【導讀】現在智能手機已經非常普及了，如果你留心，會發(fā)現在用手機撥打接聽電話過程中，當你的臉靠近屏幕，手機屏幕會自動黑屏，而當你臉離開屏幕一定距離后，屏幕又會自動開啟，同時自動解鎖恢復可操作狀態(tài)。手機里的這個功能主要是為了防止接打電話時，臉部對手機屏幕進行誤操作。而實現這一功能所依賴的一個關鍵零部件就是距離傳感器。
實際上，距離傳感器的應用是非常廣泛的，不單單是手機，大到航空航天，小到工業(yè)生產，乃至人們日常學習生活，都離不開距離傳感器。
接下來，我們深入了解一下這種和我們日常生活息息相關的傳感器。
距離傳感器
相關概念
距離傳感器
距離傳感器泛指一切可以測量距離的傳感器。具體指：
1、利用飛行時間（flying time）原理測量距離的傳感器；
2、可以針對距離變化產生信號的傳感器。
距離傳感器可通過發(fā)射能量波束并被被測物體反射，計算波束發(fā)射到被物體反射回來的時間，來計算與物體之間的距離。
常用的能量波束有：
超聲波，激光，紅外光、雷達等。這種傳感器的測量精度很高，可以精確測量距離。
而針對距離變化產生信號的傳感器原理和形式非常繁多，這類傳感器并不要求對距離做出定量檢測，只需判斷在設定的距離范圍內是否有物體出現，例如文章開頭提到的手機距離傳感器。
手機距離傳感器
飛行時間（flying time）原理：
能量源發(fā)出能量波束，當這些波遇到物體時會很快的被反射回來 通過這種反射可以計算出障礙物或者目標的位置 ，這種測量方法叫做飛行時間法。
飛行時間測量法原理
距離傳感器
種類及特點
目前距離傳感器根據其發(fā)射的能量波束的不同，通常分為超聲波測距傳感器、激光測距傳感器、紅外線測距傳感器、24GHZ雷達傳感器幾種。
超聲波測距傳感器
超聲波傳感器
超聲波測距傳感器即用超聲波作為能量源測量距離的傳感器，其使用比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人研制上也得到了廣泛的應用。
超聲波測距的原理
超聲波是一種振動頻 率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。
超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。
因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波測距傳感器。
超聲波傳感器原理圖
超聲波測距傳感器的優(yōu)點
1、超聲波對色彩和光照度不敏感。可用于識別透明漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)。
2、超聲波對外界光線和電磁場不敏感。可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中。
3、超聲波傳感器結構簡單、體積小、費用低、技術難度小、信息處理簡單可靠、易于小型化和集成化。
激光測距傳感器
激光傳感器
激光測距傳感器是以激光器作為光源進行測距。根據激光工作的方式分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。紅寶石、釹玻璃等固體激光器，用于脈沖式激光測距；氦氖、氬離子、氪鎘等氣體激光器工作于連續(xù)輸出狀態(tài)，用于相位式激光測距。
激光測距儀由于激光的單色性好、方向性強等特點，加上電子線路半導體化集成化，與光電測距儀相比，不僅可以日夜作業(yè)、而且能提高測距精度，顯著減少重量和功耗，使測量到人造地球衛(wèi)星、月球等遠目標的距離變成現實。
航天測距
激光測距傳感器原理
傳輸時間激光傳感器工作時，先由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統接收后成像到雪崩光電二極管上。
雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經歷的時間，即可測定目標距離。
激光傳感器原理圖
如果光以速度c在空氣中傳播在A、B兩點間往返一次所需時間為t，則A、B兩點間距離D可用下列表示。
D=ct/2
式中：
D——測站點A、B兩點間距離；
c——速度；
t——光往返A、B一次所需的時間。
由上式可知，通過測量光傳播的時間t就可以測量A、B距離。
激光測距傳感器的優(yōu)點
測量范圍廣，響應速度快；
遠距離測量無需反光板；
測量精度高量程大；
905納米安全激光對人眼無傷害；
體積小安裝調試方便；
在線式連續(xù)測量達到無人值守連續(xù)監(jiān)測。
紅外線測距傳感器
紅外線傳感器
紅外測距傳感是用紅外線為介質的測量系統，按探測機理可分成為光子探測器和熱探測器。紅外傳感技術已經在現代科技、國防和工農業(yè)等領域獲得了廣泛的應用。
紅外線測距原理
紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，利用的紅外測距傳感器LDM301發(fā)射出一束紅外光，在照射到物體后形成一個反射的過程，反射到傳感器后接收信號，然后利用CCD圖像處理接收發(fā)射與接收的時間差的數據。
經信號處理器處理后計算出物體的距離。這不僅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。紅外線測距測量距離遠，具有很高的頻率響應，適合于惡劣的工業(yè)環(huán)境中。
紅外線測距傳感器的優(yōu)點
1、遠距離測量，在無反光板和反射率低的情況下能測量較遠的距離；
2、有同步輸入端，可多個傳感器同步測量；
3、測量范圍廣，響應時間短；
4、外形設計緊湊，易于安裝，便于操作；
24GHZ雷達測距傳感器
微波雷達傳感器
24GHz雷達傳感器是一種可以將微波回波信號轉換為一種電信號的裝換裝置，是雷達測速儀，水位計，汽車ACC輔助巡航系統，自動門感應器等的核心芯片。
通過發(fā)射與接收頻率為24.125GHz左右的微波來感應物體的存在，運動速度，靜止距離，物體所處角度等，采用平面微帶天線技術，具有體積小.集成化程度高.感應靈敏等特點。
24GHZ雷達測距傳感器原理
1、CW多普勒雷達傳感器
將24GHz選為發(fā)射頻率，利用發(fā)送與接收信號的頻率差，通過公式計算出物體運動的速度。經過參考信號與回波信號的混頻，雙通道傳感器輸出兩個頻率幅度相同，相位差為90°的中頻信號IF1和IF2,根據90°相位引導的信號類型，可識別物體的運動方向（遠離或靠近）
2、FMCW 雷達傳感器
如果要測量一個參數，如靜態(tài)物體到傳感器的距離，那么選用線性升坡或降坡作為發(fā)射頻率的時間相關函數就足夠了，并定期重復這些坡，以期得到可能的平均值。根據延遲效應的計算公式可以得到物體的距離。
雷達測距傳感器優(yōu)點
1、測距原理簡單，制作方便，成本低；
2、對雨、雪、霧等傳透力強，衰減小。
距離傳感器自投放使用以來，越來越多在社會各個應用方面得以普及，從防盜安防產品到工業(yè)物位料位檢測，對射/反射產量計數，水位檢測，交通流量，汽車車長測量，高速公路汽車防追尾預警，霧天車輛防撞，人體移動、機場空中飛鳥探測驅趕，智能化控制、醫(yī)療，水文流速/水位、生命特怔探測 自動門控制器，長檢測距離控制，燈光控制開關、糧食水分儀傳感器、混凝土濕度測量傳感器、治安探測器等。
由于距離傳感器的應用范圍非常廣泛，以下僅列舉幾例典型的距離傳感器應用。
紅外距離傳感器技術在監(jiān)控攝像機應用
可以實現各種檢測功能，如入侵檢測，通過視頻分析還可以實現無數的其他應用程序，如無人看管的行李，違規(guī)停車，機動巡邏對象，圍欄攀爬，交行，走錯了方向。有些系統允許多個應用程序同時使用單一監(jiān)視攝像機的輸入。
此外，入侵檢測系統的可靠性發(fā)揮重要的作用。紅外傳感器，能實現基本的入侵檢測，視頻分析可以提供即時反饋系統狀態(tài)，并打開篡改檢測，輕松搞定房屋丈量與房屋驗收。
房屋丈量一直是房管部門既關心又費心的工作，房屋勘丈面積圖是直接作為產權證的附圖，具有法律效力。直接關系到老百姓的經濟利益，所以房屋丈量誤差的控制尤為顯得重要。
房屋丈量驗收
利用皮尺或鋼卷尺進行建筑面積的丈量，雖然也可以滿足基本要求，然而在長距離測量，測層高，不易到達地的測量上存在較大誤差，而且存在勞動強度大工作繁雜等缺點，因此像激光測距儀等儀器就變得必不可少。
激光測距儀使用簡便，測量數據精確（1.5毫米精度），工作效率提高（可非接觸測量），完全拋棄了一根皮尺（或鋼卷尺）丈量房屋的方法，減少勘丈誤差，保證了面積量算精度，量算結果使業(yè)主更加信服。
全面用于汽車主動安全系統
統計表明，70%～90%的交通事故是由于駕駛員操作失誤造成的。在美國、日本等國家，消費者選購汽車的著眼點已把駕駛汽車的安全程度放在第一位。
如果拋開駕駛的熟練程度和駕駛經驗外，最有效的降低事故的方法就是讓車具有碰撞報警或主動避撞功能。
隨著人們對交通安全的不斷重視，推動了汽車前向碰撞報警系統、前向主動避撞系統、自適應巡航控制系統等先進車輛主動安全技術的飛速發(fā)展。
汽車主動安全系統
上述系統的共同點是通過車用測距雷達測量主車與目標車之間的距離、相對速度以及相對方位角等信息，并將其傳送給系統的控制單元。車用測距雷達俗稱車用雷達，是實現汽車主動安全技術的關鍵技術之一，是當前智能交通、信號處理以及傳感器工業(yè)的研究熱點
交通測速
美軍阿特拉斯人形機器人腦袋裝激光測距儀
由波士頓動力公司為美軍研制的世界最先進人形機器人“阿特拉斯”日前亮相，這一機器人將來或許能像人一樣在危險環(huán)境下進行救援工作。
“阿特拉斯”身高1.9米，體重150千克，由頭部、軀干和四肢組成，像人類一樣用雙腿直立行走，令人聯想起科幻電影中的“終結者”。它的腦袋包括立體照相機和一個激光測距儀。它的“雙眼”是兩個立體感應器，有兩只靈巧的手，還能在實時遙控下穿越比較復雜的地形。它動力來至設置在一個場外的電源上。
波士頓動力公司發(fā)布在網上的最新視頻展示了“阿特拉斯”的能力。比如，它在傳送帶上大步前進時，能躲開傳送帶上突然出現的木板；它從高處跳下時能穩(wěn)穩(wěn)落地，還能兩腿分開從陷阱兩邊走過，然后跑上樓梯；它能單腿站立，被從側面襲來的球撞擊后不會摔倒……
谷歌研發(fā)的無人駕駛汽車
谷歌研發(fā)的無人駕駛汽車利用安裝在汽車不同部位的攝像機、測距傳感器、激光雷達等設備以及精確詳細的導航地圖，依靠計算機系統模擬人工智能實現無人駕駛。據谷歌介紹，已在測試中的無人駕駛汽車已自主安全行駛累計超過30萬英里(約48萬公里)。
其實不只是汽車，在手機、家用電器、可穿戴設備上，以及工業(yè)自動化領域，越來越多的距離傳感器成為機器的“耳目”。即將給人們生活方式帶來更大變化的物聯網，其最核心的基礎技術也是各種傳感器。
有科學家預言，包括距離傳感器在內的各個傳感器，將像“人體的五官”一樣，在未來充滿各個領域和空間。
本文來源于傳感器技術。
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