几种新型传感器课件

第5章新型传感器简介5.1CCD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5.1CCD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5.1CCD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5.1CCD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5.1CCD图像传感器5.1.2CCD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5.1CCD图像传感器5.1.3CCD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5.1CCD图像传感器5.1.4CCD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5.1CCD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θC，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5~150μm。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θ时，在光纤内折射成角θ

’，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θ。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5.3.4光纤传感器光纤传感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光纤传感器转换器接受到的光与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关，当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。2）光纤温度传感器

图5-21所示,把半导体材料用支架夹持在发射光纤和接收光纤之间，当温度变化时半导体的透光率随之变化，接收光纤接收到的光量也变化。经后续电路处理后送显示电路显示。上一页返回5.3光纤传感器5.4磁性传感器磁是人们所熟悉的一种物理现象，因此磁传感器具有占老的历史。最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生的感应电动势与磁通的变化速率成正比。随着科学技术的发展，利用磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效应，制成了固体化磁传感器，从而使磁场强度转换为电信号。磁传感器的种类较多，制作磁传感器的材料有半导体、磁性体、超导体等，不同材料制作的传感器其工作原理和特性也不相同。本节重点介绍一些常用的磁传感器下一页返回5.4磁性传感器5.4.1磁敏电阻器将一载流导体置于外磁场中，其电阻随磁场变化而变化的现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应。磁敏电阻器就是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。用公式表示为：磁场一定时，迁移率高的材料磁阻效应明显。图5-22所示为利用这种效应制成的磁敏电阻器。上一页下一页返回5.4磁性传感器主要特性：（1）伏安特性。磁敏二极管所加正向偏压与二极管流过电流的关系称为伏安特性，不同磁场作用下，其伏安特性不同。（2）磁电特性。磁敏二极管输出电压的变比与外加磁场的关系称为磁电特性。磁敏二极管随外加磁场方向的变化可以产生正负输出电压的变化，在正磁场作用下电压升高，在负磁场作用下电压降低。磁电特性与线路的连接形式有关，通常有单只接法和互补接法两种电路基本形式。上一页下一页返回5.4磁性传感器（3）温度特性。磁敏二极管的温度特性是指温度的变化与输出电压变化之间的关系。磁敏二极管的温度特性有正温度系数和负温度系数两种，如锗磁敏二极管是负温度系数，硅磁敏二极管是正温度系数。（4）频率特性。磁敏二极管的频率特性取决于注入载流子在本征区域内被复合和保持动态平衡的时间，而与元件的尺寸大小无关，载流子复合和保持动态平衡的时间越短，频率特性越好.上一页下一页返回5.4磁性传感器5.4.3磁敏三极管1.磁敏三极管的结构磁敏三极管的结构如图5-28所示。在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。其最大的特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合速率的：r区和本征I区。长基区分为运输基区和复合基区，运输基区主要是将发射极注人的载流子输运到集电极，复合基区的作用是使从发射极和基极注入的载流子复合。上一页下一页返回5.4磁性传感器2.工作原理现在以锗磁敏三极管为例来说明磁敏三极管的工作原理，如图5-29所示。图a，b，c分别表示外磁场为0，正，负的情况。

由图可知，磁敏三极管在正反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。上一页下一页返回5.4磁性传感器3．磁敏三极管的主要特性（1）磁电特性。磁敏三极管的磁电特性是其应用的基础，在弱磁场作用下接近于一条直线，即集电极电流的变化随磁感应强度近似为线性关系。（2）伏安特性。磁敏三极管的伏安特性与普通三极管的伏安特性相似，但电流放大倍数大。（3）温度特性。磁敏三极管受温度影响较大，使用时必须进行温度补偿。磁敏三极管的温度系数有正、负之分，硅磁敏三极管的温度系数为负，锗磁敏三极管的温度系数为正，因此可采用相反温度系数的普通三极管或磁敏二极管及电阻进行补偿。上一页下一页返回5.4磁性传感器5.4.4磁性传感器的应用磁性传感器除用于磁场的测量外，特别适宜作无触点开关、无接触电位计。应用范围很广，如转速测量、风速测量、流量测量等。1）无接触线位移传感器无接触线位移传感器主要用于测量位移或与位移量有关的机械量。如尺寸、厚度、角度、位置和距离等。

图5-30所示是一个三端差分型lnSb磁敏直线位移传感器。永久磁铁处于左右两磁敏电阻各二分之一的中心位置，将分压比为50％的点作为位移原点。上一页下一页返回5.4磁性传感器2）磁敏二极管漏磁探伤仪磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特性而设计的。其原理如图5-31所示，漏磁探伤仪由激励线圈、铁心、放大器、磁敏二极管探头等部分构成。3）磁敏三极管电位器利用磁敏三极管制成的无触点电位器原理图如图5-32所示。将磁敏三极管置于磁场中，改变磁敏三极管基极电流，该电路的输出电压在0.7~15V内连续变化，这样就等效于一个电位器，且无触点，因而该电位器可用于变化频繁、调节迅速、噪声要求低的场合。上一页返回5.5集成温度传感器最近几年出现了深受人们欢迎的集成温度传感器，集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流和电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，并把它们装封在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。它与半导体热敏电阻一样，具有体积小、反应快、线性好、性能高、价格低、抗干扰能力强等特点。但由于PN结受耐热性能和特性范围的限制，只能用来测150℃以下的温度。集成温度传感器的输出形式分为电压型和电流型两类。集成温度传感器除了测量温度外，还可用于温度补偿元件及家用电器中的温度控制元件，在工业领域得到了广泛应用。下一页返回5.5集成温度传感器5.5.1半导体PN结的伏安特性一般情况下，半导体PN结的伏安特性用公式表示：求得：正向压降U与温度T近似成线性关系

上一页下一页返回5.5集成温度传感器5.5.2集成温度传感器的基本工作原理实际使用中，二极管作为温度传感器虽然工艺简单，但线性特性差，因而选择把NPN晶体三极管的基极和集电极短接，利用基极和发射极作为感温元件。这样更接近理想的PN结特性。目前在集成温度传感器中，都采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元器件如图5-33是集成温度传感器基本原理图。可以看出，如果保证恒定，与温度T成单值线性函数关系.上一页下一页返回5.5集成温度传感器5.5.3电压输出型集成温度传感器

电压输出型集成温度传感器电路原理如图5-34所示。当电流I1恒定时，通过改变R1的阻值，可实现I1=I2，当晶体管的β>1时，电路的输出电压可表示为：上一页下一页返回5.5集成温度传感器5.5.4电流输出型集成温度传感器电流输出型集成温度传感器的原理电路如图5-35所示。流过电路的总电流IT为：

可以看出，当R和γ一定时，电路的输出电流与温度有良好的线性关系。上一页下一页返回5.5集成温度传感器5.5.5集成温度传感器应用LM135/LM235/LM335系列电压输出型集成温度传感器的应用LM135/M235/LM335系列是一种精密的、易于标定的三端电压输出型集成电路温度传感器。当它作为两端器件下作时，相当于一个二极管，其击穿电压正比于绝对温度，灵敏度为10mV/K、作为一个电压源，当工作电流在0.4-5mA范围内变化时，并不影响传感器的性能，因为它的动态电阻低于1欧姆。如果在25℃下标定，在100℃宽的温度范围内测量误差小于l℃，具有良好的输出线性特性。上一页下一页返回5.5集成温度传感器AD590系列集成电路温度传感器及应用

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感