物體距離 傳感器：一種檢測物體接近距離的方法與流程

物體距離 傳感器：一種檢測物體接近距離的方法與流程

本發明涉及一種檢測物體接近距離的方法。
背景技術：
低成本、低功耗的近距離物體接近距離傳感器有廣闊的應用市場，常用的技術路線有光電測距、超聲波測距，電容測距等，其中電容測距有成本低和功耗小的優勢，但依據電容基本公式c＝εs/d，電容值與介電常數ε成正比，而介電常數隨著測量環境的介質、溫度、濕度變化而變化，導致在實際應用中很難利用電容技術精確測量距離?，F有技術大多利用布置在同一平面上的多個電容電極或電容電極點陣，測量物體在電容電極同一平面上水平方向的位置，例如電容式觸摸屏，采用的方法基本都是利用減法比較觸摸位置與附近位置電容的差計算出觸摸點的水平坐標。例如專利申請號.7，提出在平面上有多個電容觸摸傳感器情形下先求的多個電容的平均電容量再用觸摸點個電容量與平均電容比較大小以確定觸摸發生的水平位置的方法。
現有技術的這些方法，在測量電容值時，受到環境的介質、溫度、濕度變化的嚴重影響，為此，應用了現有技術中各種補償的辦法，但又同時帶來電路結構的復雜性；另外，對于垂直方法的接近距離的測量，也難以有比較準確的方法。而接近的測量、判斷在本領域內是急需解決的問題。
對于微小電容的測量，現有技術已經有比較成熟的方法，包括,7號專利中提到的u2ad7745芯片，還有ad7150d等cdc電容數字轉換電路芯片。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種不受測量環境介電常數變化影響的利用電容精確測量物體接近的方法。
本發明公開了一種檢測物體接近距離的方法，至少具有第一電極和第二電極，第一電極構成第一電容傳感器單元，第二電極構成第二電容傳感器單元；第一電極和第二電極布置成朝向待檢測物體接近的方向，所述第一電極與第二電極在物體接近方向上成相互有距離差的布置，并且該距離差大于1mm；還包括電容檢測電路和計算處理裝置，檢測電路分別連接至第一、第二電容傳感器單元，分別檢測第一、第二電容傳感器單元的電容值；計算處理裝置采用除法運算獲得二個電容傳感器單元電容值的比值，該比值與物體接近電容傳感器的距離成反比關系的單調函數關系，通過該比值依據下列公式即可計算出物體接近電容傳感器的基礎距離，其公式為：
其中d1為物體與第一電極之間的距離，△d為第一電極與第二電極的距離差，k為二個電極結構設置確定后的一個常數。
本發明還具有以下附加特征：
所述電容檢測電路可以采用cdc電容數字轉換電路，它可以用分立元件搭成，也可以采用ad7745或者ad7150等芯片，還可以與計算處理裝置更進一步集成在一起。
還包括第三電極構成第三電容傳感器單元，第三電極與所述的第一、第二電極在物體接近方向上有距離差，依據第三電極與第一、第二電極的電容值的比值，計算出物體接近的距離，再與上述基礎距離進行算術平均，以消除誤差。
第一電極與第二電極可以相鄰設置，也可以包容設置，即第一電極與第二電極在投影上，一個包容另外一個的方式設置。
上述任一電極可以是平面電極，也可以是曲面電極；在平面電極情況下，電極可以相對于物體接近方向傾斜設置。
本發明通過電容傳感器來檢測物體的接近距離，為此將第一電極和第二電極之間設置成有距離差。并將第一電極和第二電極所檢測的結果進行通過除法運算獲得二個電容傳感器單元電容值的比值，該比值與物體接近電容傳感器的距離成反比關系的單調函數關系，通過該比值依據下列公式即可計算出物體接近電容傳感器的基礎距離。而通過將兩個電容傳感器的電容值相除能夠有效地消除環境對介電系數的影響所帶來的電容值變化。使得檢測更加精準。也同時為目前非常低成本的電容測距方案開拓了廣闊的發展應用前景。
附圖說明
圖1為本發明中電極設置的示意性原理圖。
圖2為本發明中電極設置的立體結構示意圖。
圖3是本發明方法中設置第三電極的示意圖。
圖4是一種電極設置的示意圖。
圖5是另外一種電極設置的示意圖。
圖6是電容值檢測電路的原理示意圖。
具體實施方式
參照圖1-6，特別是圖1和6，本發明公開了一種檢測物體3接近距離15的方法，至少具有第一電極1和第二電極2，第一電極1構成第一電容傳感器單元，第二電極2構成第二電容傳感器單元；第一電極1和第二電極2布置成朝向待檢測物體3接近的方向，所述第一電極1與第二電極2在物體3接近方向上成相互有距離差4的布置，并且該距離差大于1mm；還包括電容檢測電路12和計算處理裝置13，檢測電路12分別連接至第一、第二電容傳感器單元，分別檢測第一、第二電容傳感器單元的電容值；計算處理裝置13采用除法運算獲得二個電容傳感器單元電容值的比值，該比值與物體3接近電容傳感器的距離成反比關系的單調函數關系，通過該比值依據下列公式即可計算出物體接近電容傳感器的基礎距離15。通過二個電容極板的設置，它們可以有不同的投影面積，也可以有相同的投影面積，再加上二個極板之間有距離差4的設置，判斷計算物體接近的距離15時，可以使用上述公式，就可以很容易得出，其中電容c1、c2計算時根本沒有必要計算出其真實的多少微法，而是二者用同樣量綱單位去檢測就可以，通過此公式可以發現，深受環境各種因素影響的電容值的介電常數已經不存在，所以，這種方法檢測的距離不受環境因素的影響，準確性非常高，而且該方法的實施，為低成本的電容傳感器在各個方面的應用面拓展打下堅實的基礎。
其公式為：
其中，d1(標號15)為物體與第一電容傳感器的電極的距離，△d為第一電極與第二電極的距離差，k為二個電極結構設置確定后的一個常數。常數k與電極的結構尺寸和形狀以及設置有關，一個產品設計完成后，k值就是一個固定數。
距離差4設置大于1mm，是為了保證一定的結構設置和測量分辨率，通常情況下，稍大的距離差4可以保證足夠的測量分辨率。
所述電容檢測電路12通常采用cdc電容數字轉換電路，它可以用分立元件搭成，也可以采用ad7745或者ad7150等芯片，還可以與計算處理裝置13更進一步集成在一起。
二個電極構成的二個電容傳感器單元的必須的，構成了本方法的基礎，為了區別起見，本發明的獨立權利要求中限定其為基礎距離15，為了進一步消除諸如電容一致性等方面可能存在的誤差，本方法還包括第三電極9構成第三電容傳感器單元，此時第三電極9或者第三電容傳感器單元可以是一個，也可以是依據使用的場合及要求設置n個；所述的第三電極9與所述的第一、第二電極在物體接近方向上有距離差11、17，其中距離差11可以為0，距離差17也可以為0(如圖3)，此時依據第三電極與第一、第二電極的電容值的比值，計算出物體接近的距離，再與上述基礎距離進行算術平均，可以有效消除誤差，測量計算所得的物體距離d就更加精準。
第三電極與第一電極構成的相應電容進行測量計算時，基礎距離d1(標號15)，公式中的k是一個值，與二個相應電極的形狀和結構設置有關；當第三電極與第二電極構成的相應電容進行測量計算時，此時基礎距離為d2(標號14)，但d2＝d1+△d1，是可以算出的，此時k是另外一個值，同樣與第三電極與第二電極的形狀和結構設置有關；一般多個電極構成的整體電容傳感器制作完成后，這些結構形狀設置都確定下來，公式中的k值均是確定的常數，只不過對應測試的電極不同，其常數k值與之對應。這樣設置的進一步優點是分辨率可以不同，測量范圍更大，算術平均后，精度會提高。
在電極的布置上，可以第一電極1與第二電極2相鄰設置，如圖4所示；也可以如圖5所示，第一電極1與第二電極2在投影上，一個包容另外一個的方式設置。
所述的電極，理論上還可以是曲面極板，它與平面極板相比有等效的計算辦法，同樣，各種極板可以設置在基本垂直與物體接近的方向，也可以傾斜設置(見圖2)，此時體現的是極板的投影面積會影響公式中的k值問題及距離差4；即上述任一電極可以是平面電極，也可以是曲面電極；在平面電極情況下，電極可以相對于物體接近方向傾斜設置。
電容數字轉換模塊cdc可以單獨存在，也可以與計算處理裝置合并在一個芯片中。
上述實施例僅用于說明本發明的技術方案，而非對發明的保護范圍進行限制。本領域的技術人員可以根據其自身的需求，選擇適當的實施例，特別是所述的電容可以是各種等效電容，均在本發明專利的保護范圍內。

物體距離 傳感器：接近傳感器

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接近傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
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。
接近傳感器，是代替限位開關等接觸式檢測方式，以無需接觸檢測對象進行檢測為目的的傳感器的總稱。能檢測對象的移動信息和存在信息轉換為電氣信號。在換為電氣信號的檢測方式中，包括利用電磁感應引起的檢測對象的金屬體中產生的渦電流的方式、捕測體的接近引起的電氣信號的容量變化的方式、利石和引導開關的方式。
中文名
接近傳感器
外文名
Proximity sensor
采 用
無接點輸出方式
構 成
光電型、磁力型等
補 充
代替限位開關等接觸式檢測方式
別 名
接近開關
目錄
1
概要
2
原理
3
種類
?
電容式接近傳感器
?
電感式接近傳感器
?
光電式接近傳感器
4
特長
5
應用
接近傳感器概要
編輯
語音
接近傳感器是一種具有感知物體接近能力的器件，它利用位移傳感器對接近的物體具有敏感特性來識別物體的接近，并輸出相應開關信號，因此，通常又把接近傳感器稱為接近開關。
[1]
它是代替開關等接觸式檢測式檢測方式，以無需接觸被檢測對象為目的的傳感器的總稱，它能檢測對象的移動和存在信息并轉化成電信號。
[2]
在JIS規格中，根據IEC-5-2的非接觸式位置檢測用開關，制定了JIS規格（JIS C 8201-5-2低壓開關裝置及控制裝置、第5控制電路機器及開關元件、第2節接近開關）。在JIS的定義中，在傳感器中也能以非接觸方式檢測到物體的接近和附近檢測對象有無的產品總稱為“接近開關”，由感應型、靜電容量型、超聲波型、光電型、磁力型等構成。在本技術指南中，將檢測金屬存在的感應型接近傳感器、檢測金屬及非金屬物體存在的靜電容量型接近傳感器、利用磁力產生的直流磁場的開關定義為“接近傳感器”。
接近傳感器原理
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感應型接近傳感器的檢測原理通過外部磁場影響，檢測在導體表面產生的渦電流引起的磁性損耗。在檢測線圈內使其產生交流磁場，并檢測體的金屬體產生的渦電流引起的阻抗變化進行檢測的方式。此外，作為另外一種方式，還包括檢測頻率相位成分的鋁檢測傳感器，和通過工作線圈僅檢測阻抗變化成分的全金屬傳感器。在檢測體一側和傳感器一側的表面上，發生變壓器的狀態。
接近傳感器種類
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語音
接近傳感器電容式接近傳感器
電容式接近傳感器是一個以電極為檢測端的經電電容接近開關，它由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。
[1]
平時檢測電極與大地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的一個組成部分。當被檢測物體接近檢測電極時，由于檢測電極加有電壓，檢測電極就會受到靜電感應而產生極化現象，被測物體越靠近檢測電極，檢測電極上的感應電荷就越多。由于檢測電極上的靜電電容為
，所以隨著電荷量的增多，使檢測電極電容C隨之增大。由于振蕩電路的振蕩頻率
與電容成反比，所以當電容C增大時振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態被檢測電路轉換為開關信號后向外輸出。
[1]
接近傳感器電感式接近傳感器
電感式接近傳感器由高頻振蕩電路、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成。檢測用敏感元件為檢測線圈，它是振蕩電路的一個組成部分，振蕩電路的振蕩頻率為
。當檢測線圈通以交流電時，在檢測線圈的周圍就產生一個交變的磁場，當金屬物體接近檢測線圈時，金屬物體就會產生電渦流而吸收磁場能量，使檢測線圈的電感L發生變化，從而使振蕩電路的振蕩頻率減小，以至停振。振蕩與停振這兩種狀態經監測電路轉換為開關信號輸出。
[1]
需要注意的是：與電容式接近傳感器相同，電感式接近傳感器檢測的被測物體也是金屬導體，非金屬導體不能用該方法測量。振幅變化隨目標物金屬種類而不同，因此檢測距離也隨目標物金屬的種類而不同。
[1]
接近傳感器光電式接近傳感器
光電式接近傳感器中，發光二極管（或半導體激光管）的光束軸線和光電三極管的軸線在一個平面上，并成一定的夾角，兩軸線在傳感器前方交于一點。當被檢測物體表面接近交點時，發光二極管的反射光被光電三極管接收，產生電信號。當物體遠離交點時，反射區不在光電三極管的視角內，檢測電路沒有輸出。一般情況下，送給發光二極管的驅動電流并不是直流電流，而是一定頻率的交變電流，這樣，接收電路得到的也是同頻率的交變信號。如果對接收來的信號進行濾波，只允許同頻率的信號通過，可以有效地防止其他雜光的干擾，并可以提高發光二極管的發光強度。
[3]
接近傳感器特長
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語音
① 由于能以非接觸方式進行檢測，所以不會磨損和損傷檢測對象物。② 由于采用無接點輸出方式，因此壽命延長（磁力式除外）采用半導體輸出，對接點的壽命無影響。③ 與光檢測方式不同，適合在水和油等環境下使用檢測時幾乎不受檢測對象的污漬和油、水等的影響。此外，還包括特氟龍外殼型及耐藥品良好的產品④ 與接觸式開關相比，可實現高速響應⑤ 能對應廣泛的溫度范圍⑥ 不受檢測物體顏色的影響對檢測對象的物理性質變化進行檢測，所以幾乎不受表面顏色等的影響⑦ 與接觸式不同，會受周圍溫度的影響、周圍物體、同類傳感器的影響包括感應型、靜電容量型在內，傳感器之間相互影響。因此，對于傳感器的設置，需要考慮相互干擾。此外，在感應型中，需要考慮周圍金屬的影響，而在靜電容量型中則需考慮周圍物體的影響。
接近傳感器應用
編輯
語音
接近傳感器主要用于檢測物體的位移，在航空、航天技術以及工業生產中都有廣泛的應用。在日常生活中，如賓館、飯店、車庫的自動門、自動熱風機上都有應用。在安全防盜方面，如資料檔案、財會、金融、博物館、金庫等重地，通常都裝有由各種接近開關組成的防盜裝置。在測量技術中，長度、位置的測量；在控制技術中，如位移、速度、加速度的測量和控制，也都使用者大量的接近開關。
[1]
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接近傳感器（接近開關）是代替限位開關等接觸式檢測方式，以無需接觸檢測對象進行檢測為目的的傳感器的總稱。能檢測對象的移動信息和存在信息轉換為電氣信號。在換為電氣信號的檢測方式中，包括利用電磁感應引起的檢測對象的金屬體中產生的渦電流的方式、捕測體的接近引起的電氣信號的容量變化的...
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2019-01-170
參考資料
1.

張玉蓮主編．傳感器與自動檢測技術．北京：機械工業出版社，2013：96-100
2.

侯海亭，郭天賜，李南極編著．智能手機維修從入門到精通．北京：清華大學出版社，2013：147-147
3.

張發軍編．機電一體化系統設計 ．武漢：華中科技大學出版社，2013：85-88

物體距離 傳感器：能夠在一定距離內，檢測物體有無的傳感器是()。請幫忙給出正確答案和分析，謝謝！

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-M -M 位置傳感器配套儀表

看產品文檔，或?聯系我們?以了解最新的機構審批信息。?

電氣特征

線路電源電壓要求?(VDC):
9 – 30

信號調節 - LVDT/RVDT 輸出類型?(mA):
4 – 20

信號調節 - LVDT/RVDT 輸出類型?(VDC):
0 – 10

勵磁電壓?(Vrms):
3

信號特征

勵磁頻率?(kHz):
7.5

主體特性

信號調節 - LVDT/RVDT 重量?(g):
117

機械附件

信號調節 - LVDT/RVDT 安裝?:
DIN 3

使用環境

工作溫度范圍?:
-20 – 75?°C?[?0 – 165?°F?]

操作/應用

...

發表于 08-21 02:00 ?

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-006 -006 線性位移傳感器 - LVDT

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目前沒有詳細產品特性的在線信息。?

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-012 -012 線性位移傳感器 - LVDT

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目前沒有詳細產品特性的在線信息。?

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-006 -006 線性位移傳感器 - LVDT

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-012 -012 線性位移傳感器 - LVDT

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電氣特征

線性位移傳感器 - LVDT/LVIT 電源電壓?(V):
±15

模擬輸出?:
±10 V

電氣連接?:
PT02A-10-6P

主體特性

線性位移傳感器 - LVDT/LVIT 外形尺寸?:
圓柱形

彈簧回彈式?:
分離式鐵芯, 分離式鐵芯

殼體特性

線性位移傳感器 - LVDT/LVIT 外殼材料?:
不銹鋼

外殼直徑?:
4.78?mm?[?.188?in?]

使用環境

工作溫度范圍?:
0 – 70?°C?[?32 – 158?°F?]

環境規范?:
1,000 PSI 壓力

...

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-M -M 角位移傳感器 - RVDTRVIT

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產品類型特性

角度位移傳感器 - RVDT/RVIT 類型?:
RVDT

結構特性

電氣連接?:
M12.5 針

電氣特征

Input Current (Max)?(mA):
25

角度位移傳感器 - RVDT/RVIT 輸出類型?:
0 – 10 VDC

主體特性

角度感應范圍?(°):
0 – 120

角度位移傳感器 - RVDT/RVIT 重量?(g):
99

外殼材料?:
鋁

機械附件

角度位移傳感器 - RVDT/RVIT 安裝?:
Servo Groove

...

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-00 -00 即插即用加速度傳感器

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產品類型特性

加速度計類型?:
MEMS DC

即插即用加速度計傳感器類型?:
直流響應即插即用加速度計

結構特性

電氣連接?:
5 針連接器

電氣特征

滿量程輸出電壓?(VDC):
±2

勵磁電壓?(VDC):
4 – 30

零加速輸出?(mV):
±50

信號特征

頻率響應?(Hz):
0-1500

主體特性

軸數?:
1

重量?:
16?g?[?.56?oz?]

材料?:
不銹鋼

...

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-1 -1 角度位置傳感器 - 空心軸旋轉變壓器

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結構特性

Resolver Size?:
21

Pole Pairs?:
1

其他

Angular Error?('):
20

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315-120 315-120 即插即用加速度傳感器

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產品類型特性

即插即用加速度計傳感器類型?:
電纜組件

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-00 341A-240 即插即用加速度傳感器

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產品類型特性

即插即用加速度計傳感器類型?:
電纜組件

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4000A-005-060 4000A-005-060 即插即用加速度傳感器

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產品類型特性

加速度計類型?:
MEMS DC

即插即用加速度計傳感器類型?:
直流響應即插即用加速度計

結構特性

電氣連接?:
一體式電纜

電氣特征

滿量程輸出電壓?(VDC):
±2

勵磁電壓?(VDC):
8 – 36

零加速輸出?(mV):
±100

勵磁電流?(mA):
5

信號特征

頻率響應?(Hz):
0-300

主體特性

軸數?:
1

重量?:
7?g?[?.245?oz?]

...

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4000A-050-030 4000A-050-030 即插即用加速度傳感器

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產品類型特性

加速度計類型?:
MEMS DC

即插即用加速度計傳感器類型?:
直流響應即插即用加速度計

結構特性

電氣連接?:
一體式電纜

電氣特征

滿量程輸出電壓?(VDC):
±2

勵磁電壓?(VDC):
8 – 36

零加速輸出?(mV):
±100

勵磁電流?(mA):
5

信號特征

頻率響應?(Hz):
0-800

主體特性

軸數?:
1

重量?:
7?g?[?.245?oz?]

...

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603-0100-120 603-0100-120 速率和慣性傳感器

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產品類型特性

速率和慣性傳感器類型?:
Rate Sensors/Gyros

電氣特征

勵磁電壓?(VDC):
5 – 16

尺寸

尺寸 MM?:
20.8 x 20.8 x 14.5

使用環境

工作溫度范圍?:
-40 – 105?°C?[?-40 – 221?°F?]

包裝特性

速率和慣性傳感器包裝?:
Anodized Aluminium

其他

精確度?:
±0.5% Non-Linearity

FS 范圍 (±) DEG/SEC?:
100...

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-00 610-12K-276 速率和慣性傳感器

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產品類型特性

速率和慣性傳感器類型?:
Rate Sensors/Gyros

電氣特征

勵磁電壓?(VDC):
5 – 16

尺寸

尺寸 MM?:
14.6 x 10.2 x 7.6

使用環境

工作溫度范圍?:
-40 – 105?°C?[?-40 – 221?°F?]

包裝特性

速率和慣性傳感器包裝?:
Anodized Aluminium

其他

精確度?:
±0.5% Non-Linearity

FS 范圍 (±) DEG/SEC?:
...

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-000 -000 位置傳感器配套儀表

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電氣特征

線路電源電壓要求?(VDC):
±12, ±15

信號調節 - LVDT/RVDT 輸出類型?(VDC):
±10

勵磁電壓?(Vrms):
3

信號特征

勵磁頻率?(kHz):
2.5 – 10

機械附件

信號調節 - LVDT/RVDT 安裝?:
Printed Circuit Board Edge or Terminal Block

使用環境

工作溫度范圍?:
-1 – 55?°C?[?30 – 130?°F?]

其他

傳感器類型?:
帶 5 或 6 根導線的 LVDT 或 RVDT

傳感器通道?:
1

...

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-000 -000 線性位移傳感器 - LVDT

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使用環境

工作溫度范圍?:
5 – 60?°C?[?41 – 140?°F?]

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7104A-0050 7104A-0050 即插即用加速度傳感器

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產品類型特性

加速度計類型?:
IEPE

即插即用加速度計傳感器類型?:
交流響應即插即用加速度計

結構特性

電氣連接?:
10-32 同軸連接器

電氣特征

滿量程輸出電壓?(VDC):
±5

勵磁電壓?(VDC):
18 – 30

勵磁電流?(mA):
2 – 10

信號特征

頻率響應?(Hz):
0.3-

主體特性

軸數?:
1

重量?:
8.6?g?[?.303?oz?]

材料?:
不銹鋼

...

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-020 -020 傾角傳感器和傾角儀

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結構特性

接口?:
模擬

電氣特征

電源電壓?(VDC):
12 – 24

模擬接口?(mA):
4 – 20

端接特性

傾角傳感器和測斜儀安裝?:
垂直

尺寸

尺寸?(mm):
最多 70

傾角傳感器和測斜儀精確度?(°):
最多 +/- .5

分辨率?(°):
最多 +/- .01

使用環境

測量原理?:
液體

工作溫度范圍?:
-25 – 60?°C?[?-13 – 140?°F?]

包裝特性

傾...

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-00 AST4300AP4P1000 壓力傳感器

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產品類型特性

壓力傳感器類型?:
非易燃壓力變送器

壓力類型?:
測量儀

結構特性

壓力端口/接頭?:
1/4 MNPT

電氣連接?:
10 英尺導管

電氣特征

壓力傳感器電源電壓?(V):
10 – 28

主體特性

端口材料?:
316L

使用環境

壓力?:
344.73?bar?[?5000?psi?]

工作溫度范圍?:
-40 – 80?°C?[?-40 – 176?°F?]

操作/應用

耐壓范圍?:
2X，最小值

...

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-00 AST4600AP4W1000 壓力傳感器

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產品類型特性

壓力傳感器類型?:
防爆型壓力變送器

壓力類型?:
測量儀

結構特性

壓力端口/接頭?:
1/4 MNPT

電氣連接?:
導管 2 m 引線

電氣特征

壓力傳感器電源電壓?(V):
10 – 28

主體特性

端口材料?:
316L

使用環境

工作溫度范圍?(°C):
-40 – 85

工作溫度范圍?(°F):
-40 – 185, -40 – 185

操作/應用

耐壓范圍?:
2X，最小值

...

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