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1、第5章 新型传感器简介,5.1 CCD图像传感器 5.2 触觉传感器 5.3 光纤传感器 5.4 磁性传感器 5.5 集成温度传感器,第5章 新型传感器简介,从第2章到第4章我们已经学习了十几种常用的传感器。随着科学技术的发展，在不断发现新现象、采用新原理、开发新材料和采用新工艺的基础上，传感器技术得到了很大的进步与提高。同时，与单片机或者微计算机相结合的智能式传感器、生物传感器也有了很大的发展。 新型传感器技术含量高、功能强，相对传统传感器具有很多优点。了解和学习这些新型的传感器有助于我们打一大视野，及时了解、掌握新型传感器技术并加以应用。本章将介绍最近几年发展起来的新型传感器，包括CCD图
2、像传感器、触觉传感器、光纤传感器、磁性传感器和集成温度传感器。,返回,5.1 CCD图像传感器,图像传感器是采用光电转换原理，用来摄取平血光学图像并使其转换为电子图像信号的器件。图像传感器必须具有两个作用，一是具有把光信号转换为电信号的作用;二是具有将平面图像上的像素进行点阵取样，并把这些像素按时间取出的扫描作用。 电荷耦合器件又称为CCD器件，如其外形如图5-1所示，它是近年来新发展起来的一种半导体功能器件，能够把光学影像转化为数字信号。,下一页,返回,5.1 CCD图像传感器,5.1.1 CCD图像传感器的结构 CCD更接近于人的视觉的工作方式，只不过人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞
3、和色彩感应的锥细胞分工合作组成视觉感应。CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型，如图5-2示为CCD的三层结构示意图，上层为增光镜头，中层为分色滤色片，下层为感光层。 第一层：增光镜头 CCD 成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD 的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。 感光面积不再由传感器的开口面积决定，而由微型镜片的表面积来决定。,上一页,下一页,返回,5.1 CCD图像传感器,第二层 分色滤色片 CCD 的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式：一是RGB 原色分色法，另一个则是CMYK 补色分色法。 RGB 原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以
4、通过红、绿和蓝来组成。 CMYK 补色分色法，是由青洋红、黄、黑四个通道的颜色配合而成。 原色CCD 的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。在印刷业中，CMYK 更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB 的多。,上一页,下一页,返回,5.1 CCD图像传感器,第三层 感光层 CCD 的第三层是“感光片”，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到图像处理芯片，将影像还原。感光层的基本组成部分是MOS 型光通量传感器如图5-3 所示。 一个图像传感器是由纵横方向上数千个光通量传感器组成的矩阵和控制水平方向与垂直方向扫描的移位寄存器组合而成的。,上一页,下一页,返回,
5、5.1 CCD图像传感器,5.1.2 CCD 传感器的工作过程 如图5-4 所示为CCD 系统构成，主要由CCD 传感器、放大器、模数转换器和缓存构成。其中，CCD 传感器由成像区、暂存区和水平读出寄存器三部分构成，每个成像单元称为一个像索（Pixel ) ，假定有M 个转移沟道，每个沟道有N 个成像单元，那么整个成像区共有M *N 个像索。CCD 传感器的暂存区的结构和单元数与成像区相似，暂存区与水平读出寄存器均需作遮光处理。,上一页,下一页,返回,5.1 CCD图像传感器,CCD 传感器工作时，图像经物镜在成像区成像，给成像区上面的电极加上适当的偏压时，光生电荷被收集到电极下方的势阱里，这
6、样就将光学图像变成了电荷包图像。当光积分周期结束时，加到成像区和暂存区电极上的时钟脉冲使所有收集到的信号电荷迅速转移到暂存区中，然后经由水平读出寄存器，在时钟脉冲控制下，通过输出极逐行输出一帧信息，在第一帧读出的同时，第二帧信息通过光积分又收集到势阱中，这样，就可以一帧一帧连续地读出。,上一页,下一页,返回,5.1 CCD图像传感器,5.1.3 CCD 图像传感器的种类 用于图像传感器的CCD 又称摄像或像敏CCD 。它的功能是把二维图像光学信号转变成一维视频信号或数字信号。从结构上可分为线阵CCD 和面阵CCD 两大类。 线阵CCD 结构简单，成本较低，可以同时储存一行电视信号，能够实现动态
7、测量，并能在低照度下工作。所以线阵CCD 广泛地应用于产品尺寸测量、非接触尺寸测量、条形码等许多领域。 面阵CCD的优点是结构较简单、容易增加像素数，缺点是CCD 尺寸较大、易产生垂直拖影。,上一页,下一页,返回,5.1 CCD图像传感器,5.1.4 CCD 图像传感器的应用 CCD 工件外形检测 在机械零部件生产过程中，零件外径尺寸的测量占有重要地位，快速、准确地测量出零件的主要参数可以缩短整个产时的生产周期，并有利于实现自动化。 图5-6 所示为CCD 工件尺寸检测系统组成框图。该检测系统主要由传感器系统、测量平台、运动控制系统及软件系统等几部分构成。,上一页,下一页,返回,5.1 CCD
8、图像传感器,火车轴承滚子的表面探伤 磁粉探伤的原理是：当将滚子磁化后，磁力线在有表面缺陷的部位会发生变化，部分磁力线逸出，在缺陷处形成磁极，从而产生漏磁场；当在滚子表面喷洒荧光磁粉悬液时，磁粉将被吸附在漏磁场处形成磁痕，在紫外光照射的条件下，荧光磁粉将受激发射出荧光，由高像素CCD 摄像机对其进行摄像，经计算机进行相关图像处理后，对可疑缺陷进行增强显示并发出声响预警，同时将可疑缺陷图像输出打印，从而达到探伤的目的。 该自动检测系统主要由计算机、磁粉探伤机及控制部分、光学部分、图像处理部分、步进电机及控制等部分组成。其系统组成框图如图5-8 所示。,上一页,返回,5.2 触觉传感器,触觉传感器的
9、原型是模仿人的触觉功能，目的是通过触觉传感器与被识别物体的接触或相互作用来完成对被识别物体表面特征及物理性能的感知。为了实现这一功能，研究者们设计了各种形式的触觉传感器以满足多种需要。 触觉传感器按传感原理基本上可以分为开关式、压阻式、压电式、光电式、电容式、电磁式等几类，下面分别介绍有代表性的几种触觉传感器。,下一页,返回,5.2 触觉传感器,5.2.1 开关式触觉传感器 开关式触觉传感器是用于检测物体是否存在的一种最简单的触觉制动器件。开关内部分隔成两个电接点。当一个电极上承受大于阀值的力时，该电极与另一个电极接触，这样可以用一个电路来检测该开关是否接触。 工业上利用小型开关阵列形成一种价
10、廉触觉传感器，但是这种阵列的空间分辨率较低。这种跟输出信号的二进制相对应的二值阵列触觉传感器，严重地限制、影响了其提供信息的质量。图5-9 所示即为开关式传感器的原理图。,上一页,下一页,返回,5.2 触觉传感器,5.2.2 光学式触觉传感器 光照射到界面的角度通过界面法线测量。若光照射到有机玻璃和空气界面的角度大于C，则光沿着有机玻璃光波导传播，光波导表面跟外部物体接触时，接触点处全内反射被破坏，光从光波导相反一侧出射。 利用这种原理可以制成高分辨率的触觉传感器在实际应用中，通常用一块韧性的薄膜层设置在外部物体和光波导之间，以便保护光波导并隔断外部光源。图5-10 所示为采用这种效应的触觉传
11、感器原理图。,上一页,下一页,返回,5.2 触觉传感器,5.2.3 压阻阵列触觉传感器 压阻式阵列触觉传感器的基本结构是由外接引线、上（行）下（列）电极及压阻材料等构成，上（行）电极与下（列）电极相垂直，上（行）下（列）电极的交叉点定义为阵列触觉的一个触觉单元，外接引线从相互平行的触觉单元上引出，压阻材料放在上（行）下（列）电极中间，如图5-11 所示。 在压阻式阵列触觉传感器中，最关键的构件是敏感材料和电极。 另外，各向异性压阻材料的应用也受到广泛的重视，如敏感材料在z 方向有压阻变化特性，在x , y 方向则无论受压与否，均有较大的阻值。,上一页,返回,5.3 光纤传感器,光纤传感器相对于
12、常规传感器具有以下特点： 1抗电磁干扰能力强 2 灵敏度高 3 重量轻、体积小 4 适于遥测 由于光纤传感器的这些独特优点和广泛的潜在应用，使其得以迅速发展。自1977 年以来已研制出多种光纤传感器，测量范围包括位移、速度、加速度、液位、压力、流量、振动、水声、温度、电流、电压、磁场和核辐射等。,下一页,返回,5.3 光纤传感器,5.3.1 光纤的结构 光纤由纤芯、包层及外套组成，如图5-13 所示。 纤芯是山玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体，一般直径约为5150m。包在纤芯外的一层叫包层，材料也是玻璃或塑料等。纤芯的折射率大于涂层的折射率，所以光纤具有使光束封闭在纤芯里面传输的功能。外套起保护
13、光纤的作用，它的折射率大于涂层的折射率。人们通常把较长的或多股的光纤称之为光缆。,上一页,下一页,返回,5.3 光纤传感器,5.3.2 光纤的工作原理 下面以阶跃型多模光纤为例，来说明光纤的工作原理。 如图5-14 所示，当光线从空气（折射率为n0）中射入光纤的一个端面，并与其轴线的夹角为时，在光纤内折射成角 ，然后以角 入射到纤芯与涂层的交界面上。若入射角 大于临界角 ，则入射的光线就能在交界面上产生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复包层全反射向前传播，直至从光纤的另一端射出。若光纤两端同处于空气之中，则出射角也将为。,上一页,下一页,返回,从空气中射人光纤的光并不一定都能在光纤中产生全反
14、射，当入射的光线就不能在交界面产生全反射时，大部分光线将穿透包层而逸出，即漏光。 如果引人光纤的数值孔径NA 这个概念，则： 可以看出，纤芯与包层的折射率差值越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力就越强。,上一页,下一页,返回,5.3 光纤传感器,5.3.3 光纤的种类 从构成光纤的材料来看，光纤可分为玻璃光纤和塑料光纤。从性能和可靠性而言，不论是通信用光纤或传感用光纤，当前大多采用玻璃光纤。 光纤按其传输的模式，可分为单模光纤和多模光纤两类。 根据折射率的变化规律，光纤分为梯度型和阶跃型两种。 各种光纤如图5-15所示,上一页,下一页,返回,5.3 光纤传感器,5.3.4 光纤传感器 光纤传感
15、器有功能型光纤传感器和非功能型光纤传感器两大类。 功能型光纤传感器 功能型光纤传感器主要有光强调制型光纤传感器、光相位调制型光纤传感器、光偏振态调制型光纤传感器三种。 1）光强调制型光纤传感器 光纤微弯位移（压力）传感器是光强调制型光纤传感器的一个典型例子，它是基于光纤微弯而产生的弯曲损耗原理制成的。,上一页,下一页,返回,5.3 光纤传感器,2）光相位调制型光纤传感器 光相位调制型光纤传感器是利用被测量引起光纤中光相位变化的原理制成的。这种传感器具有灵敏度高、灵活性好和多样的特点。常见的有迈克尔逊、马赫-琴特、萨占纳克和法勃-帕脱四种相位干涉型。它们的共同点是：光源发出的光都要经棱镜分成两束
16、或更多束的光，这些光沿不同的路径传播后，分离出的光束又组合在一起去激励一个光敏元件或显示干涉条纹。 如图5-17 所示为利用马赫-琴特干涉仪测量压力或温度的相位调制型光纤传感器的组成原理图。,上一页,下一页,返回,5.3 光纤传感器,3）光偏振态调制型光纤传感器 偏振态调制型光纤传感器能检测出由于外界因索引起的光纤内部光的偏振态的变化。最典型的是光纤电流传感器，其工作原理是根据磁旋效应做成的，主要应用于高压传输线中。 如图5-18 所示为光纤大电流传感器原理框图。 除利用磁旋效应的光偏振调制外，还可以利用光旋效应、光弹效应、电光效应和电旋效应等制成光偏振态调制型光纤传感器，所以是应用很广、开发潜力很大的一类光纤传感器。,上一页,下一页,返回,5.3 光纤传感器,非功能型光纤传感器 光纤在这类传感器中只是作为传光的媒质，需要和其他敏感元件一起才能组成传感器。其结构比较简单，并能充分利用光电元件和光纤本身的特点，因此目前很受重视。常见的有光纤位移传感器、光纤温度传感器等。 1）光纤位移传感器 光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器，其原理如图 5-19
