cgq传感器:一文读懂电容传感器

2021/12/18 06:38 · 传感器知识资讯 ·  · cgq传感器:一文读懂电容传感器已关闭评论
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cgq传感器:一文读懂电容传感器原标题:一文读懂电容传感器文|传感器技术(WW_CGQJS)电容式传感器具有结构简单,灵敏度高,温度稳定性好,适应性强,动态性能好等一系列优点,目前在检测技术中不仅广泛

cgq传感器:一文读懂电容传感器  第1张

cgq传感器:一文读懂电容传感器

原标题:一文读懂电容传感器

文 | 传感器技术(WW_CGQJS)

电容式传感器具有结构简单,灵敏度高,温度稳定性好,适应性强,动态性能好等一系列优点,目前在检测技术中不仅广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的测量,还可用于液位、压力、成份含量等热工方面的测量中。

电容传感器

电容传感器,英文名称为capacitive type transducer,是一种将其他量的变换以电容的变化体现出来的仪器。其主要由上下两电极、绝缘体、衬底构成,在压力作用下,薄膜产生一定的形变,上 下级间距离发生变化,导致电容变化,但电容并不随极间距离的变化而线性变化,其还需测量电路对输出电容进行一定的非线性补偿。

电容传感器的分类

电容传感器按传感器类型分:

触摸传感器:包括显示器件和输入器件

运动传感器:包括加速度计、陀螺仪和磁传感器

位置传感器:包括位移传感器和接近传感器

其他传感器:包括压力传感器、位移传感器、液位传感器

电容传感器按原理分:

电容式传感器一般由两个平行电极构成,在其两个电极之间以空气作为介质,在不考虑边缘效应的前提下,其电容可表示为C=εS/d,其中,ε表示两电极间 介质(即空气)的介电常数,S表示两电极之间相互覆盖的面积,d表示两电极间的距离,电容受这三个参数影响,任意一参数的改变就会使得电容得以改变。

因 此,电容传感器分为介质变化型(ε的变化因此C的变化)、面积变化型(S的变化因此C的变化)和极距变化型(d的变化因此C的变化)三种。

电容传感器的原理

一、变化面积式电容传感器

图a是平板形直线位移式结构,其中极板1可以左右移动,称为动极板。极板2固定不动,称为定极板。图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动,内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。

变面积式电容传感器的输出特性在一小段范围内是线性的,灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。

二、变化极距式电容传感器

当动极板受被测物体作用引起位移时,改变了两极板之间的距离d,从而使电容量发生变化。

实际使用时,总是使初始极距d0尽量小些,以提高灵敏度,但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。

a)结构示意图 b)电容量与极板距离的关系

从图中可以看到,为了提高灵敏度,应使d0小一些为好,但行程变小(动静极板接触)。

三、变化介电常数式

因为各种介质的相对介电常数不同,所以在电容器两极板间插入不同介质时,电容器的电容量也就不同。

电容传感器的特点

电容变换器需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。 在有些条件下,这些力学量变化相当缓慢,而且变化范围极小, 测量要有较高的分辨率,其他传感器很难做到高分辨率要求, 而有的电容测微仪分辨率为0.01 μm, 最大量程为100±5 μm,因此一般采用电容式传感器进行检测比较适宜, 这类传感器具有以下 突出优点:

(1)高阻抗、小功率,因而所需的输入力很小,输入能量也很低。

电容式传感器因带电极板间静电引力极小(约几个10-5N),因此所需输入能量极小,所以特别适宜用来解决输入能量低的测量问题,例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等,可以做得很灵敏,分辨力非常髙,能感受0.001μm甚至更小的位移。

(2)温度稳定性好。

传感器的电容值一般与电极材料无关,有利于选择温度系数低的材料, 又因本身发热极小,对稳定性影响甚微。

(3)结构简单,适应性强,待测体是导体或半导体均可,可在恶劣环境中工作。

电容式传感器结构简单,易于制造,可做得非常小巧,以实现某些特殊的测量;能工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中,也能对带有磁性的工件进行测量。

(4)动态响应好。

由于极板间的静电引力很小,可动部分做得很小很薄,因此其固有频率很高,动态响应时间短,能在几兆赫的频率下工作,特别适合动态测量,如测量振动、瞬时压力等。

(5)可以实现非接触测量,具有平均效应。

例如非接触测量回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工作表面粗糙等对测量的影响.

电容式触摸传感器

消费电子产品如多点触摸屏、触摸板、滑动条、电视遥控、智能手机、多媒体播放器、平板电脑、信息亭和游戏机等更多地采用了电容式触摸传感器,成为各种消费电子产品中机械式开关的一种实用、增值型替代方案。

对于典型的电容式传感器,规定其覆盖层的厚度为3mm或更薄。随着覆盖层厚度的增加,来传感手指的触摸将变得越来越困难。伴随着覆盖层厚度的增加,系统调整过程将必须从“科学”跨越到“精益求精”。

手指电容

所有电容式触摸传感系统的核心部分都是一组与电场相互作用的导体。在皮肤下面,人体组织中充满了传导电解质(一种有损电介质)。正是手指的这种导电特性,使得电容式触摸传感成为可能。

简单的平行板电容器具有两个导体,其间隔着一层电介质。该系统中的大部分能量直接聚集在电容器极板之间。少许能量会泄露到电容器极板以外的空间,而由这些泄露能量所形成的电场被称为“边缘场”。

把手指放在边缘电场的附近将增加电容式传感系统的导电表面积。由手指所产生的额外电荷存储容量就是已知的手指电容CF。无手指触摸时的传感器电容用CP来表示。

关于电容式传感器的一个常见的误解是:为了使系统正常工作,手指必须接地。实际上,手指被传感的原因在于它带有电荷,而这与其是否悬空或接地完全无关。

从汽车领域、制造业、消费电子到医疗保健等各个行业对电容式位置传感器的需求量在持续增长。与机械式开关相比,基于电容的触摸传感器的主要优点是耐用性好,不易损坏,可以长期使用。混合信号技术的近期发展,不仅使得触摸式传感器的成本在各种消费类产品中降到了具有成本效益的水平,而且还提高了检测电路的灵敏度和可靠性(因为增加了覆盖层的厚度和耐用性)。电容式触摸传感器成为机械式开关元件的一种实用型替代方案。

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Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies “光频介质纤维表面波导”, PIEE(Institution of Electrical Engineers, Proceedings) 纪念物 高锟星 由于高锟的杰出贡献,1996年,中国科学院紫金山天文台将一颗于1981年12月3日发现的国际编号为“3463”的小行星命名为“高锟星”。 高锟楼 1996年11月7日,香港中文大学将科学馆北座命名为“高锟楼”并设立“高锟基金”,以发展学术研究,促进国际联系及学生活动。 高锟会议中心 2010年3月1日,高锟出席由香港特区政府及香港科技园公司在香港科学园举行的“高锟会议中心”命名仪式。这个会议中心的命名是为了表彰高锟在光纤科技研究领域的卓越成就。 高锟 - 名言 千万不要盲目相信专家,要有自己的独立思考。譬如我说,光纤在一千年之后还会被应用,大家便不应该随便相信我,要有自己的看法和信念。——高锟 年轻人总有自己的理想,但最重要的是,你要清楚了解自己在干什么?同时,为什么你认为和相信这是“可为”的。——高锟 法拉第效应是法拉第在1845年首先观察到不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该物质的光的偏振方向发生旋转,也称磁(致旋)光效应。设磁感应强度为B,光在物质中经过的路径长度为d,则振动面转动的角度为 ψ=VBd, 式中V称为费尔德常数,与物质的性质、温度以及光的频率(波长)有关。 在一定物质中不论光是沿磁场方向或逆磁场方向传播,振动面的转向都一样,只由磁场方向决定。 2.医用内窥镜 医用内窥镜的示意图如图所示,它由末端的物镜、光纤图像导管、顶端的目镜和控制手柄组成。照明光是通过图像导管外层光纤照射到被观察物体上,反射光通过传像束输出。由于光纤柔软、自由度大,末端通过手柄控制能偏转,传输图像失真小,因此,它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外科手术的重要仪器。 14.3.5 偏振态调制型光纤传感器 偏振态调制型光纤传感器的典型应用例子之一是输电线电流的测量。偏振态调制型光纤电流传感器测试原理如图所示。  感应元件是一段镍护套光纤,将其固定于通电流的螺线管中心。若通过螺线管的电流不同,螺线管中的磁场就不同,镍护套受此磁场的作用发生磁滞伸缩,使光纤在径向轴向受到应力,从而光纤芯折射率和长度都发生变化,引起信号臂与参考臂的相位差异,通过探测相位差来探测电流的大小。 偏振态调制型光纤电流传感器测试原理 根据法拉第旋光效应,由电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光的偏转。检测偏转角的大小,就可得到相应的电流值。如图中所示,从激光器发出的激光经起偏器变成线偏振光,再经显微物镜(×10)聚焦耦合到单模光纤中。为了消除光纤中的包层模,可把光纤浸在折射率高于包层的油中,再将单模光纤以半径R绕在高压载流导线上。设通过其中的电流为I,由此产生的磁场H满足安培环路定律。对于无限长直导线,则有 由磁场H产生的法拉第旋光效应引起光纤中线偏振光的偏转角为 式中: V——费尔德常数(对于石英:V=3.7×10-4rad/A); L——受磁场作用的光纤长度。 受磁场作用的光束由光纤出端经显微物镜耦合到偏振棱镜,并分解成振动方向相互垂直的两束偏振光,分别进入光探测器,再经信号处理后输出信号: 式中N为光纤绕在输电线上的匝数。 由此可见,只要系统的V和N一经确定,就可通过输出信号P的大小,获得被测输电线上的电流值。 对大多数光纤材料,费尔德常数V随着波长的增长而减小。另外,当波长较小(如为0.5 μm)时,材料的吸收系数又急剧增加。因此,为了获得较高的信噪比,光源激光器应在波长为0.55~0.9 μm范围内选择。 本章重点 1. 掌握光纤传光原理 2. 熟悉光纤传感器分类 3. 掌握光纤传感器的应用 思考题 1. 光纤传感器有哪些类型? 2.如图1所示,某生产线上的一传送带放置有工件运行。现要求 用光纤传感器实现对工件的自动计数。试给出设计方案,画出 原理图,并加以说明。(传送带与工件材料不同。) 图1 放有工件的传送带 3. 图2为光纤多普勒血液流量计原理示意图。它是专门用来测量人体血管中血液流量的装置。试述其结构特点。 图2 光纤多普勒血液流量计原理示意图 2. 在液体流动的管道中横贯一根多模光纤(如图3所示),当液体流过光纤时,在液流的下游会产生有规则的涡流。这种涡流在光纤的两侧交替地离开,使光纤受到交变的作cgq传感器:一文读懂电容传感器  第2张

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cgq传感器:浅述机器视觉及视觉传感器传感器技术文|传感器技术(WW

浅述机器视觉及视觉传感器
传感器技术
文 | 传感器技术(WW_CGQJS)
人们通过感官从自然界获取各种信息,其中以人的视觉获取的信息量最多,约占信息总量的80%。随着信息技术的发展,为计算机、机器人或其他智能机器赋予人类视觉功能,成为科学家们的奋斗目标。目前,机器视觉技术已经实现了产品化、实用化,镜头、高速相机、光源、图像软件、图像采集卡、视觉处理器等相关产品功能日益完善。机器视觉领域新技术爆出,通用式三维即时视觉传感技术将为机器视觉再添浓墨重彩的一笔。
什么是机器视觉?
美国机器人工业协会(RIA Robotic Industries Association)对机器视觉下的定义为:“机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像,以获得所需信息或用于控制机器人运动的装置”。
机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置,分CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,根据像素分布和亮度、颜色等信息,转变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征,进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。
机器视觉系统的组成
相机与镜头
这部分属于成像器件,通常的视觉系统都是由一套或者多套这样的成像系统组成,如果有多路相机,可能由图像卡切换来获取图像数据,也可能由同步控制同时获取多相机通道的数据。根据应用的需要相机可能是输出标准的单色视频(RS-170/CCIR)、复合信号(Y/C)、RGB信号,也可能是非标准的逐行扫描信号、线扫描信号、高分辨率信号等。
光源
作为辅助成像器件,对成像质量的好坏往往能起到至关重要的作用,各种形状的LED灯、高频荧光灯、光纤卤素灯等都容易得到。
传感器
通常以光纤开关、接近开关等的形式出现,用以判断被测对象的位置和状态,告知图像传感器进行正确的采集。
图像采集卡
通常以插入卡的形式安装在PC中,图像采集卡的主要工作是把相机输出的图像输送给电脑主机。它将来自相机的模拟或数字信号转换成一定格式的图像数据流,同时它可以控制相机的一些参数,比如触发信号,曝光/积分时间,快门速度等。图像采集卡通常有不同的硬件结构以针对不同类型的相机,同时也有不同的总线形式,比如PCI、PCI64、Compact PCI,PC104,ISA等。
PC平台
电脑是一个PC式视觉系统的核心,在这里完成图像数据的处理和绝大部分的控制逻辑,对于检测类型的应用,通常都需要较高频率的CPU,这样可以减少处理的时间。同时,为了减少工业现场电磁、振动、灰尘、温度等的干扰,必须选择工业级的电脑。
视觉处理软件
机器视觉软件用来完成输入的图像数据的处理,然后通过一定的运算得出结果,这个输出的结果可能是PASS/FAIL信号、坐标位置、字符串等。常见的机器视觉软件以C/C 图像库,ActiveX控件,图形式编程环境等形式出现,可以是专用功能的(比如仅仅用于LCD检测,BGA检测,模版对准等),也可以是通用目的的(包括定位、测量、条码/字符识别、斑点检测等)。
控制单元(包含I/O、运动控制、电平转化单元等)
一旦视觉软件完成图像分析(除非仅用于监控),紧接着需要和外部单元进行通信以完成对生产过程的控制。简单的控制可以直接利用部分图像采集卡自带的I/O,相对复杂的逻辑/运动控制则必须依靠附加可编程逻辑控制单元/运动控制卡来实现必要的动作。
机器视觉的特点
精确性
由于人眼有物理条件的限制,在精确性上机器有明显的优点。即使人眼依靠放大镜或显微镜来检测产品,机器仍然会更加精确,因为它的精度能够达到千分之一英寸。
重复性
机器可以以相同的方法一次一次的完成检测工作而不会感到疲倦。与此相反,人眼每次检测产品时都会有细微的不同,即使产品时完全相同的。
速度
机器能够更快的检测产品。特别是当检测高速运动的物体时,比如说生产线上,机器能够提高生产效率。
客观性
人眼检测还有一个致命的缺陷,就是情绪带来的主观性,检测结果会随工人心情的好坏产生变化,而机器没有喜怒哀乐,检测的结果自然非常可观可靠。
成本
由于机器比人快,一台自动检测机器能够承担好几个人的任务。而且机器不需要停顿、不会生病、能够连续工作,所以能够极大的提高生产效率。
视觉传感器的工作原理
视觉传感器是指通过对摄像机拍摄到的图像进行图像处理,来计算对象物的特征量(面积、重心、长度、位置等),并输出数据和判断结果的传感器。
视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素。图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量,以像素数量表示。因此,无论距离目标数米或数厘米远,传感器都能“看到”十分细腻的目标图像。
在捕获图像之后,鼎纳视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较,以做出分析。
视觉传感器是机器视觉系统的核心,是提取环境特征最多的信息源。它既要容纳进行轮廓测量的各种光学、机械、电子、敏感器等各方面的元器件,又要体积小、重量轻。
视觉传感器包括激光器、扫描电动机及扫描机构、角度传感器、线性CCD敏感器及其驱动板和各种光学组件。
视觉传感器的发展历程
视觉传感器是50年代后期出现,发展十分迅速,是机器人中最重要的传感器之一。机器人视觉从60年代开始首先处理积木世界,后来发展到处理桌子、椅子、台灯等室内景物,进而处理室外的现实世界。70年代后,有些实用性的视觉系统出现了,如应用于集成电路生产、精密电子产品装配、饮料罐装箱场合的检验、定位等。另外,随着这门学科的发展,一些先进的思想在人工智能、心理学、计算机图形学、图形处理等领域产生出来。
机器视觉的作用是从三维环境图像中获得所需的信息并构造出观察对象的明确而有意义的描述,视觉包括三个过程:图像获取、图像处理和图像理解。图像获取通过视觉传感器将三维环境图像转换为电信号;图像处理是指图像到图像的一种变换,如特征提取;图像理解则在处理的基础上给出环境描述。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD,摄像管是早期产品。OzD是后发展起来的。目前的CCD已能做到自动聚焦。
视觉传感器的实现方式
视觉传感器是非接触型的。它是电视摄像机等技术的综合,是机器人众多传感器中最稳定的传感器。
机器人的视觉传感器有下述三种测量方式
一、直接处理电视摄像机所摄取的深浅图像亮度6分图像的深浅图像处理方式。把亮度信息数字化,通常为4-10比特左右,作为6464-个象素输出处理部分。然后,利用种种已知算法,为线条进行解释,识别被加工物。这种图像处理法的困难是需要处理庞大的输出数据,费时太多。作为机器人的视觉,往往简化成双值,再利用专用处理装置快速处理。
二、把深浅图像双值化再处理方式。
三、根据距离信息测量物体的开关和位置的方式。该方法采用的方案有采用三角测量法和利用两台电视摄像机的立体视觉法等多种方案。
1、三角测量法测量原理及方法
激光束投射到物体上,跟踪源敏感器件检测其漫反射光,如图一所示。

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