机械工程测试技术基础3-2

CCD的应用（CCD固态图像传感器）

CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。感光部分是指在同一半导体衬底上布设的由若干光敏单元组成的阵列元件，光敏单元简称“像素”。固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像”传送，经输出放大器输出。根据光敏元件排列形式的不同，CCD固态图像传感器可分为线型和面型两种。（1）线型CCD图像传感器线型CCD图像传感器是由一列MOS光敏单元和一列CCD移位寄存器构成的，光敏单元与移位寄存器之间有一个转移控制栅，基本结构如图所示。转移控制栅控制光电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间远小于光积分时间。在光积分周期里，各个光敏元中所积累的光电荷与该光敏元上所接收的光照强度和光积分时间成正比，光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移控制栅开启时，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器的相应单元。当转移控制栅关闭时，MOS光敏元阵列又开始下一行的光电荷积累。同时，在移位寄存器上施加时钟脉冲，将已转移到CCD移位寄存器内的上一行的信号电荷由移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。线型CCD图像传感器（a）单行结构；（b）双行结构图（b）为CCD的双行结构图。光敏元中的信号电荷分别转移到上下方的移位寄存器中，然后在时钟脉冲的作用下向终端移动，在输出端交替合并输出。这种结构与长度相同的单行结构相比较，可以获得高出两倍的分辨率；同时由于转移次数减少一半，使CCD电荷转移损失大为减少；双行结构在获得相同效果情况下，又可缩短器件尺寸。由于这些优点，双行结构已发展成为线型CCD图像传感器的主要结构形式。线型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法。线型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。

声发射检测传感器案例：材料断裂等结构监测超声波传感器原理超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波.接收原理是当超声波作用在磁滞材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。压电式超声波传感器压电式超声波传感器主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成,它们都是利用压电材料(如石英,压电陶瓷等)的压电效应进行工作的.利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动,产生超声波,以此作为超声波的发射器.而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号,以此作为超声波的接收器.在实际应用中,压电式超声波传感器的发射器和接收器合成为一体,由一个压电元件作为"发射"和"接收"兼用,其工作原理为:将脉冲交流电压加在压电元件上,使其向被测介质发射超声波,同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波,并将反射波转换为电信号输出.因此,压电式超声波传感器实质上是一种压电式传感器.机械振动在介质中的传播过程叫做波，人耳能够感受到频率高于16赫兹，低于20000赫兹的弹性波，所以在这个频率范围内的弹性波又叫声波。频率小于20赫兹的弹性波又叫次声波，频率高于20000赫兹的弹性波叫做超声波。次声波和超声波人耳都不能感受。超声波的特点：1、超声波声束能集中在特定的方向上，在介质中沿直线传播，具有良好的指向性。2、超声波在介质中传播过程中，会发生衰减和散射。3、超声波在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换。利用这些特性，可以获得从缺陷界面反射回来的反射波，从而达到探测缺陷的目的。4、超声波的能量比声波大得多。5、超声波在固体中的传输损失很小，探测深度大，由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象，尤其是不能通过气体固体界面。如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷（缺陷中有气体）或夹杂，超声波传播到金属与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间距的波形。可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件重的深度、位置和形状。超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主客观因素影响，以及探伤结果不便于保存，超声波检测对工作表面要求平滑，要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、适合于厚度较大的零件检验，使超声波探伤也具有其局限性。机器鱼自动避障模块设计对于自动避障，本项目通过一个超声波传感器来实现。超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声传感器（收发一体化TR）发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收，然后将这一接收信号放大后送入单片机。

次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。产生次声波的声源是相当广泛的，现在人们已经知道的次声源有：火山爆发、坠入大气层中的流星、极光、地震、海啸、台风、雷暴、龙卷风、电离层扰动，等等。利用人工的方法也能产生次声波，例如核爆炸、火箭发射、化学爆炸，等等。大面积瞬间杀人于无形的次声波武器1.次声波

鱼群探测器

把这种探测器放在海里，它就会向水底发射声波，如果有鱼群通过，鱼群吐出的大量水泡会使声波反射回来，并通过压电陶瓷接收声波，变成电讯号，人们就可以从仪器上知道鱼群的位置。用同样的方法，也可以探测到海底暗礁，侦察在海洋里活动的敌人的潜水艇。对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰减小，穿透本领大。这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。案例1.超声波探伤(1)穿透法探伤穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况，来判别工件内部质量的方法。穿透法用两个探头，置于工件相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。发射波可以是连续波，也可以是脉冲。在探测中，当工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化，就可以把工件内部缺陷检测出来。穿透法探伤示意图(2)反射法探伤反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的方法。下面以纵波一次脉冲反射为例，说明检测原理。反射法探伤示意图高频脉冲发生器产生的脉冲(发射波)加在探头上，激励压电晶体振荡，使之产生超声波。超声波以一定的速度向工件内部传播。一部分超声波遇到缺陷F时反射回来；另一部分超声波继续传至工件底面B，也反射回来。由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收时，又变为电脉冲。发射波T、缺陷波F及底波B经放大后，在显示器荧光屏上显示出来。荧光屏上的水平亮线为扫描线(时间基准)，其长度与时间成正比。由发射波、缺陷波及底波在扫描线的位置，可求出缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判断缺陷大小；由缺陷波的形状，可分析缺陷的性质。当缺陷面积大于声束截面时，声波全部由缺陷处反射回来，荧光屏上只有T、F波，没有B波。当工件无缺陷时，荧光屏上只有T、B波，没有F波。无损探伤

材料的缺陷人们在使用各种材料（尤其是金属材料）的长期实践中，观察到大量的断裂现象，它曾给人类带来许多灾难事故，涉及舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备等。

路轨断裂事故无损探伤的方法

对缺陷的检测手段有破坏性试验和无损探伤。由于无损探伤以不损坏被检验对象为前提，所以得到广泛应用。无损检测的方法有磁粉检测法、电涡流法、荧光染色渗透法、放射线（x光、中子）照相检测法、超声波探伤法、霍尔元件探伤法等。

超声波探伤

超声波探伤是目前应用十分广泛的无损探伤手段。它既可检测材料表面的缺陷，又可检测内部几米深的缺陷，这是x光探伤所达不到的深度。A型超声探伤反射波形裂纹(1)零件的识别与定位领域：工业、农业、航天、军事等1、工业检测例：双目立体视觉检测系统——简单视觉的机器人系统■自动连接引线、对准芯片和封装；■自动安装部件，自动焊接或自动切割加工、自动浇注系统等。光电式与光导式传感器应用(2)零件尺寸的在线测量(3)零件外观及内部缺陷检测芯片定位芯片管脚检测钢板厚度的在线测量

木料检测原理例：木料检测：缺陷、体积

(4)产品分类、分组(5)产品标识、编码识别苹果分级、分色、配色商品条码、印鉴、标签“手-眼”定位：两个摄像机---两幅平面图像---三维场景信息用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人实例：美国Sojourner系列和Rocky系列火星探测移动机器人2、机器人导航“机遇”号火星车拍摄火星土壤的显微照片

“勇气”号火星车发回的彩色照片美国勇气号和机遇号火星探测移动机器人3、生物医学图像分析（1）医学临床诊断：X射线、B超、CT、核磁共振（MRI）医学影像融合分析细胞个数统计

CT图像自动检测：染色体切片、癌细胞切片、超声波图象三维人体扫描（2）生物图像分析：形状、组织切片、染色体配对、细菌、病毒、病原体外形尺寸检测、颜色识别、表面损伤检测以及组织分析叶片细胞显微放大图片

转基因大豆孢子例：水果分类；发芽土豆；杂草识别4、遥感图像分析：卫星遥感图像---气象卫星（红外成象---云图---气象状况）资源卫星（多光谱成象----地质、矿藏、森林、灾害）海洋卫星（合成孔径雷达成象---海洋、海浪、海滩）航空摄影图像---（多目成象---大地测量、测绘）交通---车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测安全---指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关）监视---超市、商店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视6、军事与国防：5、监控、安防、交通管理：超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象7、办公与家电：办公设备---数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪家用电器---数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃第一节光电效应与光电器件

一、外光电效应特点：速度快---从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。需足够光能---光子能量>表面溢出功A0原理：光→物体表面→光电子发射

光电传感器的物理基础就是光电效应，光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。爱因斯坦光电效应方程1、不同物质具有不同的逸出功，即每个物体都有一个对应的光频阀值，称为红限频率或波长限。2、入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强度成正比。光强越大，入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。3、光电子逸出物体表面具有初始动能，因此即使没有外加电压，也会有光电流产生。1.模拟式光电传感器模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性,其光通量是随被测量而变,光电流就成为被测量的函数,故又称为光电传感器的函数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等。请同学们回答下面问题：解释外光电效应？内光电效应？光生伏打效应？光电池的种类？应用最广泛的是？光电元件有哪些？真空管的光电特性？哪种光电管有良好的线性度？何谓光电管的伏安特性？常用的光敏电阻？光敏电阻的主要特征参数？光电传感器的应用？请同学们理解案例：1.冷轧钢带跑偏监测2.光电转速计红外传感器1.红外辐射的基本定律红外辐射:红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.5μm～103μm，红外线在电磁波谱中的位置如图1所示。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。图1电磁波谱图(1)基尔霍夫定律：处于同一温度下的各种物体的辐射本领正比于它的吸收本领，即M=dM0

M0，表示辐射本领，物体在单位时间内单位面积辐射的能量d－－吸收系数 M0－－同一温度下黑体的辐射本领(2)斯戒藩一玻耳兹曼定律：物体温度越高，其辐射的能量越多。M为某物体在绝对温度T时单位面积和单位时间内辐射的总能量，则:M=T4其中斯戒藩一玻耳兹曼常数；为比辐射率，值<1(3)维思位移定律。物体热辐射的能量包括各种波长的电磁波。物体的峰值辐射波长m与物体自身的绝对温度T成反比，即m＝0.2987/T1.基本定律红外探测器的类型红外传感器（也称为红外探测器）是利用红外辐射与物质