模块7 现代新型传感器

模块7现代新型传感器

1、集成传感器

2、智能传感器3、光纤传感器本模块学习的主要内容：单元1集成传感器一、大规模集成电路对传感器的影响1．传感器向固体化、半导体化和集成化方向发展2．传感器制造工艺的革新3．集成传感器的形成集成电路大规模化提出了集成化的要求提供了应用基础和技术基础。小结：集成温度传感器外形图二、集成传感器的特点成本低小型化改善性能提高可靠性增加接口灵活性

ST的LIS202DL传感器

三、传感器的集成1．各种调节电路和补偿电路与传感器集成2．信号放大电路和阻抗变换电路与传感器集成传感器与信号处理电路制作在同一芯片上或封装在同一管壳内－－集成传感器如，电源电压调整电路、温度补偿电路等等。

把信号放大电路和阻抗变换电路与传感元件集成在一起，对于改善信号的信噪比，抑制外来干扰的影响有很大的好处。

3．信号数字化电路与传感器集成4．多传感器的集成5．信号发送和接收电路与传感器集成把模拟信号变换成数字信号也可以改善抗干扰能力。为了适应控制系统的要求，也常把传感器的输出变换成为开关二种状态的输出以实现控制。

把多个功能不同的传感器集成在一起，可以同时进行多个参数的测量。

把信号发送电路和传感器集成在一起可使测量系统的重量大大减轻、尺寸减小。德国Lepton超精密激光厚度集成传感器实物图集成湿度传感器实物图集成压力传感器实物图集成心率血氧传感器实物图集成加速度传感器实物图电容式集成加速度传感器结构示意图无线传感网络示意图单元2智能传感器

一、智能传感器的定义及其功能定义：将传感器与微机组装在一块芯片上

具有“感知”和“认知”被测量的功能

把传感器技术和信息处理技术进行完美结合

功能：提供更全面、真实的信息信号处理随机整定和自适应具有一定程度的存储、识别和自诊断内含特定算法并可根据需要进行改变二、传感器智能化的技术途径1．传感器和信号处理装置的功能集成化是实现传感器智能化的主要技术途径例如，各种生物传感器电针式生物医学传感器

毫米波分光计

例如，多振动智能传感器

2．基于新的检测原理和结构，实现信号处理的智能化D7F振动传感器

三轴振动传感器

3．研制人工智能材料是当今实现智能传感器以及实现人工智能的最新手段和最新学科几种智能材料的功能特征和应用种类功能和效应主要材料智能元器件应用举例半导体陶瓷自诊断和自调节功能；热阻效应；PTC；NTCBaTiO3，(Ba、Sr)TiO3等；Mn，Ni，CoFe等过渡金属氧化物测温、控温开关、取代温控线路和保护线路自诊断和自修复功能；湿阻效应和电化学反应CuO/ZnO（p/n多孔陶瓷）；异质结界面电阻变化；水分子和污秽在高温上可自行分解快速检测环境湿度和CO泄漏，具有启动电压低（<0.5V），灵敏度高，不需清洗，可连续重复使用（即自修复功能）合金自诊断和自调节功能；形状记忆效应Ni-Ti，Cu-Zn-Al，Fe-Ni-C,Fe-Ni-Co-Ti力致可逆马氏相变超弹性材料利用电致变色效应和光记忆效应作成敏感特性，在可自动启合式卫星天线、高压管道的自膨胀接口等方面有特殊应用记忆合金曲别针自适应巡航三、智能传感器精密智能压力变送器PPTA2彩色平板环保扫描仪

二维自适应图像智能传感器

三维多功能单片智能传感器

智能血糖仪

汽车电池监控智能传感器奥地利medel公司中耳植入振动声桥

四、智能传感器的发展前景1．传感器和微处理器结合，实现单片智能传感器3．利用生物工艺、纳米技术，研制分子和原子生物传感器2．微结构（智能结构）4．完善智能器件原理和智能材料的设计方法

ABS的防侧翻稳定控制系统（RSC）ABS－ECU

ABS的防侧翻稳定控制系统（RSC）西门子智能视觉传感器

单元3光纤传感器

一、光纤的结构圆柱形结构：纤芯包层保护层光纤结构示意图光纤放大传感器实物图光纤传感器.光电眼实物图

光纤中继转换器实物图

精密光纤偶合器实物图

光纤装饰玩具实物图1.光纤传感器的原理

二、光纤传感器的原理及分类光纤传感器以光学量转换为基础，以光信号为变换和传输的载体，利用光导纤维输送光信号。光纤传感器主要由光源、光导纤维(简称光纤)、光检测器和附加装置等组成。光纤进行光信息的传输,利用光学的全反射原理，让光在光纤的界面之间反复地发生全反射而进行传输。光纤传光原理动画光纤灯饰动画（1）功能型：（2）传光型2.光纤传感器分类利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以也称传感型光纤传感器，或全光纤传感器利用其他敏感元件来感受被测量变化一种光纤传感器，传光型光纤传感器则仅起传输光信号作用，所以也称为非功能型光纤传感器三、光纤传感器的特点①不受电磁场的干扰②绝缘性能高③防爆性能好，耐腐蚀④导光性能好四、光纤传感器的应用举例光纤压力传感器结构图1-膜片；2-光吸收层；3-垫圈；4-光纤；5-桥式光接收线路；6-发光二极管；7-壳体；8-棱镜；9-上盖◆应用离不开光的调制和解调两个环节

◆光调制有强度调制、相位调制、频率调制及偏振调制等几种

光纤液位传感器示意图

光纤流速传感器动画

光纤电流传感器原理示意图感应元件是一段镍护套光纤，将其固定于通电流的螺线管中心。若通过螺线管的电流不同，螺线管中的磁场就不同，镍护套受此磁场的作用发生磁滞伸缩，使光纤在径向轴向受到应力，从而纤芯折射率和长度都发生变化，引起信号臂与参考臂的相位差异，通过探测相位差来探测电流的大小。光纤加速度传感器原理示意图激光束通过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时，由于质量块M对光纤的作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时，根据流体力学原理，在某些条件下，在非流线体的下游两侧产生有规则的漩涡，其漩涡的频率f近似与流体的流速成正比。式中：v—流速；d—流体中物体的横向尺寸；

S—斯特罗哈（Strouhal）数。

S是一个与流体介质和流动环境有关的无量纲的常数。光纤漩涡流量传感器原理示意图单元4CCD图像传感器

传统光学相机使用“胶卷”作为记录信息的载体，通过镜头将被拍影像信息聚焦至胶卷上，经曝光将对应视场内信息按一定颗粒度（像素）记录并按物理二维排列记录至胶卷上。如果图像信息转为电信号，并利用数字存储介质储存，则可制成数码相机，从而取消胶卷，节约资源。同时，其图像更便于复制、编辑、传输。数码相机为实现图像的获取及数字化，提供图片显示，则需通过图像传感器将所选视场内的各像素点的色彩信息转换为电信号，通过一定时序取出显示，或转存于相应存储介质，提供后续的处理等。其“胶卷”就是其感光器件——图像传感器，而且是与相机一体的，是数码相机的核心。感光器件性能的优劣直接影响所获取图像的品质。传统胶片相机数码相机胶片摄像机数码摄像机图像传感器用于将光信号转变为电信号。常用的感光元件有两种：①电荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice），是一种高感光度的半导体（MOS型晶体管）材料制成，技术成熟，成像质量好，应用广泛。但信息读取复杂，速度慢。②互补金属氧化物半导体（CMOS），利用硅和锗制成的半导体，在CMOS上共存着N区和P区，两个互补效应所产生的电路可被处理芯片记录和解读成影像信息。电路简单，信息直接读取，速度较快，耗电两小，单个光电传感元件、电路之间距离近，受光、电、磁干扰较严重，对图象质量影响很大。CCD（MOS型）图像传感器摄像头（CMOS型）图像传感器一、CCD图像传感器简介CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的MOS（金属-氧化物-半导体）电容器组成的阵列。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成栅极。栅极和P型或N型硅衬垫就形成了规则的MOS电容器阵列。时刻t1，第1相时钟φ1=1，φ2=φ3=0，这时第1组电极1、4、7……下面形成深势阱，可以贮存信号电荷形成“电荷包”,2、5、8……，3、6、9……势阱为0。在t2时刻，φ1=1/2，φ2=1，φ3=0，在第1组电极下的势阱变浅，而第2组(2、5、8……)电极下形成深势阱，信息电荷从第1组电极下面向第2组转移。

t3时刻，φ2=1，φ1=φ3=0，信息电荷全部转移到第2组电极下面。重复上述类似过程，信息电荷可从φ2转移到φ3。传输过程中继续光照会产生电荷，使信号电荷发生重叠，出现模糊现象。有必要把摄像区和传输区分开，并且在时间上保证信号电荷从摄像区转移到传输区的时间远小于摄像时间。二、CCD图像传感器电荷转移与传输（a）驱动信号（b）电荷转移三相CCD驱动和转移示意图可用虹吸雨量收集类比CCD电荷转移过程，雨滴表示光子，小盆表示像元，盆深度表示像元容纳的电荷，虹吸泵表示CCD的移位寄存器，雨量筒表示CCD的输出放大器。则电荷的转移过程与右图所示雨量收集方法一致。一行收集结束准备好下次雨水收集电荷信号的转移和传输动画1.

CCD图像传感器的分类CCD图像传感器分类三、CCD图像传感器的分类和基本参数（b）面阵CCD（a）线阵CCD2．CCD图像传感器的基本参数

①光谱灵敏度取决于量子效率、波长、积分时间等参数。②动态范围表征同一幅图像中最强但未饱和点与最弱点强度的比值。数字图像一般用DN表示。③非均匀性全部像素对同一波长、同一强度信号响应能力的不一致性。④非线性度对于同一波长的输入信号，其输出信号强度与输入信号强度比例变化的不一致性。⑤分辨率包括灰度值分辨率和空间分辨率。灰度值分辨率是利用图像多级亮度来表示分辨率的方法，机器能分辨给定点的测量光强度，所需光强度越小则灰度值分辨率就越高；空间分辨率是指CCD分辨精度的能力，通常用像素来表示。四、色彩信息的获取1.采用分光棱镜和3个CCD器件利用棱镜将光线中的红、绿、蓝三个基本色分开，使其分别投射在一个CCD上。这样一来，每个CCD就只对一种基本色分量感光。效果好，但结构复杂，价格昂贵。3CCD彩色成像原理图2.采用单一CCD器件配合拜尔滤镜将称拜尔滤镜加装在CCD上。每四个像素形成一个单元，一个过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色。每个像素都接收到感光信号，但色彩分辨率不如感光分辨率。采用每四个感光单元为一组，分别获取G、B、R、G光度信号并合成为一个像素点色彩信息。单CCD彩色成像原理图1.平面扫描仪

可移动光源在步进电机带动下扫描原稿，线阵CCD接收到这些信号后，经模数（A/D）转换器将其转换成计算机能读取的信号，通过驱动程序转换成显示器上能看到正确图像。

（a）光路图扫描仪工作原理及结构（b）结构五、CCD传感器应用案例扫描仪工作过程动画2.数码摄像机外界景物通过镜头照射到CCD彩色图像传感器上，传感器在扫描电路的控制下，将变化的外界景物以25帧／s的速度转换为串行模拟脉冲信号输出，经A/D转换并处理存储，信息还原后并按规定速率播放即可形成动态影像。数码摄像机工作原理

机器人是由计算机控制的复杂机器，具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；既可以接受人类指挥，又可以运行预先编制的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。可协助或取代人类工作的工作，如危险或高劳动强度的工作，或恶劣环境如井下、深海或火星、月球探测作业等。单元5机器人传感技术

火星探测器实物图

水下章鱼机器人实物图

机器人要完成所赋予的任务，必须由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。检测装置如同人的感官，具有信息获取能力，使其具有人的感觉和知觉，便于机器人更精准的完成任务，具有适应环境，甚至自主学习的能力。机器人传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等。一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息。智能机器人通过外部信息传感器检测作业对象及环境或与它们的关系以控制自身行动。外部信息传感器和人的感觉对应，故亦称感觉传感器。一、机器人的构成及信息获取检测项检测内容传感元件应用视觉物体的外形、尺寸、物体的位置、角度、距离、缺陷、物体的色彩、浓度，环境的明亮度光敏阵列、CCD、超声传感器、光电断续器、激光等物体空间位置、运动，图像识别（如文字、符号等）、颜色识别、物体的有无听觉声音、超声波、次声波各类声传感器、压电元件、磁致伸缩元件等语音、语义识别，振动噪声、移动检测，冲击波，物体内应力导致的声发射触觉接触觉与对象是否接触，接触的位置光电传感器、微动开关、导电橡胶、压敏高分子材料等确定对象位置，识别对象形状，控制速度，安全保障，异常停止，寻径压觉对物体的压力、握力、压力分布压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料控制握力，识别握持物，测量物体弹性力觉机器人动作时各自由度的力感觉（如手指）所受外力及转矩压阻元件、应变片、导电橡胶等控制与协调，手腕移动，伺服控制，正解完成作业滑动觉物体向着垂直于手指把握面的方向移动或重力引起的变形球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器修正握力，防止打滑，判断物体重量及表面状态接近觉对象物是否接近，接近距离，对象面的倾斜光电元件、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传感器控制位置，寻径，安全保障，异常停止嗅觉气体成分及浓度气敏元件、射线传感器等气体或挥发性物质的化学成分探测味觉物质的成分离子传感器、pH计、生物传感器等物质化学成分机器人传感器及分布机器人足球赛实物图工业机器人工作现场图玩具机器人搬运机器人1．机器视觉

机器视觉主要利用图像信号输入设备，将视觉信息转换成电信号，再经分析处理获得。常用的图像信号输入设备有摄像管和固态图像传感器。图像输入：包括亮度、颜色和距离等信息的获得。图像处理：对获取的图像信息进行预处理，以滤去干扰、噪声，并作几何、色彩方面校正，以提高信噪比。物体识别：对图像中分割出来的物体给以相应的名称，如道路、桥梁、建筑物或各种机器零件等。视觉传感器典型结构图二、机器人传感器机器视觉示意图视觉传感器实物图2．听觉传感器听觉传感器是利用语言信息处理技术制成的。机器人由听觉传感器实现“人-机”对话。语音识别实质上是通过模式识别技术识别输入声音，通常分为特定话者和非特定话者两种语音识别方式。特定话者的语音识别技术已进入了实用阶段，而自然语音的识别尚在研究阶段。听觉传感器及语音识别系统歌唱、舞蹈机器人实物图

3．触觉及触觉传感器（1）接触觉传感器触觉感知是否同其它物体接触。人的触觉包含有接触觉、压觉、滑动觉、力觉、冷热觉、痛觉等。针式变压器矩阵接触觉传感器示意图（b）矩阵触针式传感器示意图（a）单个触针传感器示意图光电开关式接触觉传感器原理示意图接触开关式接触觉传感器原理示意图（2）压觉传感器压觉中最重要的是分布压觉。通过高密度配置这种传感器，可以获得同物体接触处各部分的压力，将该压力变换成相应处的电压信号，