆祥，刘刚，乔军.应用于苹果采摘机器人的激光距离传感器[J].江苏大学学报（自然科学版），2010，31（4）：373-377.

[9]刘超.基于红外测距技术的稻田水位传感器研究[D].黑龙江八一农垦大学，2016.

[10]杨习成，张永和，刘军.基于激光测距传感技术的验潮仪的研制[J].数字技术与应用，2016，（09）：56-57.endprint