穿越光速的測(cè)量藝術(shù)：意法半導(dǎo)體TOF傳感器揭秘

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發(fā)表時(shí)間：2024-08-14

在科幻文學(xué)中，時(shí)空穿梭被視為解鎖宇宙奧秘的鑰匙，而時(shí)間旅行則常常充當(dāng)深入探索異次元世界的手段。然而，回到現(xiàn)實(shí)世界，盡管我們尚未掌握真正的時(shí)光機(jī)技術(shù)，卻已擁有一項(xiàng)能夠“跨越”空間障礙的非凡科技——飛行時(shí)間（Time of Flight，簡稱TOF）傳感器。這項(xiàng)技術(shù)如同一位精確的時(shí)空度量者，憑借其光速般的測(cè)量能力，精確捕捉物體與傳感器之間的空間距離，展現(xiàn)了人類科技在探索與認(rèn)知領(lǐng)域的又一重要進(jìn)步。

什么是TOF測(cè)距傳感器

在傳統(tǒng)工廠中，光電開關(guān)型傳感器以很好的性能滿足監(jiān)控物體有無的目的。而隨著工廠的技術(shù)發(fā)展和智能化需求的提出。在目前最新一代的工廠建設(shè)時(shí)，產(chǎn)生了對(duì)更精準(zhǔn)，更快響應(yīng)，更智能的傳感器的需求。

尤其是在對(duì)產(chǎn)線上對(duì)目標(biāo)物體的距離檢測(cè)上，開關(guān)量信號(hào)已不滿足智能化工廠的需求。而帶有高速響應(yīng)，高精度傳感，高適宜性，高集成度的TOF距離傳感器逐漸被工廠設(shè)計(jì)者和建造者所青睞。

TOF傳感器，即時(shí)間飛行傳感器，其工作原理可類比為一場光速傳遞的精確競賽。其核心技術(shù)基石立足于光速的恒定不變性，即發(fā)射一束光脈沖，待其遭遇物體后反射返回，傳感器隨即捕捉此往返過程所需時(shí)間。鑒于光速為既定常數(shù)，通過時(shí)間與光速的乘積運(yùn)算，即可輕松求得光脈沖所經(jīng)路徑的長度。此測(cè)量手段不僅高效且精確，為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域引入了前所未有的測(cè)量視角。

意法半導(dǎo)體的TOF傳感器：VL53L3CX

ST推出的VL53L3CX傳感器在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)堪稱“時(shí)空測(cè)量的杰出專家”。該傳感器不僅具備超高速的距離測(cè)量能力，更以其毫米級(jí)別的精準(zhǔn)度脫穎而出。它如同一把能夠精確丈量宇宙尺度的精密量具，為智能工廠實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

VL53L3CX:https://www.st.com/en/imaging-and-photonics-solutions/vl53l3cx.html

VL53L3CX傳感器的技術(shù)亮點(diǎn)

VL53L3CX傳感器展現(xiàn)出的技術(shù)亮點(diǎn)如同一位掌握超凡能力的時(shí)空守護(hù)者，其獨(dú)特之處體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

· 超速響應(yīng)：VL53L3CX傳感器具備超速響應(yīng)的能力，基于光信號(hào)收發(fā)的基本原理，其反應(yīng)速度之快，幾乎可以與光速相媲美。同時(shí)由于其高速I2C的通訊接口（最高可達(dá)1MHz）(*)，開發(fā)者能通過接口快速讀回傳感結(jié)果。這意味著，它可以實(shí)時(shí)地捕捉到物體的動(dòng)態(tài)變化，無論是快速移動(dòng)還是微小的位移，都能夠被它迅速而準(zhǔn)確地檢測(cè)到。

· 超準(zhǔn)精度：VL53L3CX傳感器擁有超準(zhǔn)精度，它可提供的FOV角達(dá)25°的300cm范圍內(nèi)的目標(biāo)物體的準(zhǔn)確距離，最低誤差率可達(dá)2.5%(*)。其測(cè)距能力能夠捕捉到微小的移動(dòng)。這種高精度的測(cè)量能力，使得它在各種應(yīng)用場景中都能夠發(fā)揮出卓越的性能。

· 超強(qiáng)適應(yīng)性：區(qū)別于單點(diǎn)的距離傳感器，VL53L3CX傳感器能夠以矩陣的方式返回多點(diǎn)的目標(biāo)物體距離數(shù)據(jù)，在二維層度上能夠滿足檢測(cè)三維物體的深度的需求。

· 超易集成：VL53L3CX傳感器的設(shè)計(jì)緊湊，尺寸為4.4x2.4x1mm(*)，易于集成到各種自動(dòng)化模塊或設(shè)備中。它支持標(biāo)準(zhǔn)及高速的I2C接口，基于板上已有的I2C接口做到快速測(cè)距功能拓展。這種超易集成的特性，為開發(fā)者提供了極大的便利。（*具體參數(shù)及測(cè)試條件請(qǐng)見數(shù)據(jù)手冊(cè)）

在智能工廠的運(yùn)營過程中，VL53L3CX傳感器擔(dān)當(dāng)著至關(guān)重要的“時(shí)空守護(hù)”職責(zé)。它確保了生產(chǎn)線的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與高效傳感反饋，無論是對(duì)機(jī)器人位置的精確定位，還是自動(dòng)化產(chǎn)線對(duì)目標(biāo)物體的精確距離測(cè)量，均依賴于TOF傳感器的精確“指引”，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的順暢與高效。

應(yīng)用場景：TOF傳感器的舞臺(tái)

在智能工廠的廣闊舞臺(tái)上，TOF傳感器憑借其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，穩(wěn)坐自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域中測(cè)距傳感的核心地位。這一趨勢(shì)的背景，是工業(yè)自動(dòng)化智能化進(jìn)程的持續(xù)深化，對(duì)傳感器性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。TOF傳感器憑借其卓越的高精度、迅捷的響應(yīng)速度以及卓越的環(huán)境適應(yīng)能力，在以下應(yīng)用場景中精準(zhǔn)對(duì)接了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)自動(dòng)化與智能化發(fā)展的迫切需求，成為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵力量。

· 自動(dòng)化裝配線：在自動(dòng)化裝配線上，TOF傳感器能夠精確測(cè)量目標(biāo)物體所在位置，確保裝配線上物體位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控和追蹤。這種精確的測(cè)量能力，使得產(chǎn)線上的產(chǎn)品狀態(tài)對(duì)產(chǎn)線維護(hù)人員更加透明和直觀。

· 質(zhì)量控制：通過測(cè)量產(chǎn)品尺寸，TOF傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的質(zhì)量檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格產(chǎn)品。這不僅提高了檢測(cè)效率，也確保了產(chǎn)品的一致性和可靠性。

· 安全光柵：在機(jī)器人工作站等環(huán)境中，TOF傳感器可以監(jiān)測(cè)一定的安全區(qū)域，當(dāng)監(jiān)測(cè)到物體在監(jiān)控的距離閾值內(nèi)時(shí)，可以做到及時(shí)反饋和預(yù)警，確保維護(hù)人員和設(shè)備的安全。這種安全監(jiān)控能力，對(duì)于防止工業(yè)事故和保護(hù)員工安全具有重要意義。

TOF傳感器的這些應(yīng)用場景，展示了其在智能工廠中的多面性和靈活性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，TOF傳感器在未來的工業(yè)自動(dòng)化中，將發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用。在ST智能工廠自動(dòng)化演示的場合中，VL53L3CX傳感器與STM32G071微控制器、L6364Q IO-Link收發(fā)器等關(guān)鍵組件緊密配合，組成一個(gè)測(cè)距解決方案，即IO-Link TOF測(cè)距傳感器?；贗O-Link通訊技術(shù)，使得VL53L3CX傳感器的所有性能能否充分發(fā)揮以及龐大的傳感數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定高效地上傳，使得TOF測(cè)距技術(shù)在智能傳感器領(lǐng)域得到很好的實(shí)際應(yīng)用。該IO-Link TOF測(cè)距傳感器，不僅是意法半導(dǎo)體對(duì)現(xiàn)有的TOF及IO-Link技術(shù)能力儲(chǔ)備的充分展現(xiàn)，更是意法半導(dǎo)體對(duì)未來智能工廠發(fā)展趨勢(shì)的一次前瞻性預(yù)演。

微信圖片_20240814092616.jpg IO-Link TOF測(cè)距傳感器

IO-Link TOF測(cè)距傳感器框圖

L6364是一款集成了SPI接口和M-sequence處理功能的IO-Link設(shè)備收發(fā)器，也可用于工業(yè)數(shù)字輸入和輸出。STM32G0是ST提供的一系列高性能微控制器，常用于智能工廠自動(dòng)化和IO-Link生態(tài)系統(tǒng)中的各種應(yīng)用。

L6364：https://www.st.com/en/interfaces-and-transceivers/l6364.html

智能工廠自動(dòng)化演示

隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，TOF傳感器在智能制造的未來發(fā)展中將扮演更為核心的角色。具體而言，意法半導(dǎo)體所推出的VL53L3CX傳感器，憑借其卓越的性能優(yōu)勢(shì)，為智能工廠的自動(dòng)化進(jìn)程提供了堅(jiān)實(shí)的支撐，同時(shí)也引領(lǐng)了一場跨時(shí)代的科技變革。值得一提的是，ST公司生產(chǎn)的TOF傳感器不僅包括VL53L3這一型號(hào)，還擁有一系列其他產(chǎn)品可供選擇。

微信圖片_20240814092649.jpg TOF選型