传感器技术及应用项目七新型传感器应用学习课程

1、任务一 CCD图形传感器任务导入 各式各样的数码相机或者数码摄像机已经广泛应用于我们的日常生活中，你知道吗？这些数码设备的输入部件也是一种传感器，是目前应用较广泛的CCD图像传感器。如图所示为相机里面的CCD传感器应用。第1页/共34页第一页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务一 CCD图形传感器一、CCD的原理及分类 当物体通过物镜成像，这些光敏元就产生与照在它们上面的光强成正比的光生电荷（光生电子空穴对），同一面积上光敏元件越多，分辨率越高，得到的图像越清楚。电荷耦合器件具有自扫描能力，能将光敏元件上产生的光生电荷依次有规律地串行输出，输出的幅值与对应的光敏元件上的电荷量正比。然后通过模数

2、转换芯片将输出电信号转换成数字信号，数字信号经过压缩处理后，通过USB接口传输到计算机上，形成所采集的图像。第2页/共34页第二页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务一 CCD图形传感器一、CCD的原理及分类 CCD有面阵和线阵之分，面阵是把CCD像素排成一个平面的器件；而线阵是把CCD像素排成一直线的器件，如图所示。第3页/共34页第三页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务一 CCD图形传感器二、CCD传感器的应用 1. 摄录一体化CCD摄像机 这是面阵CCD应用最广泛的领域。随着住宅商品化，各种现代化住宅楼像雨后春笋般拔地而起，民用住宅的安全防范已提到日程上来，摄录一体化CCD摄像机能使许

3、多住宅可以在室内及时看到来访客人的实时图像和室外区域的情况，为防范入室盗窃起到了有效的监控作用。第4页/共34页第四页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务一 CCD图形传感器二、CCD传感器的应用 2. 工业检测 工业检测是传感器应用范围很广的一个领域，如在钢铁、木材、纺织、粮食、医药、机械等领域做零件尺寸的动态检测，以及产品质量、包装、形状识别，表面缺陷或粗糙度检测等，如图所示为利用CCD传感器拍下的金属表面显微照片。第5页/共34页第五页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务一 CCD图形传感器二、CCD传感器的应用（1）管径测量 CCD诞生后，工业检测领域首先制成了测量长度的光电式传感器，

4、用于测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类直径等。（2）高度自动检测 利用CCD传感器非接触测量物体的高度，尤其是检测流水线上动态测量缓冲器的自由高度，精度可达到0.2mm。第6页/共34页第六页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务一 CCD图形传感器二、CCD传感器的应用（3）工业尺寸检测 在自动化生产线上，经常需要进行物体尺寸的在线检测。例如，零件的尺寸检测，轧钢厂钢板宽度的在线检测和控制等。利用物体通过物镜在CCD光敏阵列元件上形成影像，即可实现物体尺寸的高精度非接触检测。尺寸测量的结构如图所示。第7页/共34页第七页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务一 CCD图形传感器二

5、、CCD传感器的应用（4）文字和图像检测 利用线阵CCD的自扫描特性，可以实现文字和图像识别，从而组成一个功能很强的扫描/识别系统。下图为光学文字识别装置（OCR）的工作原理。第8页/共34页第八页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务二 光纤传感器任务导入 如图所示的工业内窥镜可以直接观察到设备内部肉眼不易直接观察的隐蔽部位，既不需解体设备，也不需额外照明，只要将窥视镜头插入设备内部孔内，就可以对设备内部情况一目了然，这种工业内窥镜采用的就是光纤传感器。第9页/共34页第九页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务二 光纤传感器一、光纤的基本结构和工作模式 光导纤维简称光纤，它是一种特殊结构的光学

6、纤维。光纤由纤芯、包层和涂覆层（护层）组成，如图所示。纤芯由石英玻璃等材料制成，直径范围为5125m；包层材料的折射率n2略低于纤芯材料的折射率n1，包层外径范围为125350m。包层外涂敷一层缓冲层，最外层是尼龙套管，起保护和屏蔽作用。单根光纤截面呈圆柱形。其端面为平面。我们平时见到的光缆一般是多根光纤的集束体。第10页/共34页第十页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务二 光纤传感器一、光纤的基本结构和工作模式 光在空间是沿直线传播的。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤能传送很远的距离，光纤的传输基于光的全反射原理，光在光纤中的传播情况如图所示。第11页/共34页第十一页，编辑于星

7、期日：九点 二十六分。任务二 光纤传感器二、光纤的分类 由于光纤既是一种电光材料又是一种磁光材料，它与电和磁存在某些相互作用的效应，因此它具有“传”和“感”两种功能。按照光纤在传感器中的作用，光纤传感器可分为传光型和功能型两种类型，如图所示。第12页/共34页第十二页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务二 光纤传感器二、光纤的分类（1）传光型光纤传感器 光纤仅起传输光信号光学通路的作用，被测参数均在光纤之外，由外置敏感组件调制到光信号中去。由于光纤传输光信号效率高、抗干扰能力强，可挠曲，使光学通路的设置更加灵活、可靠，大大改善了传统光电检测技术的不足。（2）功能型光纤传感器 光纤在被测物理量的

8、作用下，光纤本身及其传输光信号的某些特性发生变化，从而对被测参数进行转换和检测。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，它本身又是敏感组件，这些光纤一般是经特殊设计、特殊制造的特殊光纤。它的出现和应用极大地拓展了光电检测适用的对象和领域。第13页/共34页第十三页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务二 光纤传感器二、光纤的分类 按照光纤传感器类型分，常用光纤传感器又可分为遮断型、反射型和反射镜反射型三种，如图所示。第14页/共34页第十四页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务二 光纤传感器三、光纤传感器的特点1.灵敏度较高；2.几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；3.可以制

9、造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；4.可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；5.而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。第15页/共34页第十五页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务二 光纤传感器四、光纤传感器的应用1. 光纤位移传感器 反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。第16页/共34页第十六页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务二 光纤传感器四、光纤传感器的应用2. 光纤光栅加速度传感器 在测量物体振动时，把机座固定在振动源上，振动源与机座同时振动，从而引起质量块m的振动，在惯

10、性的作用下悬臂梁产生收缩和伸长，带动光纤光栅产生应变从而引起波长的变化，通过探测波长的变化来实现振动和加速度的测量。第17页/共34页第十七页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务二 光纤传感器四、光纤传感器的应用3. 光纤温度传感器 上图所示为光纤温度传感器的原理示意图。它通过用单模光纤构成干涉仪，环境温度的变化将导致光导纤维中光程的变化，从而引起干涉条纹的变动，达到测量温度的目的。第18页/共34页第十八页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务二 光纤传感器四、光纤传感器的应用4. 电路板方向检测 该装置主要检测器件为光纤传感器，当光线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。第

11、19页/共34页第十九页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务二 光纤传感器四、光纤传感器的应用5. IC芯片引脚检测 光电自动检测系统可以实现引脚的内外倾角、左右倾角和横向尺寸的检测。第20页/共34页第二十页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务三 智能传感器任务导入各种智能传感器第21页/共34页第二十一页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务三 智能传感器一、智能传感器的原理 智能传感器主要由四部分构成：电源、敏感元件、信号处理单元和通信接口，其原理框图如图所示。敏感元件将被测物理量转换为电信号，通过放大、A/D转换，变成数字信号后，再经过微处理器进行数据处理（校准、补偿、滤波），最后通过通

12、信接口，与网络数据进行交换，完成测量与控制功能。第22页/共34页第二十二页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务三 智能传感器二、智能传感器的特点1.提高了传感器的精度2.提高了传感器的可靠性3.提高了传感器的性能价格比4.促成了传感器多功能化第23页/共34页第二十三页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务三 智能传感器三、智能传感器的功能1.信息存储和传输2.自补偿和计算功能3.自检、自校、自诊断功能4.复合敏感功能5.智能传感器的集成化第24页/共34页第二十四页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务三 智能传感器四、智能传感器的应用 智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产

13、等各个领域中。例如，它在机器人领域中有着广阔应用前景，智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能，可感知各种现象，完成各种动作。第25页/共34页第二十五页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务三 智能传感器五、智能传感器的发展第26页/共34页第二十六页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务四 生物传感器任务导入认识生物传感器第27页/共34页第二十七页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务四 生物传感器 一、认识生物传感器 生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。它是以固定化的生物敏感材料作为识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）并与适当的

14、理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应晶体管、压电晶体等）及信号放大装置一起构成的分析工具或系统。 生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成，具有接受器与换能器的功能。分子识别部分用于识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件，是生物传感器选择性测定的基础。第28页/共34页第二十八页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务四 生物传感器二、生物传感器的应用领域1. 在食品工业中的应用（1）食品成分分析（2）食品添加剂的分析（3）农药残留量分析（4）微生物和毒素的检验（5）食品鲜度的检测2. 在环境监测中的应用（1）水环境监测（2）大气环境监测第29页/共34页

15、第二十九页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务四 生物传感器二、生物传感器的应用领域3. 在发酵工业中的应用（1）原材料及代谢产物的测定（2）微生物细胞数目的测定4. 在医学上的应用（1）临床医学（2）军事医学第30页/共34页第三十页，编辑于星期日：九点 二十六分。任务四 生物传感器三、生物传感器的特点1）采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。2）专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。3）分析速度快，可以迅速得到结果。4）准确度高，一般相对误差可以达到1。5）操作系统比较简单，容易实现自动分析。6）成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。7）有的生物传感器能够