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(yīng)用中，無法通過實際接觸來測量與目標(biāo)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間來 測量距離。OPT3101 是高速、高分辨率 AFE 的一個 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)實現(xiàn) 16 位距離輸出。有關(guān) OPT3101 的更多信息，請參閱《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)時間 此應(yīng)用的專屬距離范圍最大為 2.5m。 

表 1. 主要系統(tǒng)規(guī)格

實現(xiàn) 

在此應(yīng)用中，使用 OPT3101 EVM 測量與一個 1.5m x 2m 平坦白墻之間的距離。此墻在較小的（±3 度）視 場 (FoV) 下可見。為防止 FoV 降落到地面，請將 OPT3101 EVM 安裝在一張可移動工作臺的邊緣處。使 用激光距離測量技術(shù)獲取實際距離數(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。此模塊使用兩個元件來發(fā)送和接收信息，由 OPT3101 內(nèi)部 LED 驅(qū)動器和光電二極管驅(qū)動照明。 OPT3101 EVM 接受測試數(shù)據(jù)，然后由 TI Latte 記錄距 離、精度和幅度。 

測試結(jié)果 

以白墻為目標(biāo)時，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(yīng)時 間為 1/4kfps = 0.25ms。此應(yīng)用使用 32 個樣本，可實 現(xiàn) 125fps 的輸出數(shù)據(jù)速率。基于 125fps 數(shù)據(jù)速率的 響應(yīng)時間為 1/125fps = 8ms。使用以上設(shè)置來測量OPT3101 的性能。圖 1 顯示測得的距離與實際距離的 關(guān)系圖是線性的。

圖 1. 測得的距離

測量精度是位置傳感器的重要參數(shù)。圖 2 顯示 OPT3101 的距離測量誤差在距離為 2.5m 時為 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(nèi)完成 的。在 2.5m 以內(nèi)，距離測量誤差在實際距離的 1.6% 以內(nèi)。

圖 3. 距離測量誤差百分比 

圖 4 顯示了 32 幀距離測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。借助 OPT3101 可以靈活使用各種幀選項來設(shè)計系統(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 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。距離延長會導(dǎo)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，從而實現(xiàn)顏色獨立 性。顏色獨立性意味著距離的測量與對象顏色無關(guān)。重 復(fù)性是短時間內(nèi)在相同條件下多次測量同一對象而獲得的測量結(jié)果之間的一致性程度。為了實現(xiàn)測試可重復(fù) 性，將 OPT3101 EVM 和工作臺在很短的間隔時間內(nèi) 來回移動到同一位置。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