测控系统的感知技术.ppt

第3章测控系统的感知技术,主要内容,传感器概述热敏传感器光敏传感器声敏传感器气敏传感器生物敏传感器智能传感器,传感器技术所涉及的知识领域非常广泛，它们的共性是利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性，将非电量转换成电量。,3.1传感器概述,传感器的定义,3.1.1传感器的定义与分类,传感器位于测控系统的输入端，一般由敏感元件、转换元件和信号调理电路等部分组成,,,3.1.1传感器的定义与分类,传感器的基本特性传感器的基本特性是指传感器的输入-输出特性，一般分为静态特性和动态特性两大类。静态特性是当被测对象处于静态，即输入为不随时间变化的恒定信号时，传感器输入与输出之间呈现的关系。动态特性是指当输入量随时间变化时的输入－输出关系。,3.1.2传感器的基本特性,1.静态特性,,式中y输出量；x输入量；a0零点输出；a1理论灵敏度；a2、a3，，an非线性项系数,3.1.2传感器的基本特性,①量程②分辨力③阈值④灵敏度⑤重复性⑥迟滞⑦线性度⑧精度⑨稳定性,3.1.2传感器的基本特性,衡量传感器静态特性的主要指标,量程量程又称满度值，是指系统能够承受的最大输出值与最小输出值之差。,3.1.2传感器的基本特性,,分辨力与阈值分辨力是指传感器能够检测到的最小输入增量。使传感器产生输出变化的最小输入值称为传感器的阈值。,3.1.2传感器的基本特性,灵敏度传感器输出变化量与输入变化量之比为静态灵敏度，其表达式为,3.1.2传感器的基本特性,,重复性重复性表示传感器在同一工作条件下，被测输入量按同一方向作全程连续多次重复测量时，所得特性曲线的不一致程度。,3.1.2传感器的基本特性,,,迟滞迟滞指传感器输入沿正向行程和反向行程变化时输入输出特性曲线的不一致性。,3.1.2传感器的基本特性,,,线性度为了标定和数据处理方便，通常希望传感器的输入输出呈线性关系。,3.1.2传感器的基本特性,,常用的直线拟合方法有理论拟合、端点连线拟合、最小二乘拟合等。相应的有理论线性度、端点连线线性度、最小二乘线性度等。,3.1.2传感器的基本特性,,（a）理论拟合（b）端点连线拟合（c）最小二乘拟合,精度精度是反映传感器系统误差和随机误差的综合误差指标。经常用重复性、迟滞和线性度三项的和或者方和根来表示,3.1.2传感器的基本特性,,稳定性稳定性是指在规定工作条件下和规定时间内，传感器性能保持不变的能力。,3.1.2传感器的基本特性,2.动态特性动态特性反映传感器感知动态信号的能力。一般来说，传感器输出随时间变化的规律应与输入随时间变化的规律相近，否则输出量就不能反映输入量。,3.1.2传感器的基本特性,动态特性的数学描述,,,,3.1.2传感器的基本特性,典型环节的频率特性,零阶传感器系统,K静态灵敏度。,一阶传感器系统,,,,,,3.1.2传感器的基本特性,,,（a）力学系统,3.1.2传感器的基本特性,（b）电学系统,二阶传感器系统,,3.1.2传感器的基本特性,,,典型的二阶系统,,,3.1.2传感器的基本特性,时域性能指标通常在阶跃信号作用下测定传感器动态特性的时域指标。,,,（a）一阶系统（b）二阶系统,3.1.2传感器的基本特性,传感器的时域性能指标主要有时间常数τ输出值上升到稳态值的63所需的时间；上升时间输出值从稳态值的10上升到90所需的时间；响应时间输出值达到稳态值的95或98所需的时间。最大超调量σ在二阶系统中，如果输出量大于稳态值，则有超调，最大超调量定义为,,3.1.2传感器的基本特性,频域性能指标,通常利用传感器系统对单位幅度正弦信号的响应曲线测定动态性能的频域指标。,,,传感器的频域性能指标包括通频带对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围；工作频带幅值误差为5或10时所对应的频率范围；相位误差在工作频带范围内相角应小于5或10。,3.1.2传感器的基本特性,,,,,（a）一阶系统幅频特性和相频特性,3.1.2传感器的基本特性,（b）二阶系统幅频特性和相频特性,3.1.2传感器的基本特性,热敏传感器热敏传感器是科学实验和生产活动中非常重要的一类传感器，它是将热量变化转换为电学量变化的装置，用于检测温度和热量。,3.2热敏传感器,热电阻大多数金属热电阻的阻值随温度升高而增大，其特性方程如下,,Rt被测温度T时热电阻的电阻值；R0基准温度T0时的电阻值；a热电阻的电阻温度系数（1/℃）；T、T0绝对温度，单位K。,3.2.1热电阻,主要金属热电阻传感器的性能,3.2.1热电阻,在热电阻选型方面，应该主要考虑以下参数1）热电阻的类别、测温范围及允许误差；2）常温绝缘电阻热电阻常温绝缘电阻的试验电压为直流10100V，环境温度1535℃，相对湿度不大于80，大气压力为86106kPa；铂热电阻的常温绝缘电阻值应不小于100MΩ；铜热电阻的常温绝缘电阻值应不小于50MΩ；3）公称压力指在室温情况下保护管不破裂所能承受的静态外压。允许工作压力不仅与保护管材质、直径、壁厚有关，还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的种类、浓度、流速有关；,3.2.1热电阻,4）热响应时间指在温度出现阶跃变化时，传感器的输出变化相当于该阶跃变化的50，所需要的时间称为热响应时间。5）最小置入深度感温元件长度应不小于其保护管外径的810倍。部分产品为适应安装条件的限制，长度不符合本项要求，测量精度相应受到影响；6）尺寸规格包括保护管外径、总长等；7）接线盒形式分为防水式和防爆式等；8）保护管材料、电气接口、防护等级、安装固定形式等；,3.2.1热电阻,热敏电阻是一种半导体温度传感器，按温度特性分为负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。,,Rt被测温度T时热敏电阻值；R0基准温度T0时的热敏电阻值；B热敏电阻的特征常数；T、T0绝对温度，单位K。,3.2.2热敏电阻,其电阻-温度特性曲线如图,,,NTC型热敏电阻温度特性NTC型热敏电阻伏安特性,3.2.2热敏电阻,热敏电阻值随温度变化呈指数规律，其非线性是十分严重的，为使测量系统的输入输出呈线性关系，可以采用（1）串、并联补偿电阻，（2）利用电路中其他部件的非线性修正（3）计算机修正等方法。,3.2.2热敏电阻,热电偶是一种结构简单、性能稳定、测温范围宽的热敏传感器，在冶金、热工仪表邻域得到广泛应用，是目前检测温度的主要传感器之一，尤其是在检测1000℃左右的高温时更有优势。,3.2.3热电偶,1.热电偶工作原理,,将两种不同的导体两端相接，组成一个闭合回路，当两个接触点具有不同温度时，回路中便产生电流，这种物理现象称为塞贝克效应。,3.2.3热电偶,当温度TT0时，由导体Ａ、B组成的热电偶回路总热电势为,,只有当A、B材料不同并且热电偶两端温度不同时，总热电势才不为零。,3.2.3热电偶,热电偶的温度－热电势关系图,,3.2.3热电偶,2.热电偶基本定律A均质导体定律B标准电极定律C中间导体定律D中间温度定律,3.2.3热电偶,均质导体定律两种均质导体组成的热电偶的热电势大小与电极的直径、长度及沿长度方向上的温度分布无关，只与热电极材料和温差有关。如果材质不均匀，当热电极上各处温度不同时，将产生附加热电势，造成无法估计的测量误差，因此热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。,3.2.3热电偶,,标准电极定律若导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶，那么由导体A、B组成的热电偶的热电势可以由标准电极定律来确定。标准电极定律指如果将导体C（热电极，一般为纯铂丝）作为标准电极（也称参考电极），并且已知标准电极与任意导体配对时的热电势，那么在相同结点温度（T，T0）下，任意两导体A、B组成的热电偶的热电势为,,,3.2.3热电偶,中间导体定律在用热电偶测量温度时，必须在热电偶回路中接入导线和仪表。中间导体定律表明在热电偶回路中，只要中间导体两端温度相同，对热电偶回路的总热电势没有影响。因此可以用导线将电压表接入热电偶回路。如下图所示。,3.2.3热电偶,,热电偶测温电路,,3.2.3热电偶,中间温度定律在热电偶回路中，当结点温度为T，T0时，总热电势等于该热电偶在结点温度为T，Tn和Tn，T0时相应的热电势的代数和，即,,3.2.3热电偶,3.热电偶冷端温度补偿通常热电偶测量的是一个热源的温度或两个热源的温度差，因此需要将冷端的温度保持恒定或采取一定的方法进行处理。,3.2.3热电偶,0℃恒温法将热电偶的冷端保持在0℃器皿中（如冰水混合物中），如图3-16所示。这种方法适用于实验室，它能够完全克服冷端温度误差。,,热电偶冷端温度补偿,冷端恒温法将热电偶的冷端置于一恒温器中，若恒定温度为T0℃，则冷端误差为冷端误差是一个定值，只要在回路中加上相应的补偿电压，或调整指示器的起始位置，就可以达到完全补偿的目的。,,热电偶冷端温度补偿,冷端补偿器法工业上常采用冷端补偿器法，也称电桥补偿法。,,,热电偶冷端温度补偿,补偿导线法当热电偶冷端由于受热端温度影响，在较大范围内变化时，应先用补差导线将冷端延长到温度比较稳定的环境中，再用其他方法进行补偿。补偿导线的热电特性与热电偶近似，但用相对廉价的材料制成。,热电偶冷端温度补偿,计算机智能补偿法利用单片机或微型计算机，可以实现温度监测、控制、误差修正与冷端温度补偿的一体化、智能化。对于冷端温度恒定的情况，只要在热电势采样值上加上一个常数即可；对于冷端温度变化的情况，可以利用其他传感器实时测量冷端温度并送入微机系统，对热电势采样值进行实时修正。,热电偶冷端温度补偿,4.热电偶的主要参数在选择热电偶产品时，应考虑的主要参数有1）热电偶的类型、测温范围及允许误差；2）时间常数；3）最小置入深度；4）常温绝缘电阻及高温下的绝缘电阻；5）偶丝直径、材料，安装固定形式、尺寸，测量端结构形式等。,3.2.3热电偶,光敏传感器是把光信号转换为电信号的传感器，按照工作原理可以分为光电效应传感器、红外热释电探测器、固态图像传感器、光纤传感器、色敏传感器、光栅传感器等。,3.3光敏传感器,光电效应传感器是利用光敏材料在光照射下，会产生光电子逸出、电导率发生变化或产生光生电动势等现象制成的光敏器件。,3.3.1光电效应传感器,1.外光电效应在光照作用下，物体内部的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应，亦称光电子发射效应。,,h普朗克常数，6.62610-34Js；,,m电子质量；,v电子逸出速度；,A物体的逸出功。,3.3.1光电效应传感器,由上式可知光电子逸出物体表面的必要条件是EA，如果入射光子的能量小于阴极材料的表面逸出功，无论光强多大，都没有光电子产生。在足够外加电压作用下，入射光频率不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光强成正比。因为光越强，光子数越多，产生的光电子也相应增多。对于外光电效应器件，只要光照射在器件阴极上，即使阳极电压为零，也会产生光电流，因为光电子逸出时具有初始动能。为使光电流为零，必须在阳极上加上反向截止电压，使外加电场对光电子所做的功等于光电子逸出时的动能。外光电效应器件有光电管和光电倍增管。,外光电效应,光电管光电管主要有两种结构形式。它是在真空玻璃管内装入两个电极光电阴极与光电阳极。光电管的阴极受到适当的光线照射后发射电子，这些电子在电压作用下被阳极吸引，形成光电流。除真空光电管外，还有充气光电管，它是在玻璃管内充入氩、氖等惰性气体。当光电子被阳极吸引时会对惰性气体进行轰击，从而产生更多的自由电子，提高了光电转换灵敏度。,外光电效应,光电倍增管光电倍增管的结构如图，在一个玻璃泡内除装有光电阴极和光电阳极外，还有若干个光电倍增极。倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。前一级倍增极反射的电子恰好轰击后一级倍增极，在每个倍增极间依次增大加速电压。光电倍增管的灵敏度高，适合在微弱光下使用，但不能接受强光刺激，否则容易损坏。,外光电效应,,,（a）光电管结构图（b）光电倍增管结构图,A阳极，K阴极,外光电效应,2.光电导效应光电导效应是指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。,,光导管结构1电极，2半导体薄膜，3绝缘底座，4光敏电阻符号,3.3.1光电效应传感器,光敏电阻符号及由光敏电阻制成的光导管结构如图所示。当在两极间加上电压时，就会有电流流过。没有光照时测得的电流为暗电流，有光照时电流增大，增大的电流称为光电流，光电流随光强增大而增大。,光电导效应,光敏电阻的主要应用有照相机自动测光、室内光线控制、工业光控制、光控小夜灯、报警器、光控开关、光控电子玩具以及光电开关等。制作光敏电阻的半导体材料有硫化镉、硫化铅、锑化铟等，不同材料做成的光敏电阻适用于光的不同波长范围（可见光、X射线、红外线等）。,光电导效应,光生伏特效应光生伏特效应是指当一定波长的光照射非均质半导体（如PN结）时，由于自建场的作用，半导体内部产生一定方向的电动势，如果将PN结短路，则会出现光生电流。,光电导效应,在光照射下，PN结内部产生电子－空穴对，在自建场作用下，光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，从而产生光生电动势。利用光生伏特效应工作的光敏器件主要包括光敏二极管、光敏三极管和光电池。,,光电导效应,光敏二极管光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，光敏二极管处于截止状态；当光照射时，PN结附近产生光生电子和光生空穴，形成光电流，光敏二极管导通。,,光电导效应,光敏三极管光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图所示。当光照射到PN结附近时，PN结附近产生电子-空穴对，这些载流子在内电场作用下定向运动形成光电流。由于光照射发射极所产生的光电流相当于三极管的基极电流，因此集电极电流为光电流的β倍，光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度,,光电导效应,光电池光电池是基于光生伏特效应制成的自发电式器件，它有较大的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。,,光电导效应,外界的许多信息是通过人的视觉神经获得的，由于每个人的感觉不同，很难对色彩作出一致的判断，利用半导体色敏传感器，可以实现对颜色的测定。,,半导体色敏传感器一维模型,,3.3.2色敏传感器,,半导体色敏传感器的结构及等效电路,3.3.2色敏传感器,光电二极管PD1和PD2的短路电流Isc1和Isc2分别为为了测定入射光波长，需要预先计算出入射光波长与两个PN结短路电流之比（Isc2/Isc1）之间的关系。这样，当测得Isc2/Isc1后，通过查找波长与Isc2/Isc1的关系曲线，就得到了入射光的波长（或颜色）。,Isc1I1I2，Isc2I3I4,3.3.2色敏传感器,另外还有非晶硅（AmorphousSilicon，简写为a-Si）色敏传感器，它是一种PIN型光敏器件，工作原理是光生伏特效应。,,,（a）可见光传感器（b）集成型全色敏传感器,3.3.2色敏传感器,纤传感器是一类较新的光敏器件，由于具有极高的灵敏度和精度，以及抗电磁干扰和原子辐射、高绝缘、耐水、耐高温、耐腐蚀和质轻、柔韧、频带宽等优点，在机械、电子、航空航天、化工、生物医学、电力、交通、食品等领域的自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警以及军事等方面都有广泛应用。,3.3.3光纤传感器,光纤的结构和传光原理,,3.3.3光纤传感器,入射光线在光纤入口处发生折射，如果入射角为θi，折射角为θr，空气的折射率为n0＝1.0，根据折射定律当光线到达纤芯-包层界面时，发生第二次折射，一部分光以折射角θr2进入包层，另一部分以反射角θc（θc90-θr）反射回纤芯，则有如果θr290，即发生全反射，则有sinθcn2/n1，式（3-3-2）改写为,,,,3.3.3光纤传感器,光纤按照折射变化情况阶跃型纤芯与包层之间的折射率是突变的；渐变型纤芯在横截面中心处折射率最大，并由中心向外逐渐变小，到纤芯边界时减小为包层折射率。这类光纤有自聚焦作用，也称自聚焦光纤。,3.3.3光纤传感器,单模光纤纤芯直径很小，接受角小，传输模式很少。这类光纤传输性能好，频带宽，具有很好的线性和灵敏度，但制造困难。多模光纤纤芯尺寸较大，传输模式多，容易制造，但性能较差，带宽较窄。,光纤按照传输模式,3.3.3光纤传感器,光纤传感器的工作原理按照光纤在传感器中的作用，通常将光纤传感器分为两种类型,功能型（或称传感型、探测型）非功能型（或称传光型、结构型）,3.3.3光纤传感器,功能型光纤传感器,,,,,光纤传感器的基本结构原理,3.3.3光纤传感器,光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器是基于光纤弯曲时会产生光能损耗原理在制成的，主要用于微弯曲位移检测和压力检测。当光线在光纤的直线段传播时，一般以全反射方式传播；当光线到达微弯曲段界面时，入射角将小于临界角，有一部分光透射进入包层，导致光能的损耗。光纤输出光的强度反映了光纤的弯曲程度，对输出光强进行检测可以得到导致光纤形变的位移或压力信号大小。,3.3.3光纤传感器,相位调制型光纤传感器当一束波长为λ的相干光在光纤中传播时，光波的相位角与光纤的长度L、纤芯折射率n1及纤芯直径d有关。光纤受到物理量的作用时，这三个参数会发生不同程度的变化，从而引起光相移。由于光纤直径引起的变化相对与另外两个参数要小的多，一般可以忽略。在一段长度为L的单模光纤（光纤折射率n1）中，波长为λ的输出光相对于输入端来说，相角为,,3.3.3光纤传感器,当光纤受到物理量作用时，相位角变化量为,,,3.3.3光纤传感器,偏振态调制型光纤传感器偏振态调制型光纤传感器是利用法拉第旋光效应工作的。根据法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤中线偏振光的偏转，是磁场引起相位改变的结果。通过检测偏转角的大小，就可以得到相应的电流值。偏振态调制型光纤传感器常用于输电线电流的测量。,3.3.3光纤传感器,非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器的结构原理如图所示。它是在光纤的端面或在光纤中放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件来感受被测量的变化，从而使投射光或反射光强度随之发生变化，光纤只是作为传输光信息的通道，对被测对象的“感觉”功能由其他敏感元件来完成。,,,3.3.3光纤传感器,非功能型光纤传感器又分为传输光强调制型和反射光强调制型。传输光强调制型光纤传感器传输光强调制型光纤传感器的输入光纤与输出光纤之间设置有机械式或光学式敏感元件。敏感元件在物理量作用下，对传输光的光强进行调制，如吸收光能、遮断光路或改变光纤之间的相对位置等。,3.3.3光纤传感器,反射光强调制型光纤传感器反射光强调制型与传输光强调制型的原理类似，只是在结构上有稍许差别。光线是经过物体或光敏元件反射后进入接收光纤的。频率调制型光纤传感器在频率调制型光纤传感器中，光纤只起着传输光的作用，它的工作原理是光学多普勒效应，即由于观察者和目标的相对运动，观察者接收到的光波频率将发生变化。采用光学多普勒测量系统，可以方便的实现在非接触条件下对液体流速流量的测量，如血液流量测量。,3.3.3光纤传感器,光纤传感器的应用利用光纤传感器的各种调制机理，可以制作出各种光纤传感器，如位移传感器、压力传感器、温度传感器、电流传感器、磁传感器、声压传感器、流速传感器、液位传感器等。,3.3.3光纤传感器,光纤温度传感器,,利用光相位变化的光纤温度传感器原理框图,3.3.3光纤传感器,光纤微弯曲位移（压力）传感器,,光纤微弯曲位移（压力）传感器原理图,3.3.3光纤传感器,光纤线性位移传感器,,,（a）工作原理图,（b）位移与接收光强关系,3.3.3光纤传感器,光纤传感器的主要参数,3.3.3光纤传感器,测量范围、测量精度、反应时间、分辨率、探头尺寸、探头材料、光纤电缆的长度和材料以及工作温度等。,早期人们利用光栅的衍射效应进行光谱分析和光波波长的测量，到20世纪50年代开始利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量，从而出现了光栅式传感器。由于它原理简单、测量精度高、具有较强的抗干扰能力，被广泛应用于长度和角度的精密测量。,3.3.4光栅传感器,1.光栅的结构和分类,,,光栅上的刻线称为栅线，栅线宽度为a，缝隙宽度为b，一般取ab，W（Wab）称为光栅的栅距（也称光栅的节距或光栅常数）。,在玻璃尺或玻璃盘进行长刻线（一般为1012mm）的密集刻划，如图（a）或（b）所示，得到宽度一致、分布均匀、明暗相间的条纹，这就是光栅。,3.3.4光栅传感器,光栅的分类,,光栅种类很多，按工作原理分为物理光栅和计量光栅两种,3.3.4光栅传感器,长光栅主要用于测量长度，条纹密度有每毫米25、50、100、250条等。圆光栅也称光栅盘，其刻线刻制在玻璃盘上，用来测量角度或角位移。,,,（a）径向光栅,（b）切向光栅,3.3.4光栅传感器,2.光栅传感器的工作原理光栅传感器由光栅、光路、光电元件及转换电路等组成，利用光栅的莫尔条纹现象进行测量，下面以黑白透射光栅说明它的工作原理。,3.3.4光栅传感器,光栅传感器的组成,,3.3.4光栅传感器,莫尔条纹所谓莫尔条纹是指当指示光栅与主光栅的栅线有一个微小的夹角θ时，则在近似垂直于栅线方向上显现出比栅距W大的多的明暗相间的条纹，相邻的两条明条纹之间的距离（或相邻两条暗条纹之间的距离）B称为莫尔条纹间距,,3.3.4光栅传感器,当光栅之间的夹角θ很小，且两光栅的栅距都为W时，莫尔条纹间距B为,,B相邻两条莫尔条纹之间的间距；W光栅栅距；θ两光栅栅线夹角。,由于θ值很小，条纹近似与栅线方向垂直，因此称为横向莫尔条纹。,3.3.4光栅传感器,横向莫尔条纹有以下几个重要特征运动对应关系位移放大放大系数为减小误差,,3.3.4光栅传感器,光栅的信号输出（辨向原理和细分电路）通过前面的分析知道，主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹就变化一个周期2π，通过光电转换元件，可将莫尔条纹的变化变成电信号，电压的大小对应于与莫尔条纹的亮度，它的波形近似于一个直流分量和一个正弦波交流分量的叠加,,3.3.4光栅传感器,,W栅距；x主光栅与指示光栅间瞬时位移；U0直流电压分量；Um交流电压分量幅值；U输出电压。,由上式可知，输出电压反映了瞬时位移的大小，当x从0变化到W时，相当于电角度变化了360。如采用50线/mm的光栅时，若主光栅移动了xmm，即50 x条。将此条数用计数器记录，就可以知道移动的相对距离。,3.3.4光栅传感器,,辨向电路原理框图,3.3.4光栅传感器,,光栅移动时辨向电路各点波形,3.3.4光栅传感器,3.光栅传感器的性能参数光栅传感器主要用于位移和角度的测量，在选用光栅传感器时应根据具体的测量任务要求选择合适的产品型号，重点考虑传感器的量程、精度、分辨率、工作温度、信号输出形式、外观尺寸以及安装形式等性能参数。,3.3.4光栅传感器,CCD图像传感器是一种集成型半导体光敏传感器，它的核心部分是电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，简称CCD）。CCD是以阵列形式排列在衬底材料上的金属-氧化物-半导体（MetalOxideSemiconductor，简称MOS）电容器件组成的，具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。,3.3.5CCD图像传感器,1.CCD的工作原理,,MOS光敏单元结构,3.3.5CCD图像传感器,MOS是CCD的基本结构，如图所示。以P型衬底MOS结构为例，如果在栅极上施加一个幅值大于该MOS结构阈值电压的正脉冲，半导体表面将处于深耗尽状态。由于这种深耗尽状态，在半导体表面形成电子势阱。半导体表面相对于体内的电势差称为势阱深度。势阱可以存储少数载流子（在P型衬底情况下少数载流子是电子），势阱越深存储电荷越多。这种电荷会随着MOS从非稳态到稳态的过渡逐渐减少，只要电荷存储时间在数秒以上，CCD就可以正常工作。,3.3.5CCD图像传感器,每个光敏单元一般包括3个相邻的电极，电极上的脉冲电压相位依次相差120，波形都是前缘陡峭后缘倾斜。,,CCD的转移电压,3.3.5CCD图像传感器,,CCD电荷转移原理,3.3.5CCD图像传感器,CCD图像传感器及其应用线型CCD线型CCD可以直接接收一维光信号，主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。,3.3.5CCD图像传感器,,,单通道线型CCD的结构,双通道线型CCD的结构,3.3.5CCD图像传感器,双通道线型CCD的结构按一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成二维面型CCD，常见的结构有隔列转移结构和帧转移结构。,3.3.5CCD图像传感器,,,（a）隔列转移结构,（b）帧转移结构,3.3.5CCD图像传感器,2.CCD图像传感器的选型照明设计不同图像测控系统的照明设计是不一样的，影响照明方案的因素非常多，例如光的强度、颜色、均匀性、光源的结构、大小、照射方式以及被测物体的光学特性、距离、物体大小、背景特性等。照明设计主要涉及三个方面光源的种类和特性、物体的光反射和传输特性、光源的结构。,3.3.5CCD图像传感器,镜头（1）摄像物镜的光学参数（2）镜头的选择（3）镜头的分类,3.3.5CCD图像传感器,摄像机（1）CCD相机的分类（2）CCD相机的主要功能控制（3）CCD相机的相关特性参数,3.3.5CCD图像传感器,能将红外辐射能转换为电能的装置称为红外传感器，按其工作原理可以分为光敏型（或称光子型、量子型）和热敏型两类。,,红外传感器光谱响应曲线,3.3.6红外传感器,1.热释电效应及器件红外热释电式光敏器件是热敏型红外传感器中最常用的器件。它的工作原理是热释电效应。,,,热释电效应示意图,热释电系数的基本变化规律,3.3.6红外传感器,利用热释电效应可以制成热释电红外传感器，如车辆计数器、人体探测器，以及探测环境温度的高温计（在高炉、熔化玻璃或热损失评估中使用的非接触式温度计）和辐射计（测量辐射源产生的功率）。另外一些应用包括红外分析仪、火灾检测、高分辨率测温术、医用温度计等。,3.3.6红外传感器,2.红外传感系统红外技术已经在现代科技、国防、医疗、工农业等领域获得了广泛的应用。,,红外传感系统组成,3.3.6红外传感器,3.红外图像传感器由于红外光是人的肉眼看不到的，因此不能采用普通相机摄取红外图像。红外图像传感器可以利用红外热成像技术将红外辐射转换成可见光进行显示，还可以利用计算机系统对红外热图像进行分析处理，完成存储和打印输出。,3.3.6红外传感器,4.红外测温仪红外测温技术在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断、安全保护以及节约能源等方面发挥着重要作用。近二十年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断提高，适用范围也不断扩大，市场占有率逐年增长。比起接触式测温方法，红外测温有响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。,3.3.6红外传感器,5.被动式热释电红外探测器在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。,3.3.6红外传感器,声敏传感器是将在气体、液体或固体介质中传播的机械振动转换为电信号的器件或装置。,3.4声敏传感器,,声波频率界限图,3.4声敏传感器,超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于人耳听觉范围的机械波，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。,3.4.1超声波传感器,1.超声波传感器的基本原理与结构,,压电式超声波探头结构,3.4.1超声波传感器,2.超声波传感器的性能指标工作频率工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。工作温度由于压电材料的居里点（温度超过居里点，压电材料的压电特性将消失）一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。灵敏度主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。,3.4.1超声波传感器,3.超声波传感器的应用超声波测厚,,脉冲回波法测厚工作原理,d＝vΔt/2,3.4.1超声波传感器,超声波测物位,,超声波测量液位示意图,超声波物位传感器具有测量精度高、安装方便、不受被测介质影响、耐高温、安全防爆等优点，在物位仪表中使用广泛。,超声波传感器的应用,超声波测流量,,超声波流量计安装示意图,超声波传感器的应用,超声波无损探伤,,穿透法探伤原理图,超声波传感器的应用,,,发射法探伤原理图,超声波传感器的应用,超声波传感器在医疗上的应用超声波传感器在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。,超声波传感器的应用,声表面波简称SAW（SurfaceAcousticWave），是英国物理学家瑞利（Rayleigh）于19世纪末期在研究地震波的过程中发现的一种集中在地表面传播的声波。,3.4.2SAW传感器,1.SAW传感器的特点,3.4.2SAW传感器,高精度，高灵敏度。数字化。易批量生产。体积小、质量轻、功耗低，可获得良好的热性能和机械性能。,2.SAW传感器的结构和工作原理,,,SAW谐振器结构,SAW延迟线结构,3.4.2SAW传感器,SAW瑞利波SAW是一种沿弹性体表面传播的机械波。瑞利波质点的运动是一种椭圆偏振。在各向同性固体中，它是由平行于与传播方向的纵振动和垂直于表面及传播方向的横振动合成的，两者的相位差为90度。瑞利波的能量只集中在一个波长深的表面层内，频率越高，能量集中的表面层越薄。,,,3.4.2SAW传感器,敏感基片敏感基片通常采用石英、铌酸锂（LiNbO3）等压电单晶材料制成。当敏感基片受到物理、化学或机械量扰动作用时，其振荡频率会发生变化。通过适当的结构设计和理论计算，能使它仅对某一被测量有响应，并将其转换成频率量。,3.4.2SAW传感器,换能器换能器（IDT）是用蒸发或溅射等方法在压电基片表面淀积一层金属膜，再用光刻方法形成的叉指状薄膜，它是产生和接收声表面波的装置。当电压加到叉指电极上时，在电极之间建立了周期性空间电场，由于压电效应，在表面产生一个相应的弹性形变。由于电场集中在自由表面，所以产生的声表面波很强烈。由IDT激励的声表面波沿基片表面传播。当基片或基片上覆盖的敏感材料薄膜受到被测量调制时，声表面波的频率将改变，并由接收叉指电极测得。,3.4.2SAW传感器,SAW振荡器SAW传感器的核心是SAW振荡器，有谐振器型（R型）和延迟线型（DL型）两种,3.4.2SAW传感器,延迟线型SAW振荡器,谐振器型SAW振荡器,3.SAW传感器举例SAW压力传感器,,,SAW压力传感器示意图,SAW压力传感器由SAW振荡器、敏感模片、基底等组成,3.4.2SAW传感器,SAW气体传感器,,延迟线型SAW气体传感器,SAW传感器举例,SAW温度传感器当温度变化时，SAW振荡器的振荡频率会发生变化，从而可以制成SAW温度传感器。SAW温度传感器具有长期稳定性，灵敏度很高，可测量出104106℃的微小温度变化。SAW温度传感器可以用于气象测温、粮仓测温、火灾报警等。,SAW传感器举例,3.5.1气敏传感器的分类与特性气敏传感器的主要参数与特性有,,,,3.5气敏传感器,灵敏度响应时间选择性稳定性温度特性湿度特性抗腐蚀性,1.半导体气敏传感器表面电阻控制型气敏传感器,,N型氧化物半导体吸附气体后阻值变化,3.5.2可燃性气体传感器,SnO2气体传感器有烧结型、厚膜型和薄膜型三种,,,,烧结型,厚膜型,薄膜型,3.5.2可燃性气体传感器,体电阻控制型气敏传感器,,γ－Fe2O3气敏元件对不同气体的响应特性,3.5.2可燃性气体传感器,接触燃烧式气敏传感器,,,接触燃烧式气敏传感器结构图和测量电路,3.5.2可燃性气体传感器,可燃性气体传感器的主要性能参数确定所检测气体的种类和可能的浓度范围，了解传感器的工作环境温度和湿度，选择对可燃性气体具有高灵敏度、长期稳定性、良好的抗湿性和重复性的产品。,3.5.2可燃性气体传感器,根据工作原理不同，氧气传感器大体上可以分为三类,3.5.3氧气传感器,氧化物半导体型浓差电池极限电流型,1.氧化物半导体氧传感器2.浓差电池型氧传感器,,ZrO2浓差电池型氧敏传感器的结构、浓差电池模型,3.5.3氧气传感器,1.电子鼻的结构,电子鼻的一般结构,3.5.4电子鼻,2.气体传感器阵列3.信号处理系统,,,,,,,,,,3.5.4电子鼻,4.模式识别系统,电子鼻采用的某些学习识别法,3.5.4电子鼻,,,生物敏传感器,3.6生物敏传感器,1.生物敏传感器的组成,3.6生物敏传感器,生物敏传感器由分子识别元件（敏感基元）和与之结合的信号转换器件（换能器）两部分组成。,敏感基元的主要功能是特异的识别各种被测物并与之反应。,常用的换能器有电化学电极、离子敏场效应晶体管（ISFET）、热敏电阻及微光管等。,3.6生物敏传感器,1.生物敏传感器的分类,按所用分子识别元件的不同可以分为酶传感器、微生物敏传感器、组织传感器、细胞传感器、免疫传感器等；,按信号转换元件不同可以分为电化学生物敏传感器、半导体生物敏传感器、测热型生物敏传感器、测光型生物敏传感器、测声型生物敏传感器等；,按对输出信号的不同测量方式又分为电位型生物敏传感器、电流型生物敏传感器和伏安型生物敏传感器。,3.6生物敏传感器,2.生物敏传感器的工作方式,将化学变化转变为电信号将热变化转变为电信号将光效应转变为电信号直接产生电信号方式,场效应晶体管生物敏传感器由分子识别部分（感受器）和信号转换部分（换能器，FET）两部分构成。,生物传感器的组成,3.6.1场效应晶体管（FET）生物敏传感器,1.酶场效应晶体管,,半导体酶传感器结构示意图,3.6.1场效应晶体管（FET）生物敏传感器,2.免疫场效应晶体管,,IMFET的测量电路,3.6.1场效应晶体管（FET）生物敏传感器,1.DNA生物敏传感器的基本类型和原理,3.6.2DNA生物敏传感器,基本类型根据换能器和ssDNA探针结构不同，目前开发出来的DNA生物敏传感器主要有电化学式、压电石英晶体式、光学式等,原理DNA生物敏传感器由固定有已知的核苷酸序列的单链DNA（也称ssDNA探针）的电极（探头）和换能器两部分组成。固定在传感器电极上的ssDNA探针与待测样品的目标DNA杂交，形成双链DNA（dsDNA）,杂交反应在传感器电极上直接完成，换能器将杂交过程所产生的变化转换成电、光、声等物理信号。,3.6.2DNA生物敏传感器,2.DNA传感器的应用,DNA传感器用于基因诊断如对结核杆菌的诊断和对乙型肝炎病毒的诊断。可以实现极低浓度的病源微生物感染的诊断。DNA传感器用于环境检测近年来，利用DNA传感器检测环境中的病源微生物和基因诱变剂，因其简便、快捷、准确而受到广泛重视。,3.7.1智能传感器的结构和功能,,智能传感器的结构,3.7智能传感器,3.7智能传感器,3.7.1智能传感器的功能,1）自补偿功能,2）自校准功能,3）自诊断功能,4）数据处理功能,5）双向通信功能,6）信息存储和记忆功能,8）除了检测物理量、化学量的变化，智能传感器还具有信号调理（如滤波、放大、A/D转换等）、数据处理和数据显示等能力。,7）数字量输出功能输出数字信号，可方便的同计算机或接口总线相连。,,智能传感器硬件结构图,3.7.2硬件结构,1.数字滤波,,3.7.3软件设计,算术平均滤波递推平均滤波加权递推平均滤波,,,3.7.3软件设计,（a）输入－输出特性（b）反非线性特（c）智能传感器输入－输出特性,2.非线性校正,智能传感器系统非线性校正原理,常用的非线性校正方法查表法、线性插值法、曲线拟合法。,3.温