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科普帖 | 三大常用测距传感器优劣势及应用

2023-03-25

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。