传感器第十章课件

第十章新型传感器

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。

7/23/20231第一节集成温度传感器集成温度传感器（温度IC）将温度敏感元件和放大、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。

7/23/20232一、集成温度传感器的测温原理

PN结的温度特性

二极管的正向电压降UD以-2mV/℃变化

7/23/20233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。电压型的灵敏度多为10mV/℃（以摄氏温度0℃作为电压的零点），电流型的灵敏度多为1μA/K（以绝对温度0K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、串行输出型等几种不同的形式。

7/23/20234（一）模拟型集成温度传感器1.模拟型集成温度传感器电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出，AD590是电流输出型温度传感器的典型产品。

7/23/20235AD590封装示意图空脚（接地）7/23/20236AD590的基本转换电路电流-电压转换电路（10mV/K）

增加负载电阻的阻值可提高输出电压。7/23/20237AD590的基本转换电路输出电压Uo与热力学温度成正比（1mV/K）

输出电压Uo与摄氏温度成正比（100mV/℃）

7/23/20238电压输出型集成温度传感器——

LM35/45LM35/45的外形及引脚图

7/23/20239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及组装成的测温传感器7/23/202310在电脑中，集成温度传感器用于CPU散热保护电路散热风扇集成温度ICCPU插座CPU散热片7/23/202311MAX6502用于控制散热风扇的转速当CPU进行复杂运算时，风扇处于全速运行。场效应管功率驱动

7/23/202312第十章：第二节磁性传感器一、磁致伸缩效应及应用

稀土原料

某些磁性材料在外磁场作用下，物理尺寸会发生变化，去掉外磁场后，又恢复到原来的尺寸，这种现象称为磁致伸缩效应。稀土超磁致伸缩材料是目前性能最好的超磁致伸缩材料之一。

7/23/202313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，可用于制作大功率声纳传感器。7/23/202314声纳的应用声纳发射、接收器声纳反潜7/23/202315声纳反潜的原理

7/23/202316磁致伸缩位移传感器（参考德国图尔克公司资料）

位移7/23/202317磁致伸缩位移（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。

7/23/202318磁致伸缩液位传感器（参考广东康宇测控仪表公司资料）

磁致伸缩液位传感器可靠性强、耐腐蚀、安装方便。7/23/202319磁致伸缩液位传感器结构信号处理单元壳体

不锈钢套管（内有磁致伸缩线）浮子（内有磁铁）吃水线7/23/202320磁致伸缩液位传感器的应用7/23/202321各种液位计的外形和安装比较（续）7/23/202322二、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。

7/23/202323磁敏电阻的应用磁敏电阻可用于测量地球磁场的方向及强度的变化。指南针只能指示地球磁场的方向。7/23/202324地球磁场“导演”的极光（加拿大育空地区）7/23/202325磁阻式电子罗盘7/23/202326磁敏电阻IC及其应用线性磁阻位置传感器7/23/202327磁敏电阻的应用

根据铁磁物体对地磁的扰动，可检测车辆的存在，可用于包括自动开门，路况监测，停车场检测，车辆位置监测，红绿灯控制等。

7/23/202328利用磁敏电阻制作小型探矿仪（磁力仪）磁敏电阻（聚四氟乙烯封装）磁力探矿仪的使用7/23/202329磁敏电阻小型探矿仪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7/23/202330磁阻IC用于转速测量磁力线集中磁力线分散7/23/202331磁阻IC用于笔式验钞器验钞笔顺着纸币上的磁性防伪线扫描7/23/202332第十章：第三节光导纤维传感器光的全反射实验

7/23/202333各种装饰性光导纤维7/23/202334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7/23/202335光纤传感器外形

7/23/202336光的反射、折射当一束光线以一定的入射角θ1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。

7/23/202337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θc。当入射角小于θc时，入射光线将发生全反射。7/23/202338光在光纤中的全反射

7/23/202339光纤的结构

7/23/202340光缆的外形及光纤的拉制

7/23/202341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。7/23/202342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。

7/23/202343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。

7/23/202344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。7/23/202345激光二极管的外形

激光二极管芯片7/23/202346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，它在传导过程中的发散损耗较小，稳定性较高。7/23/202347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。

7/23/202348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。7/23/202349光纤传感器

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。

7/23/202350光纤液位传感器

7/23/202351保护管内为高温光纤低温光纤光纤温度传感器7/23/202352光纤式光电开关反射型遮断型反射镜反射型7/23/202353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7/23/202354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7/23/202355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7/23/202356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7/23/202357第四节图像传感器一、光辐射基础

电磁波的频谱分布

7/23/202358光通量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，用符号Φ表示，单位为流明（lm）。

45W节能灯的光通量约为2500Lm，相当于250W白炽灯或150W水银汞灯。

7/23/202359发光强度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强度（简称光强），用符号I表示，单位为坎德拉（cd）。

最早在英国定义的发光强度单位为“烛光”7/23/202360照度

照度是用来表示被照面上光的强弱。受照物体表面每单位面积（1m2）上接收到的光通量称为照度，符号为E，单位为勒克司（lx）。

照度仪7/23/202361亮度

发光体在视线方向单位投影面（1m2

）上的发光强度称为该物体表面的亮度，也称为辉度，用符号L来表示，单位为坎德拉每平方米（cd/m2）。

7/23/202362总结：

常用光度学的名称、符号、单位及说明

名称符号单

位说

明光通量Φ流明（流）lm发光体每秒所发出的光量总和光强I坎德拉（坎）cd发光体在特定方向的单位立体角内所发射的光通量照度E勒克斯（勒）lm/m2

发光体照射在被照物体单位面积上的光通量亮度L尼脱（尼）cd/m2发光体在视线方向单位投影面上的发光强度7/23/202363二、热成像技术

(一)红外热像的基本知识

任何物体只要温度高于绝对零度，内部原子就会作无规则运动，并不断地辐射出热红外能量。红外探测器可将物体辐射的红外功率信号转换成电信号，在计算机成像系统的显示屏上，将得到与物体表面热分布相对应的热像图。

不同的颜色和亮度代表不同的温度

7/23/202364热成像仪的使用

7/23/202365各种热像变电站的热像从热像中可以判断过热位置7/23/202366人的热像

医生7/23/202367（二）热成像元件

在中、长波红外探测领域，现在多采用了碲镉汞红外光子探测器。7/23/202368热成像传感器热成像仪能透过烟尘、云雾、小雨及树丛等许多自然或人为的伪装来看清目标。手持式及安装于轻武器上的热成像仪可以让使用者看清800m或更远的人体大小的目标。带夜视仪的自动步枪

7/23/202369配备热成像传感器的自动步枪7/23/202370配备热成像传感器的自动步枪（续）7/23/202371带热成像传感器的自动步枪（续）7/23/202372军用热成像传感器的效果白亮处有一辆坦克7/23/202373军用热成像传感器的效果（续）白亮处有一辆坦克7/23/202374用热像仪判断机械工业产品的质量7/23/202375用热像仪判断电子产品的工作状态线路板上的各点温度IC的温度7/23/202376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）用热像仪判断皮肤肿瘤的位置及范围7/23/202377其他热像仪7/23/202378热像仪的使用及效果盛有热水的盆7/23/202379第五节：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。

7/23/202380（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。

7/23/202381MOS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7/23/202382

彩色CCD显微照片（放大7000倍）7/23/202383（二）CCD图像传感器的分类

1.线阵CCD外形

7/23/2023842.面阵CCD

面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。

7/23/202385面阵CCD外形（续）200万和1600万像素的面阵CCD

7/23/202386面阵CCD外形（续）

7/23/202387面阵CCD外形（续）

7/23/202388（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。

7/23/202389（四）CCD图像传感器的应用

线阵CCD在扫描仪中的应用

7/23/202390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7/23/202391线阵CCD用于字符识别7/