使用一種高度集成的 ToF 位置傳感器進(jìn)行精確的距離測量

引言 

在許多應用中，無(wú)法通過(guò)實(shí)際接觸來(lái)測量與目標之間的 距離。典型示例包括測量物流中心的傳送帶上是否存在 物體，確保與運動(dòng)中的機械臂保持安全距離，確定倉庫 中人員或機器人相對于資產(chǎn)的位置。飛行時(shí)間 (ToF) 位 置傳感器有助于利用光線(xiàn)到達物體及返回所需的時(shí)間來(lái) 測量距離。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 的連續波位置 傳感器。該傳感器可在 15m 不模糊的范圍內實(shí)現 16 位距離輸出。有關(guān) OPT3101 的更多信息，請參閱《基 于 ToF 的 OPT3101 遠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 

? 可重復性 

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

表 1. 主要系統規格

實(shí)現 

在此應用中，使用 OPT3101 EVM 測量與一個(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，請將 OPT3101 EVM 安裝在一張可移動(dòng)工作臺的邊緣處。使 用激光距離測量技術(shù)獲取實(shí)際距離數據。OPT3101 內 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 內部 LED 驅動(dòng)器和光電二極管驅動(dòng)照明。 OPT3101 EVM 接受測試數據，然后由 TI Latte 記錄距 離、精度和幅度。 

測試結果 

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

圖 1. 測得的距離

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

圖 2. 距離測量誤差 

圖 3 展示了距離測量誤差百分比。測試是在室內完成 的。在 2.5m 以?xún)?，距離測量誤差在實(shí)際距離的 1.6% 以?xún)取?/p>

圖 3. 距離測量誤差百分比 

圖 4 顯示了 32 幀距離測量的標準偏差。借助 OPT3101 可以靈活使用各種幀選項來(lái)設計系統，因此 可以輕松地定制應用和用例。增加平均幀數可以減小測 量的標準偏差，而減少平均幀數則可以提高數據收集速 度。

圖 4. 距離標準偏差 

圖 5 顯示了接收的信號。距離延長(cháng)會(huì )導致接收信號降 低和噪聲增加。

圖 5. 接收信號 

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

表 2. 可重復性