传感器第十章

1、2022-6-131第十章第十章 新型传感器新型传感器 本章学习集成温度传感器、磁本章学习集成温度传感器、磁性传感器、光导纤维传感器、图像性传感器、光导纤维传感器、图像传感器的原理以及他们的应用，还传感器的原理以及他们的应用，还涉及数码相机的相关知识。涉及数码相机的相关知识。 2022-6-132第一节第一节 集成温度传感器集成温度传感器 集成温度传感器（温度集成温度传感器（温度IC）将温度敏感）将温度敏感元件和放大、运算和补偿等电路采用微电子元件和放大、运算和补偿等电路采用微电子技术和集成工艺集成在一片芯片上，从而构技术和集成工艺集成在一片芯片上，从而构成集测量、放大、电源供电回路于一体的高

2、成集测量、放大、电源供电回路于一体的高性能的测温传感器。性能的测温传感器。 2022-6-133一、集成温度传感器的测温原理一、集成温度传感器的测温原理 PN结的结的 温度特性温度特性 二极管的正向二极管的正向电压降电压降UD以以 -2mV/ 变化变化 2022-6-134集成温度传感器的类型集成温度传感器的类型 集成温度传感器可分为：模拟型集成温集成温度传感器可分为：模拟型集成温度传感器和数字型集成温度传感器。模拟型度传感器和数字型集成温度传感器。模拟型的输出信号形式有电压型和电流型两种。的输出信号形式有电压型和电流型两种。 电压型的灵敏度多为电压型的灵敏度多为10mV/（以摄氏温度（以摄氏

3、温度0作为电压的零点），电流型的灵敏度多为作为电压的零点），电流型的灵敏度多为1A/K（以绝对温度（以绝对温度0K作为电流的零点）；作为电流的零点）；数字型又可以分为开关输出型、并行输出型、数字型又可以分为开关输出型、并行输出型、串行输出型等几种不同的形式。串行输出型等几种不同的形式。 2022-6-135（一）模拟型集成温度传感器（一）模拟型集成温度传感器 1.1.模拟型集成温度传感器模拟型集成温度传感器 电流输出型温度电流输出型温度传感器能产生一个与传感器能产生一个与绝对温度成正比的电绝对温度成正比的电流作为输出，流作为输出，AD590是电流输出型温度传是电流输出型温度传感器的典型产品。感

4、器的典型产品。 2022-6-136AD590封装示意图封装示意图 空脚（接地）空脚（接地）2022-6-137AD590的基本转换电路的基本转换电路 电流电流- -电压转换电路电压转换电路（10mV/K） 增加负载电增加负载电阻的阻值可提阻的阻值可提高输出电压。高输出电压。2022-6-138AD590的基本转换电路的基本转换电路 输出输出电压电压Uo与热力学温度与热力学温度成正比（成正比（1mV/K） 输出电压输出电压Uo与与 摄氏温度成正比摄氏温度成正比（100mV/） 2022-6-139电压输出型集成温度传感器电压输出型集成温度传感器 LM35/45LM35/45的外形及引脚图的外形

5、及引脚图 2022-6-1310电压输出型集成温度传感器电压输出型集成温度传感器 LM35/45 LM35/45构成的摄氏温度测量电路构成的摄氏温度测量电路及组装成的测温传感器及组装成的测温传感器2022-6-1311在电脑中，集成温度传感器用于在电脑中，集成温度传感器用于CPUCPU散热保护电路散热保护电路散热风扇散热风扇集成温度集成温度ICCPU插座插座CPU散热片散热片2022-6-1312MAX6502用于控制散热风扇的转速用于控制散热风扇的转速当当CPU进行复杂运算时，风扇处于全速运行。进行复杂运算时，风扇处于全速运行。 场效应管场效应管功率驱动功率驱动 2022-6-1313第十章

6、：第二节第十章：第二节 磁性传感器磁性传感器 一、磁致伸缩效应及应用一、磁致伸缩效应及应用 稀土原料稀土原料 某些磁性材料在外某些磁性材料在外磁场作用下，物理尺寸磁场作用下，物理尺寸会发生变化，去掉外磁会发生变化，去掉外磁场后，又恢复到原来的场后，又恢复到原来的尺寸，这种现象称为磁尺寸，这种现象称为磁致伸缩效应。稀土超磁致伸缩效应。稀土超磁致伸缩材料是目前性能致伸缩材料是目前性能最好的超磁致伸缩材料最好的超磁致伸缩材料之一。之一。 2022-6-1314稀土超磁致伸缩材料的应用稀土超磁致伸缩材料的应用 稀土超磁致伸缩材料可将电磁能转换稀土超磁致伸缩材料可将电磁能转换成机械能或声能（或机械位移信

7、息或声信成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移息），相反也可以将机械能（或机械位移与信息）转换成电磁能（或电磁信息），与信息）转换成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转换功能材料，可它是重要的能量与信息转换功能材料，可用于制作大功率声纳传感器用于制作大功率声纳传感器。2022-6-1315声纳的应用声纳的应用 声纳声纳发射、发射、接收器接收器声纳反潜声纳反潜2022-6-1316声纳反潜的原理声纳反潜的原理 2022-6-1317磁致伸缩位移传感器磁致伸缩位移传感器（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料） 位移位移2022-6-1318n磁

8、致伸缩位移（液位）传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置的。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的声音速度传输，并很快被电子室所检测到。由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。 2022-

9、6-1319磁致伸缩液位传感器磁致伸缩液位传感器（参考广东康宇测控仪表公司资料）（参考广东康宇测控仪表公司资料） 磁致伸缩液位传磁致伸缩液位传感器可靠性强、耐腐感器可靠性强、耐腐蚀、安装方便。蚀、安装方便。 2022-6-1320磁致伸缩液位传感器结构磁致伸缩液位传感器结构信号处理单元壳体信号处理单元壳体 不锈钢套管不锈钢套管 （内有磁致伸缩线）（内有磁致伸缩线）浮子浮子（内有内有磁铁）磁铁）吃水线吃水线2022-6-1321磁致伸缩液位传感器的应用磁致伸缩液位传感器的应用2022-6-1322各种液位计的外形和安装比较（续）各种液位计的外形和安装比较（续）2022-6-1323二、磁敏传感器

10、二、磁敏传感器 磁敏电阻：半导体材料的电阻率随磁场强度的磁敏电阻：半导体材料的电阻率随磁场强度的增强而变大，这种现象称为磁阻效应，利用磁阻效增强而变大，这种现象称为磁阻效应，利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻。应制成的元件称为磁敏电阻。 2022-6-1324磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用 磁敏电阻可用于磁敏电阻可用于测量地球磁场的方向测量地球磁场的方向及强度的变化。及强度的变化。 指南针只能指示指南针只能指示地球磁场的方向。地球磁场的方向。2022-6-1325地球磁场地球磁场“导演导演”的的极光极光（加拿大育空地（加拿大育空地区）区）2022-6-1326磁阻式电子罗盘磁阻式电子罗盘 202

11、2-6-1327磁敏电阻磁敏电阻IC及其应用及其应用 线性磁阻位置传感器线性磁阻位置传感器2022-6-1328磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用 根据铁磁根据铁磁物体对地磁的物体对地磁的扰动，可检测扰动，可检测车辆的存在，车辆的存在，可用于包括自可用于包括自动开门，路况动开门，路况监测，停车场监测，停车场检测，车辆位检测，车辆位置监测，红绿置监测，红绿灯控制等。灯控制等。 2022-6-1329利用磁敏电阻制作小型探矿仪利用磁敏电阻制作小型探矿仪（磁力仪）（磁力仪） 磁敏电阻磁敏电阻（聚四氟乙烯（聚四氟乙烯封装）封装） 磁力磁力 探矿仪探矿仪的使用的使用2022-6-1330磁敏电阻小型探矿仪磁敏

12、电阻小型探矿仪 上海直川信息技术有限公司研制上海直川信息技术有限公司研制的磁阻探矿仪及数据统计曲线图的磁阻探矿仪及数据统计曲线图2022-6-1331磁阻磁阻IC用于转速测量用于转速测量 磁力线集中磁力线集中磁力线分散磁力线分散2022-6-1332磁阻磁阻IC用于笔式验钞器用于笔式验钞器 验钞笔顺着纸币上的验钞笔顺着纸币上的磁性防伪线扫描磁性防伪线扫描 2022-6-1333第十章：第三节第十章：第三节 光导纤维传感器光导纤维传感器 光的全反射实验光的全反射实验 2022-6-1334各种装饰性光导纤维各种装饰性光导纤维 2022-6-1335 发光发光二极管产二极管产生多种颜生多种颜色的光

13、线，色的光线，通过光导通过光导纤维传导纤维传导到东方明到东方明珠球体的珠球体的表面。在表面。在计算机控计算机控制下，可制下，可产生动态产生动态图案。图案。上海东方明珠上海东方明珠2022-6-1336光纤传感器光纤传感器外形外形 2022-6-1337光的反射、折射光的反射、折射 当一束光线以一定的入射角当一束光线以一定的入射角1 1从介质从介质1 1射到介质射到介质2 2的分界面上时，一部分能量的分界面上时，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。界面，在另一介质内继续传播。 2022-6-1338 光的光的全反射全反射 当减

14、小入射角时，进入介质当减小入射角时，进入介质2 2的折射光与分界面的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，定义为临界角播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角c c。当。当入射角小于入射角小于c c时，入射光线将发生全反射。时，入射光线将发生全反射。2022-6-1339光在光在光纤中光纤中的全反射的全反射 2022-6-1340光纤的结构光纤的结构 2022-6-1341光缆的外形光缆的外形及及光纤的拉制光纤的拉制 2022-6-1342光纤的类型光纤的类型 阶跃型：阶跃型：光纤纤芯的折射

15、率分布各点光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。均匀一致，称为多模光纤。 2022-6-1343 梯度型梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚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，降低到与包逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。层区一样。 2022-6-1344单孔型光纤单孔型光纤 单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）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，光以电磁场接近于被传输光波的波长，光以电磁场“模模”的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜的原理在纤芯中传导，能量损失很

16、小，适宜于远距离传输。于远距离传输。 2022-6-1345与光纤耦合的电光与光电转换器件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实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。管或激光二极管。 2022-6-1346激光二极管的外形激光二极管的外形 激光二极管芯片激光二极管芯片2022-6-1347激光二极管激光二极管的与的与发光二极管的发光二极管的 带宽及带宽及效率的比较效率的比较 单模光纤单模光纤必须采用能发必须采用能发射单一光谱的射单一光谱的激光二极管，激光二极管，它在传导过程它在传导过程中的发散损耗中的发散损耗较小，稳定性较小，稳定性较高。较高。2022-6-

17、1348光纤的损耗光纤的损耗 光纤在传输光纤在传输信号的过程中损信号的过程中损耗应尽量小且稳耗应尽量小且稳定。在某些波长定。在某些波长上，光纤的损耗上，光纤的损耗非常小。可选择非常小。可选择适当波长的电光适当波长的电光转换元件与之匹转换元件与之匹配。配。 2022-6-1349专用的光纤连接头及光纤插座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。光纤插座来完成。 2022-6-1350光纤传感器光纤传感器 光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元光纤

18、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，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。度）、相位、波长和偏振方向。 2022-6-1351光纤液位传感器光纤液位传感器 2022-6-1352 保护管内保护管内为高温为高温光纤光纤低温低温光纤光纤光纤

19、温度传感器光纤温度传感器 2022-6-1353光纤式光电开关光纤式光电开关反射型反射型遮断型遮断型反射镜反射型反射镜反射型2022-6-1354光纤式光电开关应用光纤式光电开关应用标志孔标志孔电路板标志检测电路板标志检测 当光纤发出当光纤发出的光穿过标志孔的光穿过标志孔时，若无反射，时，若无反射，说明电路板方向说明电路板方向放置正确。放置正确。 光纤光纤 耦合器耦合器传输光纤传输光纤出射光纤出射光纤2022-6-1355光纤式光电开关应用光纤式光电开关应用遮断型光纤遮断型光纤光电开关光电开关出射光纤出射光纤接收光纤接收光纤2022-6-1356光纤式光电开关应用光纤式光电开关应用 采 用 遮

20、采 用 遮断型光纤光断型光纤光电开关对电开关对IC 芯片引脚进芯片引脚进行检测行检测2022-6-1357光纤的其他应用光纤的其他应用 军用光纤陀螺：军用光纤陀螺： 将激光射入绕成线圈的将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。磨擦力。光纤内窥镜光纤内窥镜2022-6-1358第四节第四节 图像传感器图像传感器一、光辐射基础一、光辐射基础 电磁波的频谱分布电磁波的频谱分布 2022-6-1359光通量光通量 光源在单位

21、时间内向周围空间辐射光源在单位时间内向周围空间辐射并引起视觉的能量，称为光通量，用符并引起视觉的能量，称为光通量，用符号号表示，单位为流明（表示，单位为流明（lmlm）。）。 45W节能灯节能灯的光通量约为的光通量约为2500Lm，相当于，相当于250W白炽灯或白炽灯或150W水银汞灯。水银汞灯。2022-6-1360发光强度发光强度 光源在空间某一特定方向上的单位立体角光源在空间某一特定方向上的单位立体角内辐射的光通量称为光源在该方向上的发光内辐射的光通量称为光源在该方向上的发光强度（简称光强），用符号强度（简称光强），用符号I表示，单位为表示，单位为坎德拉（坎德拉（cd）。）。 最早在英国

22、定义的最早在英国定义的发光强度单位为发光强度单位为“烛光烛光” 2022-6-1361照度照度 照度是用来表照度是用来表示被照面上光的强示被照面上光的强弱。受照物体表面弱。受照物体表面每单位面积（每单位面积（1m1m2 2）上接收到的光通量上接收到的光通量称为照度，符号为称为照度，符号为E E，单位为勒克司，单位为勒克司（lxlx）。）。 照度仪照度仪2022-6-1362亮度亮度 发光体在视线方向单位投影面（发光体在视线方向单位投影面（1 m2 ）上的发光强度称为该物体表面的亮度，也称上的发光强度称为该物体表面的亮度，也称为辉度为辉度 ，用符号，用符号L来表示，单位为坎德拉每来表示，单位为坎

23、德拉每平方米（平方米（cd/m2）。）。 2022-6-1363总结：常用光度学的名称、符号、单位及说明常用光度学的名称、符号、单位及说明 名称名称符号符号单单 位位说说 明明光通量光通量流明流明（流）（流）lm发光体每秒所发出的光量总和发光体每秒所发出的光量总和光强光强I坎德拉坎德拉（坎）（坎）cd发光体在特定方向的单位立体角内所发光体在特定方向的单位立体角内所发射的光通量发射的光通量照度照度E勒克斯勒克斯（勒）（勒）lm/m2 发光体照射在被照物体单位面积上的发光体照射在被照物体单位面积上的光通量光通量亮度亮度L尼脱尼脱（尼）（尼）cd/m2发光体在视线方向单位投影面上的发发光体在视线方向

24、单位投影面上的发光强度光强度2022-6-1364二、热成像技术二、热成像技术 ( (一一) ) 红外热像的基本知识红外热像的基本知识 任何物体只要任何物体只要温度高于绝对零度，温度高于绝对零度，内部原子就会作无规内部原子就会作无规则运动，并不断地辐则运动，并不断地辐射出热红外能量。射出热红外能量。红红外探测器可将物体辐外探测器可将物体辐射的红外功率信号转射的红外功率信号转换成电信号，在计算换成电信号，在计算机成像系统的显示屏机成像系统的显示屏上，将得到与物体表上，将得到与物体表面热分布相对应的热面热分布相对应的热像图。像图。 不同的颜色和亮度代表不同的温度不同的颜色和亮度代表不同的温度 20

25、22-6-1365热成像仪的使用热成像仪的使用 2022-6-1366各种热像各种热像变电站的热像变电站的热像从热像中可以判断过热位置从热像中可以判断过热位置2022-6-1367人的热像人的热像 医生医生2022-6-1368（二）热成像元件（二）热成像元件 在中、长波红外在中、长波红外探测领域，现在多采探测领域，现在多采用了碲镉汞红外光子用了碲镉汞红外光子探测器。探测器。 2022-6-1369热成像传感器热成像传感器 热成像仪能透过烟热成像仪能透过烟尘、云雾、小雨及树丛尘、云雾、小雨及树丛等许多自然或人为的伪等许多自然或人为的伪装来看清目标。手持式装来看清目标。手持式及安装于轻武器上的热

26、及安装于轻武器上的热成像仪可以让使用者看成像仪可以让使用者看清清800m800m或更远的人体大或更远的人体大小的目标。小的目标。带夜视仪的自动步枪带夜视仪的自动步枪 2022-6-1370配备热成像传感器的自动步枪配备热成像传感器的自动步枪2022-6-1371配备热成像传感器的自动步枪配备热成像传感器的自动步枪（续）（续）2022-6-1372带热成像传感器的自动步枪（续）带热成像传感器的自动步枪（续）2022-6-1373军用热成像传感器的效果军用热成像传感器的效果白亮处有一辆坦克白亮处有一辆坦克2022-6-1374军用热成像传感器的效果（续）军用热成像传感器的效果（续）白亮处有一辆坦克

27、白亮处有一辆坦克2022-6-1375用热像仪判断机械工业产品的质量用热像仪判断机械工业产品的质量2022-6-1376用热像仪判断用热像仪判断 电子产品的工作状态电子产品的工作状态线路板上的各点温度线路板上的各点温度IC的温度的温度2022-6-1377医疗用的热像仪医疗用的热像仪（参考广州飒特电力红外技术有限公司资料）（参考广州飒特电力红外技术有限公司资料） 用热像仪判断皮肤肿瘤用热像仪判断皮肤肿瘤的位置及范围的位置及范围2022-6-1378其他热像仪其他热像仪2022-6-1379热像仪的使用及效果热像仪的使用及效果盛有热水的盆盛有热水的盆2022-6-1380第五节：第五节：CCD图

28、像传感器图像传感器 CCD全称电荷耦合器件，它具备光全称电荷耦合器件，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、动态范集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。围大等优点。 CCD图像传感器被广泛应图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、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。通信以及工业检测和自动控制系统。 2022-6-1381（一）（一）CCD的基本工作原理的基本工作原理 一个完整的一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、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。移位

29、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，转移到移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存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用器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号下，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、可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设

30、备中，可对信号再现或进行存储处理。处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。 2022-6-1382MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照电容器组成的光敏元及数据面的显微照片片CCD光敏元显微照片光敏元显微照片CCD读出移位寄存器读出移位寄存器的的数据面显微照片数据面显微照片2022-6-1383 彩色彩色CCD显微照片（放大显微照片（放大7000倍）倍）2022-6-1384（二）（二）CCD图像传感器的分类图像传感器的分类 1. 1. 线阵线阵CCD外形外形 2022-6-13852.面阵面阵CCD 面阵面阵CCD能在能在x、y两两个方向都能实现电子个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图

31、像。自扫描，可以获得二维图像。 2022-6-1386面阵面阵CCD外形（续）外形（续） 200万和万和1600万像素的面阵万像素的面阵CCD 2022-6-1387面阵面阵CCD外形（续）外形（续） 2022-6-1388面阵面阵CCD外形（续）外形（续） 2022-6-1389（三）（三）CCD的基本特性参数的基本特性参数 CCD的基本特性参数有：的基本特性参数有： 光谱响应、动态范围、信噪比、光谱响应、动态范围、信噪比、CCD芯片尺寸等。在芯片尺寸等。在CCD像素数目相同的条件像素数目相同的条件下，像素点大的下，像素点大的CCD芯片可以获得更好的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。能力，因此可提高动态范围及其他指标。 2022-6-1390（四）（四）CCD图像传感器的应用图像传感器的应用 线阵线阵CCD在在 扫描仪中的应用扫描仪中的应用 2022-6-1391线阵线阵CCD在图像扫描中的应用在图像扫描中的应用 线阵线阵CCD摄像机可用于摄像