第十章新型傳感器

本章學(xué)習(xí)集成溫度傳感器、磁性傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器、圖像傳感器的原理以及他們的應(yīng)用，還涉及數(shù)碼相機(jī)的相關(guān)知識。

7/23/20231第一節(jié)集成溫度傳感器集成溫度傳感器（溫度IC）將溫度敏感元件和放大、運算和補償?shù)入娐凡捎梦㈦娮蛹夹g(shù)和集成工藝集成在一片芯片上，從而構(gòu)成集測量、放大、電源供電回路于一體的高性能的測溫傳感器。

7/23/20232一、集成溫度傳感器的測溫原理

PN結(jié)的溫度特性

二極管的正向電壓降UD以-2mV/℃變化

7/23/20233集成溫度傳感器的類型

集成溫度傳感器可分為：模擬型集成溫度傳感器和數(shù)字型集成溫度傳感器。模擬型的輸出信號形式有電壓型和電流型兩種。電壓型的靈敏度多為10mV/℃（以攝氏溫度0℃作為電壓的零點），電流型的靈敏度多為1μA/K（以絕對溫度0K作為電流的零點）；數(shù)字型又可以分為開關(guān)輸出型、并行輸出型、串行輸出型等幾種不同的形式。

7/23/20234（一）模擬型集成溫度傳感器1.模擬型集成溫度傳感器電流輸出型溫度傳感器能產(chǎn)生一個與絕對溫度成正比的電流作為輸出，AD590是電流輸出型溫度傳感器的典型產(chǎn)品。

7/23/20235AD590封裝示意圖空腳（接地）7/23/20236AD590的基本轉(zhuǎn)換電路電流-電壓轉(zhuǎn)換電路（10mV/K）

增加負(fù)載電阻的阻值可提高輸出電壓。7/23/20237AD590的基本轉(zhuǎn)換電路輸出電壓Uo與熱力學(xué)溫度成正比（1mV/K）

輸出電壓Uo與攝氏溫度成正比（100mV/℃）

7/23/20238電壓輸出型集成溫度傳感器——

LM35/45LM35/45的外形及引腳圖

7/23/20239電壓輸出型集成溫度傳感器

——

LM35/45

LM35/45構(gòu)成的攝氏溫度測量電路及組裝成的測溫傳感器7/23/202310在電腦中，集成溫度傳感器用于CPU散熱保護(hù)電路散熱風(fēng)扇集成溫度ICCPU插座CPU散熱片7/23/202311MAX6502用于控制散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速當(dāng)CPU進(jìn)行復(fù)雜運算時，風(fēng)扇處于全速運行。場效應(yīng)管功率驅(qū)動

7/23/202312第十章：第二節(jié)磁性傳感器一、磁致伸縮效應(yīng)及應(yīng)用

稀土原料

某些磁性材料在外磁場作用下，物理尺寸會發(fā)生變化，去掉外磁場后，又恢復(fù)到原來的尺寸，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。稀土超磁致伸縮材料是目前性能最好的超磁致伸縮材料之一。

7/23/202313稀土超磁致伸縮材料的應(yīng)用

稀土超磁致伸縮材料可將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或聲能（或機(jī)械位移信息或聲信息），相反也可以將機(jī)械能（或機(jī)械位移與信息）轉(zhuǎn)換成電磁能（或電磁信息），它是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料，可用于制作大功率聲納傳感器。7/23/202314聲納的應(yīng)用聲納發(fā)射、接收器聲納反潛7/23/202315聲納反潛的原理

7/23/202316磁致伸縮位移傳感器（參考德國圖爾克公司資料）

位移7/23/202317磁致伸縮位移（液位）傳感器，是利用磁致伸縮原理、通過兩個不同磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號來準(zhǔn)確地測量位置的。測量元件是一根波導(dǎo)管，波導(dǎo)管內(nèi)的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料制成的。測量過程是由傳感器的電子室內(nèi)產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖在波導(dǎo)管內(nèi)傳輸，從而在波導(dǎo)管外產(chǎn)生一個圓周磁場，當(dāng)該磁場和套在波導(dǎo)管上作為位置變化的活動磁環(huán)產(chǎn)生的磁場相交時，由于磁致伸縮的作用，波導(dǎo)管內(nèi)會產(chǎn)生一個應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號，這個應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室所檢測到。由于這個應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號在波導(dǎo)管內(nèi)的傳輸時間和活動磁環(huán)與電子室之間的距離成正比，通過測量時間，就可以高度精確地確定這個距離。

7/23/202318磁致伸縮液位傳感器（參考廣東康宇測控儀表公司資料）

磁致伸縮液位傳感器可靠性強、耐腐蝕、安裝方便。7/23/202319磁致伸縮液位傳感器結(jié)構(gòu)信號處理單元殼體

不銹鋼套管（內(nèi)有磁致伸縮線）浮子（內(nèi)有磁鐵）吃水線7/23/202320磁致伸縮液位傳感器的應(yīng)用7/23/202321各種液位計的外形和安裝比較（續(xù)）7/23/202322二、磁敏傳感器

磁敏電阻：半導(dǎo)體材料的電阻率隨磁場強度的增強而變大，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻。

7/23/202323磁敏電阻的應(yīng)用磁敏電阻可用于測量地球磁場的方向及強度的變化。指南針只能指示地球磁場的方向。7/23/202324地球磁場“導(dǎo)演”的極光（加拿大育空地區(qū)）7/23/202325磁阻式電子羅盤7/23/202326磁敏電阻IC及其應(yīng)用線性磁阻位置傳感器7/23/202327磁敏電阻的應(yīng)用

根據(jù)鐵磁物體對地磁的擾動，可檢測車輛的存在，可用于包括自動開門，路況監(jiān)測，停車場檢測，車輛位置監(jiān)測，紅綠燈控制等。

7/23/202328利用磁敏電阻制作小型探礦儀（磁力儀）磁敏電阻（聚四氟乙烯封裝）磁力探礦儀的使用7/23/202329磁敏電阻小型探礦儀上海直川信息技術(shù)有限公司研制的磁阻探礦儀及數(shù)據(jù)統(tǒng)計曲線圖7/23/202330磁阻IC用于轉(zhuǎn)速測量磁力線集中磁力線分散7/23/202331磁阻IC用于筆式驗鈔器驗鈔筆順著紙幣上的磁性防偽線掃描7/23/202332第十章：第三節(jié)光導(dǎo)纖維傳感器光的全反射實驗

7/23/202333各種裝飾性光導(dǎo)纖維7/23/202334發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動態(tài)圖案。上海東方明珠7/23/202335光纖傳感器外形

7/23/202336光的反射、折射當(dāng)一束光線以一定的入射角θ1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。

7/23/202337光的全反射當(dāng)減小入射角時，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應(yīng)減小，將導(dǎo)致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對這個極限值時的入射角，定義為臨界角θc。當(dāng)入射角小于θc時，入射光線將發(fā)生全反射。7/23/202338光在光纖中的全反射

7/23/202339光纖的結(jié)構(gòu)

7/23/202340光纜的外形及光纖的拉制

7/23/202341光纖的類型

階躍型：光纖纖芯的折射率分布各點均勻一致，稱為多模光纖。7/23/202342梯度型：梯度型光纖的的折射率呈聚焦型，即在軸線上折射率最大，離開軸線則逐步降低，至纖芯區(qū)的邊沿時，降低到與包層區(qū)一樣。

7/23/202343單孔型光纖單孔型光纖的纖芯直徑較?。〝?shù)微米）接近于被傳輸光波的波長，光以電磁場“模”的原理在纖芯中傳導(dǎo)，能量損失很小，適宜于遠(yuǎn)距離傳輸。

7/23/202344與光纖耦合的電光與光電轉(zhuǎn)換器件實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的元件通常是發(fā)光二極管或激光二極管。7/23/202345激光二極管的外形

激光二極管芯片7/23/202346激光二極管的與發(fā)光二極管的帶寬及效率的比較單模光纖必須采用能發(fā)射單一光譜的激光二極管，它在傳導(dǎo)過程中的發(fā)散損耗較小，穩(wěn)定性較高。7/23/202347光纖的損耗

光纖在傳輸信號的過程中損耗應(yīng)盡量小且穩(wěn)定。在某些波長上，光纖的損耗非常小?？蛇x擇適當(dāng)波長的電光轉(zhuǎn)換元件與之匹配。

7/23/202348專用的光纖連接頭及光纖插座光纖與電光轉(zhuǎn)換元件耦合時，兩者的軸心必須嚴(yán)格對準(zhǔn)并固定，可使用專用的連接頭及光纖插座來完成。7/23/202349光纖傳感器

光纖傳感器就是將光纖自身作為敏感元件（也稱作測量臂），直接接收外界的被測量。被測量可引起光纖的長度、折射率、直徑等方面的變化，從而使得在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獗徽{(diào)制。若將光看成簡諧振動的電磁波，則光可以被調(diào)制的參數(shù)有四個，即振幅（強度）、相位、波長和偏振方向。

7/23/202350光纖液位傳感器

7/23/202351保護(hù)管內(nèi)為高溫光纖低溫光纖光纖溫度傳感器7/23/202352光纖式光電開關(guān)反射型遮斷型反射鏡反射型7/23/202353光纖式光電開關(guān)應(yīng)用標(biāo)志孔電路板標(biāo)志檢測

當(dāng)光纖發(fā)出的光穿過標(biāo)志孔時，若無反射，說明電路板方向放置正確。光纖耦合器傳輸光纖出射光纖7/23/202354光纖式光電開關(guān)應(yīng)用遮斷型光纖光電開關(guān)出射光纖接收光纖7/23/202355光纖式光電開關(guān)應(yīng)用

采用遮斷型光纖光電開關(guān)對IC

芯片引腳進(jìn)行檢測7/23/202356光纖的其他應(yīng)用軍用光纖陀螺：

將激光射入繞成線圈的光纖，當(dāng)線圈的底座隨運動物體旋轉(zhuǎn)時，可以測得出射光的相位發(fā)生變化，它的靈敏度比機(jī)械陀螺高，無機(jī)械磨擦力。光纖內(nèi)窺鏡7/23/202357第四節(jié)圖像傳感器一、光輻射基礎(chǔ)

電磁波的頻譜分布

7/23/202358光通量光源在單位時間內(nèi)向周圍空間輻射并引起視覺的能量，稱為光通量，用符號Φ表示，單位為流明（lm）。

45W節(jié)能燈的光通量約為2500Lm，相當(dāng)于250W白熾燈或150W水銀汞燈。

7/23/202359發(fā)光強度光源在空間某一特定方向上的單位立體角內(nèi)輻射的光通量稱為光源在該方向上的發(fā)光強度（簡稱光強），用符號I表示，單位為坎德拉（cd）。

最早在英國定義的發(fā)光強度單位為“燭光”7/23/202360照度

照度是用來表示被照面上光的強弱。受照物體表面每單位面積（1m2）上接收到的光通量稱為照度，符號為E，單位為勒克司（lx）。

照度儀7/23/202361亮度

發(fā)光體在視線方向單位投影面（1m2

）上的發(fā)光強度稱為該物體表面的亮度，也稱為輝度，用符號L來表示，單位為坎德拉每平方米（cd/m2）。

7/23/202362總結(jié)：

常用光度學(xué)的名稱、符號、單位及說明

名稱符號單

位說

明光通量Φ流明（流）lm發(fā)光體每秒所發(fā)出的光量總和光強I坎德拉（坎）cd發(fā)光體在特定方向的單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量照度E勒克斯（勒）lm/m2

發(fā)光體照射在被照物體單位面積上的光通量亮度L尼脫（尼）cd/m2發(fā)光體在視線方向單位投影面上的發(fā)光強度7/23/202363二、熱成像技術(shù)

(一)紅外熱像的基本知識

任何物體只要溫度高于絕對零度，內(nèi)部原子就會作無規(guī)則運動，并不斷地輻射出熱紅外能量。紅外探測器可將物體輻射的紅外功率信號轉(zhuǎn)換成電信號，在計算機(jī)成像系統(tǒng)的顯示屏上，將得到與物體表面熱分布相對應(yīng)的熱像圖。

不同的顏色和亮度代表不同的溫度

7/23/202364熱成像儀的使用

7/23/202365各種熱像變電站的熱像從熱像中可以判斷過熱位置7/23/202366人的熱像

醫(yī)生7/23/202367（二）熱成像元件

在中、長波紅外探測領(lǐng)域，現(xiàn)在多采用了碲鎘汞紅外光子探測器。7/23/202368熱成像傳感器熱成像儀能透過煙塵、云霧、小雨及樹叢等許多自然或人為的偽裝來看清目標(biāo)。手持式及安裝于輕武器上的熱成像儀可以讓使用者看清800m或更遠(yuǎn)的人體大小的目標(biāo)。帶夜視儀的自動步槍

7/23/202369配備熱成像傳感器的自動步槍7/23/202370配備熱成像傳感器的自動步槍（續(xù)）7/23/202371帶熱成像傳感器的自動步槍（續(xù)）7/23/202372軍用熱成像傳感器的效果白亮處有一輛坦克7/23/202373軍用熱成像傳感器的效果（續(xù)）白亮處有一輛坦克7/23/202374用熱像儀判斷機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量7/23/202375用熱像儀判斷電子產(chǎn)品的工作狀態(tài)線路板上的各點溫度IC的溫度7/23/202376醫(yī)療用的熱像儀（參考廣州颯特電力紅外技術(shù)有限公司資料）用熱像儀判斷皮膚腫瘤的位置及范圍7/23/202377其他熱像儀7/23/202378熱像儀的使用及效果盛有熱水的盆7/23/202379第五節(jié)：CCD圖像傳感器

CCD全稱電荷耦合器件，它具備光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ?，具有集成度高、功耗小、分辨力高、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。

CCD圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。

7/23/202380（一）CCD的基本工作原理一個完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD工作時，在設(shè)定的積分時間內(nèi)，光敏元對光信號進(jìn)行取樣，將光的強弱轉(zhuǎn)換為各光敏元的電荷量。取樣結(jié)束后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號驅(qū)動下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位寄存器相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號可接到示波器、圖象顯示器或其他信號存儲、處理設(shè)備中，可對信號再現(xiàn)或進(jìn)行存儲處理。

7/23/202381MOS電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片CCD光敏元顯微照片CCD讀出移位寄存器的數(shù)據(jù)面顯微照片7/23/202382

彩色CCD顯微照片（放大7000倍）7/23/202383（二）CCD圖像傳感器的分類

1.線陣CCD外形

7/23/2023842.面陣CCD

面陣CCD能在x、y兩個方向都能實現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像。

7/23/202385面陣CCD外形（續(xù)）200萬和1600萬像素的面陣CCD

7/23/202386面陣CCD外形（續(xù)）

7/23/202387面陣CCD外形（續(xù)）

7/23/202388（三）CCD的基本特性參數(shù)

CCD的基本特性參數(shù)有：光譜響應(yīng)、動態(tài)范圍、信噪比、CCD芯片尺寸等。在CCD像素數(shù)目相同的條件下，像素點大的CCD芯片可以獲得更好的拍攝效果。大的像素點有更好的電荷存儲能力，因此可提高動態(tài)范圍及其他指標(biāo)。

7/23/202389（四）CCD圖像傳感器的應(yīng)用

線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用

7/23/202390線陣CCD在圖像掃描中的應(yīng)用

線陣CCD攝像機(jī)可用于彩色印刷中的套色工藝監(jiān)控

風(fēng)云一號衛(wèi)星可以對地球上空的云層分布進(jìn)行逐行掃描7/23/202391線陣CCD用于字符識別7/