智能传感与检测技术 教案 第10章 智能传感器

《智能传感与检测技术》课程教案授课章节第10章智能传感器10.1智能传感器概述10.2智能图像传感器建议课时2授课方式理论知识讲授+提问讨论+多媒体演示所属专业教学目标1.理解智能传感器的概念、功能、实现方式2.掌握CCD图像传感器的工作原理3.理解CMOS图像传感器组成与技术参数4.了解CIS图像传感器5.了解图像传感器的应用教学重点1.智能传感器的概念、功能、实现方式2.CCD图像传感器的工作原理3.CMOS图像传感器组成与技术参数教学难点1.CCD图像传感器的工作原理2.CMOS图像传感器组成与技术参数参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术。智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来智能测试技术的研究和实际经验而提出来的。传感器智能化的发展有两个方向：一个方向是传感器与微处理器相结合；另一个方向是传感器与人工智能技术相结合。『授课内容』10.1智能传感器概述10.1.1智能传感器的概念智能传感器的概念及雏形是美国宇航局在开发宇宙飞船的过程中形成的。宇宙飞船需要大量的传感器检测飞船的状态（如温湿度、气压、速度、加速度和姿态等）。人类大脑根据积累的知识、经验对环境进行推理判断，做出相应反应，如图10-1所示。智能传感器与人类智能相类似，其传感器相当于人类的感知器官，其微处理器相当于人类大脑，可进行信息处理、逻辑思维与推理判断，存储设备存储“知识、经验”与采集的有用数据，如图10-2所示为智能传感器的结构。10.1.2智能传感器的功能智能传感器引入了微处理器进行信息处理、逻辑思维、推理判断，使其除了具有传统传感器的检测功能外，还具有数据处理、数据存储、数据通信等功能，其功能已经延伸至仪器的领域。10.1.3智能传感器的实现方式智能传感器也种类繁多，如智能温度传感器、智能压力传感器、智能流量传感器等。尽管各种智能传感器功能各不相同，但是智能传感器有着相类似的实现方式，具体分为以下3种实现方式。模块化方式集成化方式混合方式10.1.4智能传感与检测技术10.2智能图像传感器10.2.1CCD图像传感器1.CCD的工作原理电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。所以CCD的的基本功能是存储和转移电荷。它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。CCD工作过程中的主要问题是信号电荷的产生（将光转换成信号电荷）、存储（存储信号电荷）、传输（转移信号电荷）和检测（将信号电荷转换成电信号）。CCD的工作原理如图10-7所示。2.CCD的分类按照像素排列方式的不同，CCD又可分为线阵（Linear）与面阵（Area）两大类，如图10-11所示。其中线阵应用于影像扫瞄器及传真机上，而面阵主要应用于工业相机、数码相机、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。1）线阵CCD2）面阵CCD3.CCD图像传感器的性能指标衡量CCD好坏的指标很多，如像素数、帧率、靶面尺寸、感光度、电子快门和信噪比等。其中，像素数和靶面尺寸是重要的指标。10.2.2CMOS图像传感器1.CMOS的组成CNOS的主要组成部分是像敏单元阵列和MOS效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列由光电二极管阵列构成。图10-15所示的像敏单元阵列按X和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在X、Y方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择，输出信号送A/D转换器进行模／数转换变成数字信号输出。2.CMOS的技术参数了解CCD和CMOS芯片的成像原理和主要参数对产品的选型非常重要。同样，相同的芯片经过不同的设计制造出的相机，性能也可能有所不同。3.CCD图像传感器与CMOS图像传感器的区别10.2.3CIS图像传感器除了CCD和CMOS图像传感器外，还有一种常用的图像传感器，叫接触式图像传感器（CIS)。CIS图像传感器被用在扫描仪中，是将感光单元紧密排列，直接收集被扫描稿件反射的光线信息，由于本身造价低廉，又不需要透镜组，所以可以制作出结构更为紧凑的扫描仪，使成本大大降低。但是，由于是接触式扫描（必须与原稿保持很近的距离）只能使用LED光源，分辨率以及色彩表现目前都赶不上CCD感光器件。扫描仪外形图如图10-17所示。扫描仪内部结构图如图10-18所示。10.2.4图像传感器的应用1.CCD图像传感器在数码速印机的应用2.CMOS图像传感器的应用【多媒体演示】多媒体课件见教材配套教学PPT『课堂小结』CCD图像传感器与CMOS图像传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用光电二极管进行光电转换，将图像转换为数字数据的。CCD图像像传感器与CMOS图像传感器器的主要差异是数字数据传输的方式不同。CCD图像传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出。而在CMOS图像传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。『作业布置』P101页一、填空题1、2、3二、综合题1、2、3、4『教学后记』授课章节第10章智能传感器10.3智能生物传感器10.4模糊传感器10.5多传感器数据融合系统10.6微传感器建议课时2授课方式理论知识讲授+提问讨论+多媒体演示所属专业教学目标1.掌握生物传感器和生物芯片2.理解模糊传感器3.理解多传感器数据融合系统4.了解微传感器教学重点1.生物传感器和生物芯片2.模糊传感器3.多传感器数据融合系统教学难点1.生物传感器和生物芯片2.模糊传感器3.多传感器数据融合系统参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』智能生物传感器、模糊传感器、微传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。随着社会的进一步信息化，生物传感器必将获得越来越广泛的应用。『授课内容』10.3智能生物传感器10.3.1生物传感器概述生物传感器一般是在基础传感器上再耦合一个生物敏感膜，也就是说生物传感器是半导体技术与生物工程技术的结合。生物敏感物质附着于膜上或包含于膜之中，溶液中被测定的物质，经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应，所产生的信息可通过相应的化学或物理换能器转变成可定量和可显示的电信号，就可知道被测物质的浓度。1.葡萄糖传感器2.酶传感器3.微生物传感器4.免疫传感器5.半导体生物传感器10.3.2生物芯片生物芯片的模样五花八门，外观五彩斑斓。有的和计算机芯片一样规矩、方正，有的是一排排微米级圆点或一条条的蛇形细槽，还有的是一些不同形状头发粗细的管道和针孔大小的腔体。图10-26所示为一种生物芯片的外观结构图。10.3.3智能生物传感器1.智能生物传感器概述近年来，受生物科学、信息科学和材料科学发展的推动，智能生物传感器技术飞速发展。未来的智能生物传感器将进一步应用在医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业等各个领域。2.智能生物传感器的应用智能生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点。智能生物传感器在国民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等部门有广泛的应用前景。在科学技术快速发展的今天，分子生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科、新技术结合，正改变着传统医学、环境科学动植物学的面貌。1）智能生物传感器在食品分析中的应用2）智能生物传感器在环境测量中的应用3）智能智能生物传感器在发酵中的应用4）智能生物传感器在医学与健康领域中的应用10.4模糊传感器10.4.1模糊传感器概述模糊传感器是在20世纪80年代末出现的术语，当时有学者提出一种超声模糊传感器，其描述距离测量结果为“远”、“近”等自然语言。传统传感器是数值传感器，它以定量数值来描述被测量的状态。10.4.2模糊传感器的结构模糊传感器的逻辑结构如图10-30所示，主要由信号检测与处理单元、数值／符号转换10.5多传感器数据融合系统10.5.1多传感器数据融合系统概述多传感器数据融合系统包含多传感器融合和数据融合。多传感器融合是指多个基本传感器空间和时间上的复合设计和应用，常称多传感器复合。多传感器融合能在极短时间内获得大量数据，实现多路传感器的资源共享，提高系统的可靠性和宽容性。10.5.2多传感器数据融合系统的流程10.6微传感器10.6.1微传感器概述微机电系统(MicroElectro-MechanicalSystems，简称为MEMS)，专指外形轮廓尺寸在毫米级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米级，可对声、光、热、磁、压力、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置，是融合了硅微加工、光刻铸造成形和精密机械加工等多种微加工技术制作的系统。10