使用一种高度集成的 ToF 位置传感器进行精确的距离测量

引言 

在许多应用中，无法通过实际接触来测量与目标之间的 距离。典型示例包括测量物流中心的传送带上是否存在 物体，确保与运动中的机械臂保持安全距离，确定仓库 中人员或机器人相对于资产的位置。飞行时间 (ToF) 位 置传感器有助于利用光线到达物体及返回所需的时间来 测量距离。OPT3101 是高速、高分辨率 AFE 的一个 典型示例，适用于完全集成且基于 ToF 的连续波位置 传感器。该传感器可在 15m 不模糊的范围内实现 16 位距离输出。有关 OPT3101 的更多信息，请参阅《基 于 ToF 的 OPT3101 远距离接近和距离传感器 AFE》。位置传感器最重要的考量因素包括： 

• 距离 

• 精度 

• 可重复性 

• 响应时间 此应用的专属距离范围最大为 2.5m。 

表 1. 主要系统规格

实现 

在此应用中，使用 OPT3101 EVM 测量与一个 1.5m x 2m 平坦白墙之间的距离。此墙在较小的（±3 度）视 场 (FoV) 下可见。为防止 FoV 降落到地面，请将 OPT3101 EVM 安装在一张可移动工作台的边缘处。使 用激光距离测量技术获取实际距离数据。OPT3101 内 部具有一种环境消除块，可在不同的环境条件下提供出 色的性能。此模块使用两个元件来发送和接收信息，由 OPT3101 内部 LED 驱动器和光电二极管驱动照明。 OPT3101 EVM 接受测试数据，然后由 TI Latte 记录距 离、精度和幅度。 

测试结果 

以白墙为目标时，测得的距离范围是 0.43m 至 2.5m。 OPT3101 的最大采样率为 4kHz，因此最快的响应时 间为 1/4kfps = 0.25ms。此应用使用 32 个样本，可实 现 125fps 的输出数据速率。基于 125fps 数据速率的 响应时间为 1/125fps = 8ms。使用以上设置来测量OPT3101 的性能。图 1 显示测得的距离与实际距离的 关系图是线性的。

图 1. 测得的距离

测量精度是位置传感器的重要参数。图 2 显示 OPT3101 的距离测量误差在距离为 2.5m 时为 0.1mm。

图 2. 距离测量误差 

图 3 展示了距离测量误差百分比。测试是在室内完成 的。在 2.5m 以内，距离测量误差在实际距离的 1.6% 以内。

图 3. 距离测量误差百分比 

图 4 显示了 32 帧距离测量的标准偏差。借助 OPT3101 可以灵活使用各种帧选项来设计系统，因此 可以轻松地定制应用和用例。增加平均帧数可以减小测 量的标准偏差，而减少平均帧数则可以提高数据收集速 度。

图 4. 距离标准偏差 

图 5 显示了接收的信号。距离延长会导致接收信号降 低和噪声增加。

图 5. 接收信号 

ToF 技术可以独立确定相位和幅度，从而实现颜色独立 性。颜色独立性意味着距离的测量与对象颜色无关。重 复性是短时间内在相同条件下多次测量同一对象而获得的测量结果之间的一致性程度。为了实现测试可重复 性，将 OPT3101 EVM 和工作台在很短的间隔时间内 来回移动到同一位置。表 2 显示了相关结果。例如， 在 2m 处的可重复性为 1.02mm。 

表 2. 可重复性