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1、第7章 新型传感器,7.1 光纤与激光传感器,光的全反射现象,各种装饰性光导纤维,发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。,上海东方明珠,光纤传感器外形,光的反射、折射,当一束光线以一定的入射角1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。,7.1.1 光纤结构和原理,光的全反射,当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角c。当入射角小于c时，入射光线将发生全反射。,光在光纤中的全反射,
2、光纤的结构,光缆的外形 及光纤的拉制,7.1.2 光纤的类型,阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。,梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。,单孔型光纤,单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。,与光纤耦合的电光与光电转换器件,实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。,激光二极管的外形,激光二极管芯片,激光二极管的与发光二极管的带宽及效率的比较,单模光纤必须采用能发射单一光谱的激光二极管，它在传导过程中的
3、发散损耗较小，稳定性较高。,光纤的损耗,光纤在传输信号的过程中损耗应尽量小且稳定。在某些波长上，光纤的损耗非常小。可选择适当波长的电光转换元件与之匹配。,专用的光纤连接头及光纤插座,光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。,7.1.3 光纤传感器的应用,光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件（也称作测量臂），直接接收外界的被测量。被测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化，从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。,光纤液位传感器,保护管内为高温光纤,低温
4、光纤,光纤温度传感器,光纤式光电开关,反射型,遮断型,反射镜反射型,光纤式光电开关应用,标志孔,电路板标志检测,当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。,光纤 耦合器,传输光纤,出射光纤,光纤式光电开关应用,遮断型光纤光电开关,出射光纤,接收光纤,光纤式光电开关应用,采用遮断型光纤光电开关对IC 芯片引脚进行检测,光纤的其他应用,军用光纤陀螺： 将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。,光纤内窥镜,7.1.4 激光传感器,激光是20世纪60年代出现的最重大的科学技术成就之一。它发展迅速，已
5、广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面。 激光具有3个重要特性:高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米；高单色性，激光的频率宽度比普通光小10倍以上；高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。,3种激光器 固体激光器：常用的有红宝石激光器、钇铝石榴石激光器 (即YAG激光器) 。特点是小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到数十兆瓦。 气体激光器：常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器，特点是输出稳定，单色性好,寿命长,但功率较小。 半导体激光器：其中较成熟的是砷化镓激光器。特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜于在
6、飞机、军舰、坦克上以及步兵随身携带。可制成测距仪和瞄准器。但输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大。,激光传感器的应用,1.激光测长 :氦氖气体激光器，则最大可测几十千米。一般测量数米之内的长度，精度可达0.1微米。 2.激光测距 :原理与无线电雷达相同，将激光对准目标发射，测量往返时间，再乘以光速即得到往返距离。 3.激光测振 :基于多普勒原理测量物体的振动速度,4.激光测速 :基于多普勒原理的一种激光测速方法,用得较多的是激光多普勒流速计,它可以测量风洞气流速度、火箭燃料流速、飞行器喷射气流流速、大气风速和化学反应中粒子的大小及汇聚速度等。,休 息 一 下,7.2 图像传感器,7.2
7、.1 CCD图像传感器 7.2.2 CMS图像传感器,7.2.1 CCD图像传感器,CCD全称电荷耦合器件，它具备光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。 CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。,（一）CCD的基本工作原理,一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作
8、用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。,MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片,CCD光敏元显微照片,CCD读出移位寄存器的数据面显微照片,彩色CCD显微照片（放大7000倍）,（二）CCD图像传感器的分类,1. 线阵CCD,2.面阵CCD,面阵CCD能在x、y两个方向实现电子自扫描，可以获得二维图像。,面阵CCD外形（续）,200万和1600万像素的面阵CCD,（三）CCD的基本特性参数,CCD的基本特性参数有： 光谱响应、动态范围、信噪比、CCD芯片尺寸等。在CCD像素数目相同的条件下，像素点大的CCD
9、芯片可以获得更好的拍摄效果。大的像素点有更好的电荷存储能力，因此可提高动态范围及其他指标。,（四）CCD图像传感器的应用,线阵CCD在扫描仪中的应用,线阵CCD在图像扫描中的应用,线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控,风云一号卫星可以对 地球上空的云层分布 进行逐行扫描,线阵CCD用于字符识别,CCD数码照相机（电子数字式照相机）,数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。 数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。,CCD用
10、于图像记录,数码相机的外形,三基色分离原理,CCD数码照相机的结构,数码相机的结构解剖 （索尼F828）,CCD,照相手机,面阵CCD（固态图象传感器）,CCD 图象处理,实用的CCD图象传感器,光敏二极管感光的CCD图象传感器（LSI）正面为感光区，内含105107个象素单元，固化的CCD内部完成感光与图象传递 常用工业器件 一维：512位、1024位、2048位。单元间距 15 、25 二维：256X320象素 摄录像机：2048X2048 152X340象素 =400万象素,GREY = RED*0.299 + GREEN*0.587 + BLUE*0.114,数码相机,CCD固态图象传
11、感器,CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片,CCD数码摄像机,7.2.2 CMOS图像传感器,CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称CMOS。现在市售的视频摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。虽然目前的CMOS图像传感器成像质量比CCD略低，但CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆加工技术的进步，CMOS的各项技术指标有望超过CCD，它在图像传感器中的应用也将日趋广泛。,CMOS图象处理,CMOS视频摄像头,带红外LED照明的CMOS视频摄像头,CMOS视频摄像头的外部结构,CMOS视频摄像头的外形及内部结构,7.3 红外线传感器
12、,7.3.1 红外线辐射温度计,红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。,红外线辐射温度计外形,激光仅 用于瞄准,红外线辐射温度计外形,红外线辐射温度计用于食品温度测量,红外线辐射温度计 在非接触体温测量中的应用,耳温仪,红外线辐射温度计用于人体额温测量,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用,集成IC 温度测量,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）,利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用
13、（续）,利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）,温度 采集系统,比色式温度传感器温度非接触测量中的应用,比色式温度传感器采用比色式（双波段）测温原理实现对被测目标的非接触测温，用户不需知道物质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄准 ,测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可准确测量。,7.3.2 热释电传感器的应用,热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。,热释电元件外形,（1）热释电传感器的应用领域,热释电红外传感器能检测人或动物发射的红外线而输出电荷
14、信号。热释电晶体广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时能自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等,热释电传感器的内部电路,两块反向串联的热释电晶片,场效应管,（2）热释电传感器工作原理,热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出
15、一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。,（3）菲涅尔透镜,菲涅尔透镜,热释电晶片,菲涅尔透镜外形,传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，其检测距离可增加3倍以上。,热释电套件,应用实例（1）热释电报警器,菲涅尔透镜,设定按钮,高分贝喇叭,热释电报警器（续）,菲涅尔透镜, 5mm接插件,热释电报警器（续）,吸顶式 热释电报警器,热释电传感器应用,热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗,热释电传感器的感应范围,（2）热释电感应灯,热释电传感器,自动感应灯,（3）热释电传感器在智能空调中的应用,智能空调能检测出屋内是否有人，微处
16、理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。,空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。,7.4 集成压力传感器,压阻效应 压阻式力传感器 集成压力传感器应用,利用扩散工艺制作的四个半导体 应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性 好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕 变非常小，动态响应快。,1.压阻式传感器,2. 压阻传感器结构,3. 压阻式传感器应用,压阻元件工作原理,信号处理电路,压阻式固态 压力传感器内部结构,低压进气口,高压进气口,小型压阻式固态压力传感器,7.5 机器人传感器,机器人传感器技术 机器人传感器分类 机器人传感器简介,1. 机器人传感器 “嗅觉”,烟雾传感器,碰
