如何合理选择机器视觉传感器

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

现代科学技术的发展不断地向检测技术提出新的要求，同时也推进了检测技术的发展，新的传感器不断出现，使检测技术产生了巨大的变化。那么，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，就成了工程技术人员经常遇到的问题。

1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。
在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
2、灵敏度的选择
通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。
传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
3、频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。
传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。
在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。
4、线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来大的方便。
5、稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。
6、精度
精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。
如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。
对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。

目前，如何选择机器视觉传感器在当代的应用可谓是越来越广泛，如何选择机器视觉传感器是值得我们好好学习的，现在我们就深入了解如何选择机器视觉传感器。

相机是机器视觉系统的眼睛，而相机的心脏是图像传感器。传感器的选择取决于准确性、输出、灵敏度、机器视觉系统的成本以及对应用要求的充分理解。对传感器主要性能的基本理解能够帮助开发人员迅速缩小他们的查找范围，找到合适的传感器。

大多数的机器视觉系统的用户认识到相机是系统的关键要素，经常把它当作视觉系统的“芯片”。相机本身是一个复杂的系统：包括镜头、信号处理器、通讯接口，以及核心的部分——把光子转换成电子的器件：图像传感器。镜头和其它的部件共同配合来支持相机的功能，传感器决定相机的高性能。

在指定的应用中，三个关键的要素决定了传感器的选择：动态范围、速度和响应度。动态范围决定系统能够抓取的图像的质量，也被称作对细节的体现能力。传感器的速度指的是每秒钟传感器能够产生多少张图像和系统能够接收到的图像的输出量。响应度指的是传感器将光子转换为电子的效率，它决定系统需要抓取有用的图像的亮度水平。传感器的技术和设计共同决定上述特征，因此系统开发人员在选择传感器时必须有自己的衡量标准，详细的研究这些特征，将有助于做出正确的判断。

正确理解动态范围

传感器的动态范围是容易使人疑惑和误解的地方，这是因为机器视觉系统是数字的。图像的动态范围包括两部分：一是传感器能够工作的曝光范围（亮度的倍数）；其次是传感器能够数字化像素信号的电平的数量，用位数表示。这两部分通常是紧密相关的。

曝光的动态范围表示传感器能够正常工作的亮度水平。当光子撞击图像传感器的活动像素区域时产生电子，传感器将其捕获并存储起来以备系统读取。撞击活动区域的光子数越多，产生的电子数就越多，在读取的间隔中，该过程持续的时间越长，被存储的电子就越多。决定传感器曝光动态范围的参数之一就是填充存储阱的曝光。制造传感器的半导体加工工艺和电路设计共同决定阱的容量或深度。

电子噪音是传感器能够工作的min曝光水平，尽管没有任何光子撞击活动的像素区域，图像传感器也将以热量发射的形式产生电子。要产生可识别的信号，必须有足够的光子撞击活动的像素区域，以便在存储阱中有比暗电流噪音所产生的电子数更多的电子。传感器的min曝光率是产生至少与噪音电子同样多的光电子数。只有在超过噪音等量的曝光水平时，传感器才能产生有用的信息。

传感器的曝光动态范围是由其物理和电路设计所决定的功能，而数字动态范围只是由电路设计所决定的功能。图像传感器的数字动态范围只是说明它能够提供给视觉系统的明显的曝光值。8位的传感器有256个灰度级，10位的有1024个，以此类推。表示动态范围的位数并不是反映传感器能够响应的max曝光的必须要素，但是这两者通常是相对应的。

比暗电流噪音水平小的等量的信号度不能产生有用的信息，类似地，如果数字化值大于传感器的max信号值，也不会产生额外的信息。在实践中，传感器需要设计成等量信号度与暗电流噪音水平等值，并有足够信号步进度达到饱和的曝光信号水平。按此方式设计，传感器的数字动态范围与其曝光动态范围说明的是同一事物：饱和等量曝光与噪音等量曝光的比率。

交互作用决定取舍

传感器的动态范围一定程度上决定机器视觉系统所产生的图像质量，位数越高，系统能够分辨的图像的细节就越细微。对更低的暗电流噪音和高精度的需求的日益提高，使传感器的成本变得越来越昂贵。然而，不是所有的应用都需要精细的图像。因此，设计师们设计了不同动态范围的传感器供选择。例如，邮包分拣或电子生产检查，8位的动态范围就可以有效地工作。但是，医疗和空中侦察就需要14位的动态范围。应用需求还对传感器的第二项特征速度提出了要求

速度是比动态范围更直观的特征，它只是衡量传感器采集和传送图像到系统的速度有多快。传感器的速度也包括两个方面：一个是帧频，也就是传感器传送像素数据到系统所需要的时间。另外就是传感器为了采集一幅有用的图像所需的曝光时间。帧频永远都不会比曝光时间快，因此帧频是用来说明传感器性能的通用量值。

在加工检查类的应用中，传感器的速度决定系统的输出。如果每一幅图像代表待检的一个零件，那么系统每秒能够检查的零件数量不会高于传感器每秒能够发送的帧数。当成像的物体处于运动状态时，为防止出现图像模糊，必须要求高的采集速度。因此对于高输出量的检测系统和对高速运动物体的成像应用需要高速的传感器。

速度和动态范围是相互关联的，为了快速地传送图像，传感器必须快速地对每一个像素的数据进行数字化。这就意味着模拟到数字转换器需要快速地形成一个稳定的输出。

从物理层面和设计角度上讲，速度应该让步于动态范围。电路运行的速度越快，产生的热量就越多。传感器的暗电流噪音随着温度的增加而增加，因此传感器的速度越高，其噪音就越大，动态范围就越低。高速的传感器比低速的传感器的噪音更大，而且能提供的动态范围更低。

传感器的速度与其第三项特征响应度也是相关联的

应用中所需的帧频越高，用于曝光的时间就越少。为了减少曝光时间，设计师需要增加光照的亮度，如果不增加亮度，就只能选择高响应度的传感器。

响应度是指在给定的曝光条件下，所产生的信号的强度（V）。在图像传感器中，有三个因素控制响应度：第一是量子的效率，或者说是每个光子所产生的电子的数量。第二个要素是存储电荷（q）的传感器输出电路的电容（C）的大小，电荷的信号电压公式是V=q/C。第三个要素是传感器的输出放大器增益。如果传感器在与噪音等量的曝光水平下运行时，增益本身并不能提高传感器的响应度。

开发人员在为他们的机器视觉系统选购传感器时，必须在动态范围，速度和响应度这三个关键要素之间做出取舍。高速度和低光照度将导致噪音增加并降低动态范围。在动态范围允许的情况下，对成像细节的高要求也需要提高光照强度以弥补较低的响应度。传感器本身所具有的物理属性，不可避免地要在这三项关键要素之间做出平衡。

以上提到的三项关键要素并不是构成传感器选择的唯一考量，另外还有两项重要的因素：传感器的分辨率和像素间距，其中任何一项都能够影响图像的质量，并且与上述三项关键要素相互作用。

分辨率是指由多少个像素构成一幅图像，它是反映传感器尺寸和像素间距的量值。应用所需要的传感器的分辨率决定于几项相关的要素：包括视野、工作距离、传感器大小和像素间距以及系统所要求的采集空间细节所需的像素的数量等。传感器的分辨率越高，其时钟必须运行得越快，以获得需要的帧频。因此，传感器的分辨率对速度有非常大的影响。

像素间距定义单个像素区域的大小，与传感器的大小共同作用来决定传感器的分辨率。由于传感器通常只有有限的大小可选，所以像素的间距越小，其分辨率就越高。像素间距能够影响响应度，但是间距越小，每个像素能够采集光子的活动区域就越小。

最终，所有这些传感器的要素都要与相机的其它部件相互影响。相机镜头的分辨率是通过调制解调函数（MTF）来衡量的，例如，镜头的分辨率必须与传感器的像素间距相匹配，才能获得理想的成像质量。在传感器分辨率允许的范围内，一个5微米MTF的镜头在3微米的像素间距的传感器上所成的黑白线模式只能形成灰色的图像。因此，在选购传感器时必须采购与之匹配的其它系统部件。

重要的一点是要充分理解应用对传感器动态范围、速度和响应度的需求。需求决定哪些性能是在可接受的范围之内，最终决定系统的其它部件的要求。

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