到底什么是感应距离传感器

在电气和机械的恶劣环境中，对附近物体的线性或旋转位置的非接触式传感是一种常见的系统要求。目前有几种方法可以满足这一目标，包括基于霍尔效应的传感器，磁约束效应和磁耦合。

本文介绍一种广泛的解决方案——感应距离传感，它可以在不与目标物理接触的前提下检测接近传感器的金属目标。它具有高效，准确，坚固等特点。现代电子技术极大地简化了它的实现，并使它在性能、实用性和成本方面更具吸引力。此文介绍关于感应位置传感器和电路的常见问题的解答。

答:这种感应实际上有三种类型:

高频振荡型，间接利用电磁感应;

磁性型，利用磁铁;

电容型，利用电容的变化。

这里我们只关注第一个。

“间接”是什么意思?

答:电感式传感器不测量电感本身。 取而代之的是，他们利用金属靶上磁场的电磁感应以及空芯变压器的特性(法拉第定律)。传感器的定位是由导电目标引起的磁场干扰。金属靶材不一定是磁性的;铝等有色金属也能发挥作用。

这些传感器用在哪里?

答:它们用于许多工业和其他具有挑战性的环境中。最常见的应用之一是通过感知齿轮齿来测量电机转子的位置和旋转。这些传感器广泛应用于汽车领域，特别是发动机罩或发动机附近。

这个传感器长啥样?

答: 它看起来像一个标准螺栓，它们有不同的直径，不同的范围和灵敏度。这种传感器的螺丝在一个标准的螺纹孔，然后可以牢固地连接到一个支架或外壳与配套的螺母或螺母，所以易于安装。

Monarch Instruments公司P5-11接近传感器是一款坚固耐用的工业探头式感应传感器;它的设计用于从0.5英寸(5mm)到0.5英寸(12mm)的金属靶(如螺栓头或轴锁键)的0.2英寸(5mm)，转速为1至60000转/分钟。它测量1.33″长x 0.55″直径(34 x 14毫米)，需要5.0到24 VDC在3毫安，并配有2米电缆。

这个是如何工作的?

答: 大致原理是：振荡电路中的线圈L产生高频磁场。当一个目标靠近磁场时，由于电磁感应，一个感应涡流在目标中流动。当目标接近传感器时，感应电流增加，这导致振荡电路上的负载增加。然后，振荡减弱或停止。传感器通过振幅检测电路检测振荡状态的这种变化，并输出检测信号。

如下图所示，有一个初级线圈被一个频率激发(通常在1到5兆赫兹之间)来产生磁场，两个次级线圈用来检测这个磁场。反过来，利用法拉第定律，这些线圈把磁场转换成电压。放置在磁场中的金属靶会产生与磁场相反的涡流，增加感应器电流流量，改变感应关系。

这种变化具有衰减振荡的作用。传感器通过振幅检测电路检测这种变化和振荡状态的衰减。两个接收线圈检测不同的电压，目标的位置可以通过两个接收线圈电压的比值来确定。 阈值电路然后产生输出信号时，这个比率超过一些预设的限制。

这个传感器的其他特性是什么?

答:坚固可靠:它是完全封闭的。此外，与直线位移传感器LVDT类似，该传感器本身是一组导线回路或线圈，这意味着工作温度范围宽，抗冲击，并能承受环境应力。

一致和可重复的性能:基本设计坚固耐用，并且通过适当的电路，所获得的信号也将在信号强度和阈值上保持一致。

尺寸紧凑和易于安装:传感头可以封装在更大的“螺栓”甚至小的螺钉中，这使得放置更加容易。传感头在一端，导线在另一端，这有利于放置和布线，该传感器的长度可以从5mm到600mm不等。

灵敏度:根据设计的具体情况，传感器可以很容易地探测到接近一毫米或更小的目标。分辨率的一致性也相当高，在亚毫米甚至千分尺范围内。

读数不受污垢和碎片影响:同样，简单的机械外壳将没有的东西挡在外面，读数不受非金属环境的影响。

高抗电磁干扰:这些传感器的许多应用都涉及到电机和大电流，比如混合动力汽车和电动汽车(牵引电机有几百安培)，这两种传感器都会产生强烈的杂散磁场。传感器的双线圈设计意味着它的感知能力是不同的，大多数干扰磁场在传感器接收端会自我抵消。

有不同的架构和实现吗?

A:基本有三种:

1)传感器中只有磁性元件。这将电子器件与传感线圈分离开来，并提供了最小、最坚固的传感器，

螺纹组件可仅具有前端传感器和独立的电子设备。

2)前端振荡器和感知信号放大器位于传感器中，放大后的信号通过电缆传递到附加电子设备进行进一步的调节和格式化。

3)此外，还可以将整个信号链并入传感器组件本身;有些版本甚至将条件模拟信号数字化。

决定使用哪种样式取决于安装细节、应用程序、成本、性能、易用性以及等诸多因素。还有一些与使用现有遗留安装相关的问题，这三种类型仍在广泛使用。

感应模式有方向性吗?

答:没有，传感器基本上是全向的，这在某些情况下是可取的，但在另一些情况下则不然。对于需要方向性的情况，解决方案是用磁屏蔽传感器，

选择感应式传感器时要评估哪些参数?

答:除了尺寸，灵敏度还需要与应用程序相匹配。它通常被指定为将触发传感器输出到一块1毫米厚的正方形铁片(Fe 37型)的最大距离，其侧面尺寸等于感测面直径。但也会存在滞后性、可重复性等相关问题。其他考虑因素包括：工作频率、功率和电流要求，以及接口类型和格式。

灵敏度和滞后是用来表征传感器性能的指标之一。

一个传感器多少钱?

答:一个基本的传感器的价格从10美元到15美元不等，根据尺寸、精度、坚固性等级、嵌入式电子设备的数量和其他因素的不同，价格可能高达数百美元。

使用电感式传感器的电路复杂吗?

答:与许多传感器电路一样，基本设计很简单。然而，实现准确、一致和稳定的性能可能是一个挑战。

这是如何做到的?

答: 在集成电路还没有出现之前，它的固有能力就是使用电路技术，使得复杂的拓扑结构可以很容易地实现。IC不仅提供了易用性、基本功能和增强的性能，还提供了其他有利于用户的功能和特性。这类供应商包括Microchip、瑞萨和德州仪器。

电感式传感器在工程师的传感器选项中是一个重要的组件，因为它易于使用，坚固耐用，高效，精确，易于安装。像它的兄弟LVDT，它可以在许多尺寸，灵敏度和电气选择，在无数的应用程序里是非常值得考虑的。

如何像蝙蝠一样，使用超声波测距，仿生学的应用实例

蝙蝠在飞行的时候，能从喉内产生超声波，超声波通过口腔发射出去。当超声波遇到昆虫或者障碍物时，会被反射回来，并能够被蝙蝠耳朵接收到，蝙蝠通过反射回来的超声波不仅能计算出距离，还能通过判断出目标是昆虫还是障碍物。科学家通过对蝙蝠这种探测方法的研究，发明了超声波测距。我们本次课程要介绍的超声波传感器，就是利用这种仿生科学制造的。

全国青少年机器人等级考试三级课程：超声波传感器使用

1、 超声波传感器介绍

超声波 是振动频率高于20kHz的机械波，频率在人耳能听到的范围之外，它具有频率高、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等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，

超声波传感器（测距）是利用超声波的特性而研制而成的传感器。超声波传感器发出的超声波碰到传感器前面的被障碍物，发射回传感器的接收器，通过计算超声波传播的时间，从而计算出传感器和障碍物之间的距离。

本实验所用超声波传感器，采用双探头（一个探头发射、一个探头接收）焊接在转接板上制成用于测距的模块，是用来测量距离的一种产品，通过发送和收超声波，利用时间差和声音传播速度，计算出模块到前方障碍物的距离。传感器有四个引脚：GND、VCC、Trig、Echo。其中Trig为触发引脚、Echo为数据接收引脚。传感器采用40KHZ超声波。

超声波模块参数：

工作电压：5V 有效探测距离：2Mm~2.5m 感应角度范围：15° 超声波频率：40KHZ

2、 超声波传感器原理

超声波传感器原理

超声波传感器接收到触发信号后，模块自动发出8个40KHZ的方波，同时开始计时并自动监测是否有信号返回，通过记录超声波从开始发送到接收回波间隔，来判断前方障碍物的距离。

超声波传感器时序图

1. Arduino板先向Trig引脚发送一个时长不小于10μs的高电平，触发超声波模块；

2. 触发后，模块会自动发射8个40KHZ的方波，并自动检测是否有信号返回；

3. 如果有信号返回，则通过Echo引脚输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到接收的时间，

超声波传感器和障碍物之间的距离计算公式为：

距障碍物距离= 高电平持续时间 × 340m/s ÷ 2

（音速在不同介质中传播速度是不一致的，其大小因介质的性质和状态而异。空气中的音速在1个标准大气压和15℃的条件下约为340m/秒）

3、 超声波传感器连接方法

管脚

传感器有四个引脚：GND、VCC、Trig、Echo，VCC接arduino板的5V引脚，GND接arduino板的GND引脚，Trig引脚、Echo引脚分别接两个数字引脚即可。

超声波传感器实物

实物连接如图，采用4p专用连接线，连接arduino板。

实物连接图

4、 超声波传感器使用实例

从超声波传感器获取测距数据，并通过串口打印出来。

米思齐代码如下：

米思齐代码

运行米思齐代码，从串口监视器打印距离数据，如图：

串口监视器打印距离数据

学习总结：

1、 学会超声波测距的原理。

2、 串口打印方法监测数据。

3、 了解超声波模块的时序。

我是分享创客知识的行者靖，关注青少年创客教育，关注我，分享创客干货。

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