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1、汽车传感器与测试技术汽车传感器与测试技术第十二章第十二章 新型传感器新型传感器新型传感器是利用新型传感器是利用新效应、新材料新效应、新材料及及新的新的加工工艺加工工艺制造的传感器。制造的传感器。2022年5月11日4三三 图像传感器图像传感器二二 智能传感器智能传感器一一 光纤传感器光纤传感器 本节主要内容五五 气体浓度传感器气体浓度传感器四四 超声波传感器超声波传感器 2022年5月11日512.1 12.1 光纤光纤传感器传感器p 光光(导导)纤纤(维维)是是20世纪世纪70年代的重要发明之一，年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学它与激光器、半导体探测器一起构成了
2、新的光学技术，创造了光电子学的新天地技术，创造了光电子学的新天地(领域领域)。p 光纤传感器始于光纤传感器始于1977年，把待测量与光纤内的年，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。导光联系起来就形成光纤传感器。2022年5月11日6极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、 良好的抗电磁干扰能力、高绝缘强度、耐良好的抗电磁干扰能力、高绝缘强度、耐 高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带。高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带。机械、电子仪器仪表、航空航天、通讯、机械、电子仪器仪表、航空航天、通讯、 生物医学、环保、食品、化工生物医学、环保、食品、化工 电流磁场、电
3、压电场、温度、速度、电流磁场、电压电场、温度、速度、 振动、压力、射线、图像振动、压力、射线、图像 2022年5月11日7一、光纤传感器的基本知识1. 1. 光纤的结构光纤的结构 注：不同类型的光纤材料的折射率分布有区别注：不同类型的光纤材料的折射率分布有区别纤芯纤芯包层包层外套外套2022年5月11日82. 2. 光纤的分类光纤的分类1 1）按折射率分布）按折射率分布折射率变化规律折射率变化规律分类分类阶跃型阶跃型梯度型梯度型 采用梯度型光纤时，光射入光纤后会自动地从界采用梯度型光纤时，光射入光纤后会自动地从界面向轴心会聚，因此也称为聚焦光纤。面向轴心会聚，因此也称为聚焦光纤。 阶跃光纤的纤
4、芯与包层间的折射率阶跃变化的，阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，如图如图 所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。面上发生的内全反射现象。梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形状递减，中心轴线开始沿径向大致按抛
5、物线形状递减，中心轴折射率最大。因此，光纤在纤芯中传中心轴折射率最大。因此，光纤在纤芯中传播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形。梯度光纤又光纤传播的轨迹类似正弦波形。梯度光纤又称为自聚焦光纤。称为自聚焦光纤。2022年5月11日9 是指是指光波传播的途径和方式光波传播的途径和方式。对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。度分布也是不同的，这就是传播模式不同。 在
6、光纤中传播模式很多不利于光信号的传播，在光纤中传播模式很多不利于光信号的传播，因为同一种光信号采取很多模式传播将使一部分光因为同一种光信号采取很多模式传播将使一部分光信号分为多个不同时间到达接收端的小信号，从而信号分为多个不同时间到达接收端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量要少。要少。2022年5月11日10 一般纤芯直径为一般纤芯直径为212m，只能传输一种模，只能传输一种模式称为式称为。这类光纤传输性能好，信号。这类光纤传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好，畸变小，信息容量大，线性好， 灵敏度高，灵敏度高， 但但由于
7、纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。难。 纤芯直径较大（纤芯直径较大（50100m），传输模式），传输模式较多称为较多称为，这类光纤的性能较差，输，这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，故 容 易 制 造 ， 连 接 和 耦 合 比 较 方 便 。故 容 易 制 造 ， 连 接 和 耦 合 比 较 方 便 。2022年5月11日11光是一种电磁波光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而原理。然而根据光学
8、理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间折射率变化缓慢的空间,可以用可以用“光线光线”即即几何光学几何光学的的方法来分析光波的传播现象方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的这对于光纤中的多模光纤多模光纤是完全适用的。为此是完全适用的。为此, 采用几何光学的方法来分析。采用几何光学的方法来分析。2022年5月11日12（Snells Law）当光由光密物质当光由光密物质（折射率大）入射至光疏物质（折射率小）时，发（折射率大）入射至光疏物质（折射率小）时，发生折射，其折射角大于入射角。生折射，其折射角大于入射角。即即n1n2时，时， 2 1 。 (a)(a)光的折射示意图光的折射示意图
9、可见，入射角可见，入射角 1增大时，增大时，折射角折射角 2也随之增大，且始终也随之增大，且始终 2 1 。n1、n2、 2 、 1之间的数学关系为之间的数学关系为 n1sin 1 =n2sin 2 n1n2 1 22022年5月11日13当当 2 =90 时，时， 1仍仍90，此时，出射光线沿界面传，此时，出射光线沿界面传播如图（播如图（b），），称为临界状态（称为临界状态（ 1 10 ）。这时有）。这时有n1n2(b) 临界状态示意图临界状态示意图 2 1 10=arcsin(n2/n1) sin 10=n2/n1 sin 2 sin90 1临界角临界角n1n2(c) 光全反射示意图光全反
10、射示意图 1 2当当 1 i0并继续增大时，并继续增大时， 2 90 ，这时便发生全反射现这时便发生全反射现象，如图象，如图(c) ，其出射光不再其出射光不再折射而全部反射回来。折射而全部反射回来。2022年5月11日14n1n2n0阶跃型光纤传光示意图0110sinsinnn011？ 若空气的光折射率为若空气的光折射率为n0，要使光纤的入射光，要使光纤的入射光在光纤纤芯内全反射，则在光纤纤芯内全反射，则 0至多为多少？至多为多少？211arcsinCnn2022年5月11日151）数值孔径）数值孔径 数值孔径反映纤芯接收光量的多少，是标志光纤接收数值孔径反映纤芯接收光量的多少，是标志光纤接收
11、性能的一个重要参数。性能的一个重要参数。2）损耗：）损耗： 光纤吸收损耗、散射损耗以及弯曲损耗等。定义损光纤吸收损耗、散射损耗以及弯曲损耗等。定义损耗系数耗系数1o10lg PLLP，光纤长度入射端光功率入射端光功率出射端光功率出射端光功率2022年5月11日16目前常用的光纤材料有石英玻璃、多目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。成分玻璃、复合材料等。 在这些材料中，由于存在这些材料中，由于存在在杂质离子、原子的缺陷杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造等都会吸收光，从而造成材料损耗。成材料损耗。是由于是由于材料密度及浓度不均匀材料密度及浓度不均匀引起的。引起的。光纤拉制时
12、光纤拉制时粗细不均匀粗细不均匀，造成纤维尺寸沿轴线变，造成纤维尺寸沿轴线变化，化， 同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的界面的不光滑、污染不光滑、污染等，也会造成严重的散射损等，也会造成严重的散射损耗。耗。是使用过程中可能产生的一种损耗。是使用过程中可能产生的一种损耗。光纤光纤弯曲弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。层产生损耗。 2022年5月11日17二、光纤传感器的结构及特性n 光纤传感器分类光纤传感器分类1. 功能型传感器：传感型、探测型（利用光纤本身的某种敏感特性）2. 非功能型传感器
13、：传光型、结构型、强度型、混合型(光纤只作为传光介质)n 光纤传感器可测参量光纤传感器可测参量1. 电流磁场、电压电场；2. 温度3. 速度4. 振动、压力5. 射线6. 图像2022年5月11日18 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图见图(a)。 光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、
14、敏感元件的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤或非光纤的光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图见图(b)。由光发送器发出的光经源光纤引由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。处理得到所期待的被测量。光纤光纤信号处理信号处理光接收器光接收器敏感元件敏感元件光发送器光发送器（b）光纤传感器光纤传感器信号处
15、理信号处理电电 源源信号接收信号接收敏感元件敏感元件（a）传统传感器传统传感器 导线导线2022年5月11日19 光纤传感器由光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光光纤传感器由光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光探测器、信号处理系统以及光纤等组成。探测器、信号处理系统以及光纤等组成。由光源发出的光通由光源发出的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，在光的过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，在光的调制区内，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光调制区内，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光信号经接收光纤耦信号经接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，合到光探测
16、器，将光信号转换为电信号， 最后经信号处理得到所需要的被测量。最后经信号处理得到所需要的被测量。 2022年5月11日20(1) (1) 根据光纤在传感器中的作用根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型功能型、非功能型和拾光型三大类。三大类。 1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤或特殊光纤)作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体的传感器。光纤不仅合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素起传光作用
17、，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变弯曲、相变)的作用的作用下，其光学特性下，其光学特性(光强、相位、偏振态等光强、相位、偏振态等)的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理信号处理光受信器光受信器光纤敏感元件光纤敏感元件光发送器光发送器2022年5月11日21 2 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉
18、”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理信号处理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光发送器光发送器光纤光纤 3 3）拾光型光纤传感器）拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度其典型例子如光
19、纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。计、辐射式光纤温度传感器等。 信号信号处理处理光受光受信器信器光发送器光发送器光纤光纤耦合器耦合器被测对象被测对象2022年5月11日22光纤传感器的基本结构测测量量对对象象测测量量对对象象测测量量对对象象测测量量对对象象功能型功能型传光型传光型传光型传光型传光（拾光）型传光（拾光）型2022年5月11日23 （2 2）根据光受被测对象的调制形式）根据光受被测对象的调制形式形式：形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制相位调制。 1 1）强度调制型光纤传感器）强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感
20、元件的折射率、吸收是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。振动、温度、位移、气体等各种强
21、度调制型光纤传感器。结构简单、容易实现，成本低。结构简单、容易实现，成本低。受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。2022年5月11日24 2 2）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力
22、、振动或声传感、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。 3 3）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器
23、；利多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。 2022年5月11日25 4 4）相位调制传感器）相位调制传感器 其基本原理是其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条
24、纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成
25、本高。于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。 2022年5月11日262022年5月11日27四、产品压力压力应力应力温度温度2022年5月11日28温度、应变仪温度、应变仪分析仪分析仪网络分析仪网络分析仪2022年5月11日2912.2 12.2 智能智能传感器传感器n所谓智能传感器指带有微处理器的兼有信息检测、信息处理 、逻辑思维与判断功能的传感器。它具有人工智能。n（1）自诊断、自校准功能。n（2）多传感器多参数复合测量；n（3）数据可存取；n（4）具有数字通信接口，与计算机连接。2022年5月11日302022年5月11日31n 1 1）基于智能传感器的汽车轮胎压力监测系统）基于
26、智能传感器的汽车轮胎压力监测系统2022年5月11日32n （1）驾驶员驾驶资质确认单元。n （2）驾驶员超速驾驶检测单元。n （3）驾驶员疲劳驾驶检测单元。n （4）车辆承重检测单元2）汽车运行信息智能传感器测试系统2022年5月11日332022年5月11日34n 固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的大小不等的电荷包空间分布。然后利用移位寄存器的移位功能将这些电荷包在时钟脉冲控制下实现读取与输出，形成一系列幅值不等的时序脉冲序列12.3 12.3 固态图像固态图像传感器传感器2022年5月11日35
27、一 光电器件-电荷耦合器件2022年5月11日36基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机2022年5月11日37CCD结构示意图 显微镜下的MOS元表面二、电荷耦合器件的结构和工作原理1.基本结构CCD基本结构分两部分：（1）MOS（金属氧化物半导体） 光敏元阵列；电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。（2）读出移位寄存器。2022年5月11日38MOS电容 CCD 是由规则排列的金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。
28、 MetalOxideSemiconductor2022年5月11日39 2. 电荷耦合器件的工作原理CCD光信息电脉冲脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置完成图像传感2022年5月11日40特点：以电荷作为信号基本功能：电荷的存贮和转移CCD基本工作原理信号电荷的产生信号电荷的产生信号电荷的存贮信号电荷的存贮信号电荷的传输信号电荷的传输信号电荷的检测信号电荷的检测2022年5月11日41(1)信号电荷的产生2022年5月11日42v 当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，
29、是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。(2)信号电荷的存储2022年5月11日43v读出移位寄存器a.CCD电荷耦合器件是以电荷为信号。b.读出移位寄存器也是MOS结构。c.由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元,在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲123。 （3 3）电荷转移原理）电荷转移原理2022年5月11日44u CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种,以电压输出型为例：有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA） (4)电荷耦合器信
30、号输出2022年5月11日45 CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、行间转移结构CCD。v 线阵CCD结构 线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位寄存器组成。读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出信息，这一过程是一个串行输出过程。三、CCD器件2022年5月11日46电荷输出控制波形电荷输出控制波形2022年5月11日476464位线阵位线阵CCDCCD结构结构2022年5月11日48b.面阵电荷耦合器b面型C
31、CD图像传感器 面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。 图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。2022年5月11日49二相驱动二相驱动视频输出视频输出 行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区沟阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光区 存储区析像单元 视频输出输出栅串行读出(a) (b)2022年5月11日50 图（b）所示结构
32、增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器。2022年5月11日51光栅报时钟光栅报时钟二相驱动二相驱动输出寄存器输出寄存器检波二极管检波二极管 视频输出视频输出垂直转移垂直转移寄存器寄存器感光区感光区二相
33、驱动二相驱动(c)2022年5月11日52 图(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图(b)中感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。 目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能生产的产品的单元数也越来越多，最多已达10241024像元。我国也能生产512320
34、像元的面型CCD图像传感器。2022年5月11日53 对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同的。 不同型号的CCD器件具有完全不同的外型结构和驱动时序，在实际使用时必须加以注意。 我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索取相关资料，为CCD器件的应用提供技术支持。 2022年5月11日54CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据；外部参数描述的是与CCD应用有关的性能指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率。 特性2022年5月11日55 CCD传感器应用时是将不同光
35、源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。 CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCD被广泛用于在线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。三、应用举例2022年5月11日56 利用利用CCDCCD测量测量几何量几何量，CCDCCD诞生后，首先在工业检诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在在CCDCCD光敏元上造成影像，光敏元上造成影像，CCDCCD输出的脉冲表征测输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷；量工件的尺寸
36、或缺陷； 用于用于传真传真技术，技术，文字、图象识别文字、图象识别。例如用。例如用CCDCCD识识别集别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用； 自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机；装置、指纹机；2022年5月11日57利用某种待测的非声量与某些描述媒质声学利用某种待测的非声量与某些描述媒质声学特性的超声量之间存在着的直接或间接的关系。特性的超声量之间存在着的直接或间接的关系。密度、流量、液位、厚度、缺陷等密度、流量、液位、厚度、缺陷等基于反射原理的示意图基于反射原理的示意图一、概述一、概述12
37、.4 12.4 超声波超声波传感器传感器2022年5月11日58n波（动）：振动在弹性介质内的传播称为波动。波（动）：振动在弹性介质内的传播称为波动。 频率：次声波、声波、超声波、微波频率：次声波、声波、超声波、微波次声波：次声波：低于低于16 Hz的机械波；的机械波；声波：声波：其频率在其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波；之间，能为人耳所闻的机械波；超声波：超声波：高于高于2104 Hz的机械波；的机械波；微波：微波：频率在频率在310831011 Hz之间的波；之间的波；2022年5月11日59n 纵波：纵波：质点的振动方向质点的振动方向与波的传播方向一致。与波的传播方向
38、一致。（固、液、气）（固、液、气）n 横波：横波：质点的振动方向质点的振动方向垂直于波的传播方向。垂直于波的传播方向。（固）（固） n 表面波：表面波：质点的振动介质点的振动介于纵波和横波之间，沿于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减。度增加而迅速衰减。（固体表面）（固体表面）L 1界面界面介质介质1介质介质2 2L1L2S1S2L入射纵波；入射纵波； L1 反射纵波；反射纵波； L2 折射纵波折射纵波 S1 反射横波；反射横波； S2折射横波。折射横波。2022年5月11日60取决于介质的弹性常数及介质的密度，与自身频率无关。取决于介质的弹性常数及介质的
39、密度，与自身频率无关。密度弹性率声速在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为在固体介质中，纵波、横波、表面波三者的声速分别为横表面横纵cGcGEcEc9 . 09 . 0)1 (21)21)(1 (1E E 杨氏模量；杨氏模量； 泊松比；泊松比；G G 剪切弹性模量。剪切弹性模量。2022年5月11日61当波速一致时当波速一致时入射波入射波 界面界面介质介质1介质介质2反射波反射波折射波折射波（2 2）折射定律）折射定律21sinsinccc c1 1入射声波速；入射声波速； c c2 2折射声波速折射声波速（1）反射定律）反射定律2022年5月11日62 超声波在一种介质中传播时，随
40、着距离的增加，能超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律为xxeIIePP200P P0 0、I I0 0 声波在声波在x x=0=0处的声压和声强；处的声压和声强；P P、I I 声波在声波在x x处的声压和声强；处的声压和声强； 衰减系数。衰减系数。n 应用：工件的厚度、球墨铸铁的球化程度、泥浆应用：工件的厚度、球墨铸铁的球化程度、泥浆 的浓度等。的浓度等。2022年5月11日63n 机械效应机械效应 超声波可以引起质点的运动超声波可以引起质点的运动n 空化效应空化效应 一般表现在液体中微气泡的振动一般表现在液体中微
41、气泡的振动n 热效应热效应 介质吸收超声波的能量介质吸收超声波的能量2022年5月11日64二、超声波传感器1 1、定义：、定义： 能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超能够完成产生超声波和接收超声波功能的装置就是超声波传感器，也称为超声波换能器获超声波探头。声波传感器，也称为超声波换能器获超声波探头。n 应用：应用：超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、液超声波传播时间传感器、目标探测、流量测量、液位测量、超声清洗、超声医疗等。位测量、超声清洗、超声医疗等。n 特点：特点：精度高，被测物体不受影响。精度高，被测物体不受影响。2022年5月11日652、分类n 结构：直探头、斜探头
42、、双探头和液浸探头结构：直探头、斜探头、双探头和液浸探头n 工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式工作原理：压电式、磁致伸缩式、电磁式2022年5月11日663、压电式探头n 超声波传感器大多数利用压电材料制成，逆压电效应将超声波传感器大多数利用压电材料制成，逆压电效应将电振动转换成机械振动产生超声波，作为发射探头；正电振动转换成机械振动产生超声波，作为发射探头；正压电效应将超声波转换成电信号，作为接收探头。压电效应将超声波转换成电信号，作为接收探头。n 压电探头主要通过压电晶片将超声振动转换为电信号压电探头主要通过压电晶片将超声振动转换为电信号2022年5月11日67三、超声波传感器的应用1
43、1、超声波测厚、超声波测厚 脉冲回波法：脉冲回波法：2022年5月11日682、液位测量通过测量发射和接收信号之间的时间差测距离。通过测量发射和接收信号之间的时间差测距离。2022年5月11日69液位计2022年5月11日703、超声波探伤 n 穿透法探伤：穿透法探伤： 穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情穿透法探伤是根据超声波穿透工件后能量的变化情况来判断工件内部质量。况来判断工件内部质量。 n 反射法探伤反射法探伤： 反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同来探测工件内部是否有缺陷。它又分为来探测工件内部是否有缺陷。它又分为一次脉冲反射法一次脉冲反射法和和多次脉冲反射法多次脉冲反射法两种。两种。2022年5月11日71穿透法探伤 n 优点：指示简单，适优点：指示简单，适用于自动探伤；可避用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄免盲区，适宜探测薄板。板。n 缺点：探测灵敏度较缺点：探测灵敏度较低，不能发现小缺陷；低，不能发现小缺陷；根据能量的变化可判根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能断有无缺陷，但不能定位；对两探头的相定位；对两探头的相对位置要求较高。对位置要求较高。 穿透法探伤原理穿透法探伤原理 2022年5月11日721、光纤传感器的基本原理；2、CCD的基本原理；3、超声波传感器的基本原理。本章要点：本章要点：