使用一種高度集成的 ToF 位置傳感器進(jìn)行精確的距離測(cè)量

引言 

在許多應(yīng)用中，無(wú)法通過(guò)實(shí)際接觸來(lái)測(cè)量與目標(biāo)之間的 距離。典型示例包括測(cè)量物流中心的傳送帶上是否存在 物體，確保與運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械臂保持安全距離，確定倉(cāng)庫(kù) 中人員或機(jī)器人相對(duì)于資產(chǎn)的位置。飛行時(shí)間 (ToF) 位 置傳感器有助于利用光線到達(dá)物體及返回所需的時(shí)間來(lái) 測(cè)量距離。OPT3101 是高速、高分辨率 AFE 的一個(gè) 典型示例，適用于完全集成且基于 ToF 的連續(xù)波位置 傳感器。該傳感器可在 15m 不模糊的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 16 位距離輸出。有關(guān) OPT3101 的更多信息，請(qǐng)參閱《基 于 ToF 的 OPT3101 遠(yuǎn)距離接近和距離傳感器 AFE》。位置傳感器最重要的考量因素包括： 

? 距離 

? 精度 

? 可重復(fù)性 

? 響應(yīng)時(shí)間 此應(yīng)用的專(zhuān)屬距離范圍最大為 2.5m。 

表 1. 主要系統(tǒng)規(guī)格

實(shí)現(xiàn) 

在此應(yīng)用中，使用 OPT3101 EVM 測(cè)量與一個(gè) 1.5m x 2m 平坦白墻之間的距離。此墻在較小的（±3 度）視 場(chǎng) (FoV) 下可見(jiàn)。為防止 FoV 降落到地面，請(qǐng)將 OPT3101 EVM 安裝在一張可移動(dòng)工作臺(tái)的邊緣處。使 用激光距離測(cè)量技術(shù)獲取實(shí)際距離數(shù)據(jù)。OPT3101 內(nèi) 部具有一種環(huán)境消除塊，可在不同的環(huán)境條件下提供出 色的性能。此模塊使用兩個(gè)元件來(lái)發(fā)送和接收信息，由 OPT3101 內(nèi)部 LED 驅(qū)動(dòng)器和光電二極管驅(qū)動(dòng)照明。 OPT3101 EVM 接受測(cè)試數(shù)據(jù)，然后由 TI Latte 記錄距 離、精度和幅度。 

測(cè)試結(jié)果 

以白墻為目標(biāo)時(shí)，測(cè)得的距離范圍是 0.43m 至 2.5m。 OPT3101 的最大采樣率為 4kHz，因此最快的響應(yīng)時(shí) 間為 1/4kfps = 0.25ms。此應(yīng)用使用 32 個(gè)樣本，可實(shí) 現(xiàn) 125fps 的輸出數(shù)據(jù)速率?；?125fps 數(shù)據(jù)速率的 響應(yīng)時(shí)間為 1/125fps = 8ms。使用以上設(shè)置來(lái)測(cè)量OPT3101 的性能。圖 1 顯示測(cè)得的距離與實(shí)際距離的 關(guān)系圖是線性的。

圖 1. 測(cè)得的距離

測(cè)量精度是位置傳感器的重要參數(shù)。圖 2 顯示 OPT3101 的距離測(cè)量誤差在距離為 2.5m 時(shí)為 0.1mm。

圖 2. 距離測(cè)量誤差 

圖 3 展示了距離測(cè)量誤差百分比。測(cè)試是在室內(nèi)完成 的。在 2.5m 以?xún)?nèi)，距離測(cè)量誤差在實(shí)際距離的 1.6% 以?xún)?nèi)。

圖 3. 距離測(cè)量誤差百分比 

圖 4 顯示了 32 幀距離測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。借助 OPT3101 可以靈活使用各種幀選項(xiàng)來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，因此 可以輕松地定制應(yīng)用和用例。增加平均幀數(shù)可以減小測(cè) 量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，而減少平均幀數(shù)則可以提高數(shù)據(jù)收集速 度。

圖 4. 距離標(biāo)準(zhǔn)偏差 

圖 5 顯示了接收的信號(hào)。距離延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)降 低和噪聲增加。

圖 5. 接收信號(hào) 

ToF 技術(shù)可以獨(dú)立確定相位和幅度，從而實(shí)現(xiàn)顏色獨(dú)立 性。顏色獨(dú)立性意味著距離的測(cè)量與對(duì)象顏色無(wú)關(guān)。重 復(fù)性是短時(shí)間內(nèi)在相同條件下多次測(cè)量同一對(duì)象而獲得的測(cè)量結(jié)果之間的一致性程度。為了實(shí)現(xiàn)測(cè)試可重復(fù) 性，將 OPT3101 EVM 和工作臺(tái)在很短的間隔時(shí)間內(nèi) 來(lái)回移動(dòng)到同一位置。表 2 顯示了相關(guān)結(jié)果。例如， 在 2m 處的可重復(fù)性為 1.02mm。 

表 2. 可重復(fù)性