■第8

是材料學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、微電子學(xué)、予要*

學(xué).化城生物學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)、測量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計

'僦贏術(shù)、信息處理技術(shù)、乃至系統(tǒng)科學(xué)、人工智能、自動化技術(shù)等

眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)。

:、環(huán)保、材料、

災(zāi)害預(yù)測預(yù)防、農(nóng)林漁業(yè)煙酒制造汽車、艦船、木

3/18/2021

8.1引言

□給機(jī)器人裝備什么樣的傳痘對這些傳感器有什么要求，

這是設(shè),十凄翳*皿傳

感器應(yīng)當(dāng)完全取決于機(jī)器人的

視覺2超聲波傳感器紅外接近笆觸覺聽覺

立體視覺地標(biāo)識別障礙探測目標(biāo)物探測

景物識別融入―內(nèi)部傳

型口感器功能觸覺

操作規(guī)劃

r0

三個手指

3個關(guān)節(jié)

三維力傳感器

角度傳感器

微電機(jī)

?概念:

靈巧手

在機(jī)器人中，起到內(nèi)部反饋控制作

采用兩級分布式計算用或感知與外部環(huán)境的相互作用的

機(jī)實(shí)時控制系統(tǒng)裝置被稱為傳感器。

位置傳感器

內(nèi)傳感器是用于測■機(jī)器

速度傳感器

加速度傳感器接近覺傳感器

內(nèi)部傳感力和壓力傳感器測距儀

嗅覺傳感器

力矩傳感器

控制器視覺傳感器

微動開關(guān)

語音合成器

外部傳感

語音識別裝置

則方與機(jī)器人作業(yè)有關(guān)的

機(jī)器人可見光和紅外傳感器

素。通常與機(jī)器人的

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等因素'

接觸和視覺傳感器

“.?

舞畸%

歲c

輸器特性

量程

響應(yīng)時間

頻率響應(yīng)

咂性

分辨率精度

3/1￡靈敏度重復(fù)精度

O

A

TIT

8.3內(nèi)傳感震:

?內(nèi)傳感器是用于測量機(jī)器人自身狀態(tài)的功能元

件。

?具體檢測的對象有:

?內(nèi)傳感器常用于控制系統(tǒng)中，用作

檢測機(jī)贛內(nèi)導(dǎo)身的狀態(tài)參數(shù)。常用的有：

L規(guī)定伐置檢測的內(nèi)傳感基：

應(yīng)用場合：

檢測規(guī)定的位置，常用兩個狀態(tài)值。

這種方法用于檢測機(jī)器人的,或

典型元器件：

給定位置檢測常用的檢測元件有微型開關(guān).光電開關(guān)等。

1）微型開關(guān)

規(guī)定的位移量或力作用在微型開關(guān)的可動部分上，開關(guān)

的電氣觸點(diǎn)斷開（常閉）或接通（常開）并向控制回路發(fā)

出動作*

o

位開關(guān)就是用以限定機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動極限位俏鍵按鈕式

C置的電氣開關(guān)。

這種開關(guān)有接觸式的和非接觸式兩種。壓簧按鈕式

接觸式的比較直觀，機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動部件上，至

裝行程開關(guān)，與其相對運(yùn)動的固定點(diǎn)上安裝極限位

置的擋塊，或者是相反安裝位置。當(dāng)行程開關(guān)的機(jī)

械觸頭碰上擋塊時，切斷了（或改變了）控制電路

機(jī)械就停止運(yùn)行或改變運(yùn)行。由于機(jī)械的慣性運(yùn)動,

這種行程開關(guān)有一定的“超行程”以保護(hù)開關(guān)不受損

壞。

0非接觸式的形式很多，常見的有干簧管、光電軟桿式

式、感應(yīng)式等，這幾種形式在電梯中都能夠見到。軌行豕形狀不同的限住開）

當(dāng)然還有更多的先進(jìn)形式。

一般在限位開關(guān)的執(zhí)行器上安裝滾輪。

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rc

麻9。

光電開關(guān)是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實(shí)

現(xiàn)控制的。光電開關(guān)在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分

為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。

光電開關(guān)的原理是根據(jù)投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或

部分反射，受光器最終據(jù)此作出判斷反應(yīng)，啟動開關(guān)作用。

特點(diǎn)：非接觸性檢

測，精度達(dá)0.5mm.

3/18/2021光電開關(guān)的原理

住置、角度測量

?測量機(jī)器人和的傳感器是

機(jī)器人位置反饋控制中必不可少的元件。常

用的有電位器.旋轉(zhuǎn)變壓器,編碼器等。具

中編碼器既可以檢測直線位移，又可以檢測

角位移。

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質(zhì)斷力rr電編碼器：

?光電編碼器由發(fā)光元件、聚光鏡,漏光盤、光欄板.光敏

管等構(gòu)成。燈泡發(fā)出的光線經(jīng)過聚焦后變成平行光束，當(dāng)

漏光盤上的條紋與光欄板上的條紋重合時，光敏管便接受

一次光的信號并記數(shù)，由此可以測試旋轉(zhuǎn)速度。

器

由環(huán)狀或棒狀電阻絲和滑動片（電刷）組成。將線位移或角位移轉(zhuǎn)化

成電阻的變化，以電壓或電流形式輸出。檢測的是以電阻中心為基準(zhǔn)位置

的移動距離。

L(2e-E)

rWVVWvVvMn

￡

E:輸入電壓--H

L：觸頭最大移動距離

X：向左端移動的距陶

e；電阻右側(cè)的輸出電壓

1

檢測細(xì)微運(yùn)動，輸出數(shù)字信號

根據(jù)信號輸出形式分為增量式和絕對式

A增量式

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SO工SO

A

逆時針S1h

~~Iso

B

S2S2

順時針逆時針

順時針運(yùn)動逆時針運(yùn)動

ABAB

旋轉(zhuǎn)式增量編碼器通過內(nèi)部兩個光

1111

敏接收管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時序和相位

0110

關(guān)系，得到其角度碼盤角度位移量增加

0000

（正方向）或減少（負(fù)方向）。

1001

o

vw.di&nzinet.COB

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絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)讀出碼盤上的編碼檢測絕對位置。

每個位置都對應(yīng)著

透光與不透光弧段的惟一

確定組合，這種確定組合

有惟一的特征。通過這特

征，在任意時刻都可以確

定碼盤的精確位置。

______

格雷碼二進(jìn)制碼格雷碼二進(jìn)制碼

0000000001010110

0001000101000111

0011001011001000

0010001111011001

0110010011111010

0111010111101011

o

「變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器又稱分解器，是一種控制用的微電機(jī)，它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變

換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號的一種間接測量裝置。在結(jié)構(gòu)上

與二相線繞式異步電動機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓器

的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到轉(zhuǎn)子繞組上，感應(yīng)電

動勢由定子繞組輸出。

原理：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動引起磁通量旋轉(zhuǎn)，在次級線圈產(chǎn)生變化

的電壓。從而可以用來測量角位移。

三

澤

V=/(sin^)

Lzg

?V=/(cos6)

旋轉(zhuǎn)變壓器轆蒯&,動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號

幅度大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠。

o

年FA*

熱項。

第星度短感器

?速度、角速度的測量是驅(qū)動器反饋控制中必不可少的環(huán)

節(jié)?？衫们懊嫠龅奈灰苽鞲衅骰蚓幋a器測量，也可用測

速發(fā)電機(jī)測量。

?編碼器

原理：在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，編碼器的反饋脈沖個數(shù)和系統(tǒng)所

走位置的多少成正比。對任意給定的角位移，編碼器將產(chǎn)生

確定數(shù)量的脈沖信號，通過統(tǒng)計指定時間內(nèi)脈沖信號的數(shù)量,

能計算出相應(yīng)的角速度。

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從工作原理上講，它屬于“發(fā)電機(jī)”的范疇。測速發(fā)電機(jī)在

控制系統(tǒng)中主要作為阻尼元件、微分元件、積分元件和測速元

件來使用。測速發(fā)電機(jī)是一種測量轉(zhuǎn)速的微型發(fā)電機(jī)，它把

輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)速變換為電壓信號輸出，并要求輸出的電壓信

號與轉(zhuǎn)速成正比，即

測速發(fā)電機(jī)分直流測速發(fā)電機(jī)和交流測速發(fā)電機(jī)兩大類。

百流

永磁式

網(wǎng)建九電機(jī)＜

異步

3,交流

同步

ms流測速發(fā)電機(jī)

直流測速發(fā)電機(jī)實(shí)際就是一種微型直流發(fā)電機(jī)，按定子磁極的勵磁方式

分為電磁式和永磁式。直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速要嚴(yán)格保持正比

關(guān)系，這在實(shí)際中是難以做到的，直流測速發(fā)電機(jī)輸出的是一個脈動電壓,

其交變分量對速度反饋控制系統(tǒng).高精度的解算裝置有較明顯的影響。

2）交流測速發(fā)電機(jī)

交流異步測速發(fā)電機(jī)與交流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有籠型

的，也有杯型的，在自動控制系統(tǒng)中多用空心杯轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)。

交流同步測速發(fā)電機(jī)因感應(yīng)電勢頻率隨轉(zhuǎn)速而變，致使電機(jī)本身的阻抗

及負(fù)載阻抗均隨轉(zhuǎn)速而變化，因此，輸出電壓不再與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。故

同步測速發(fā)電機(jī)應(yīng)用較少。

測速發(fā)電機(jī)的作用是將機(jī)械速度轉(zhuǎn)換為電氣信號，常用作測速元件、

校正元件.解算元件，與伺服電機(jī)配合，廣泛使用于許多速度控制或位置

控制系統(tǒng)中，如在穩(wěn)速控制系統(tǒng)中，測速發(fā)電機(jī)將速度轉(zhuǎn)換為電壓信號作

為速度反饋信號，可達(dá)到較高的穩(wěn)定性和較高的精度，在計算解答裝置中,

常作為微分.稠隨傷。

，

-雕

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06總量

)雕，

■留

?裒迫

3

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(

Q

旺抑3卓

的

典型的是視覺傳感器，如攝像由

事光（機(jī)器人可用紅外線等）的非接觸方式。

■■觸覺也能識別物體。機(jī)器人可以用觸覺傳感器

能。

!■物體探測傳感手一種識別物體而

感器1光電弁關(guān)超聲波傳感

3、極

探測非常近的物體存在的傳感器稱為接近傳感器。

磔晡接近隹欣，是理想的電子開關(guān)量傳感器。當(dāng)金屬

類被檢測體接近傳感器的感應(yīng)區(qū)域，開關(guān)就能在無接觸、無壓力、無火花的

情況下迅速發(fā)出電氣指令，準(zhǔn)確反應(yīng)出運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位置和行程。即使用于一

般的彳控制，其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調(diào)整的方便性和對I

惡劣環(huán)境的適用能力，是一般機(jī)械式行程開關(guān)所不能相比的。常用的有：I

|加線制接近傳感彝：兩線制接近傳感器安裝簡單,接線方便；應(yīng)用比較也

泛有殘余電壓和漏電流大的缺點(diǎn)。.

的輸出型有NPN和PNP兩種，70年代日本產(chǎn)品絕大

多數(shù)是NPN輸出，西歐各國NPN、PNP兩種輸出型都有。

一般應(yīng)用在PLC或

計算機(jī)上作為控制指令的較多，

用于控制直流繼電器較多，在

實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)控制電路的特性進(jìn)行選

擇其輸出形式。

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--t1

4、匣言傳*以

掠徐機(jī)庵豫傳看.

蔑施I

渡指感器是利用超聲波的特性研制而成的傳

超聲i

二。的穿透能力很大，尤其是在不透光的固體中，它可穿透幾十米的深度。

艮皤碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能7

E多普勤效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、防、生物醫(yī)學(xué)等方面。

凈聲波作為做手段，蜉產(chǎn)生超聲波和接收超聲波?？捎糜隰~群探測、

利用激光傳輸時間來測量距離的基本原理是,

所需時間

■超聲波距禹傳感器帶有RS232

3/18/2021□激光匯一

力覺傳感器使用的主要元件是電阻應(yīng)變片。

通常我們將機(jī)器人的力傳感器分為三類：

(1)裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上的力傳感器，稱為關(guān)節(jié)力傳感

器。用于控制中的力反饋。

(2)裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個關(guān)節(jié)之間的力

傳感器，稱為腕力傳感器。

(3)裝在機(jī)器人手爪指關(guān)節(jié)(或手指上)的力傳感器,

稱為指力傳感器。

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SRI(StanfordResearchInsti

tute）研制的六維腕力傳感器，如

旨所示。它由一段直徑為75mm的

鋁管銃削而成，具有八個窄長的彈:二

性梁，每個梁的頸部只傳遞力，扭

矩作用很小。梁的另一頭貼有應(yīng)變

片。圖中從Px+到Qy?代表了8根應(yīng)

變梁的變形信號的輸出。SRI傳感器應(yīng)

變片連接方式

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o

日本大和制衡株式會社林

純一研制的腕力傳感器。它

是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳

感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處

有一個柔性環(huán)節(jié)，在四根交

叉梁上共貼有32個應(yīng)變片

（圖中以小方塊），組成8路林純的腕力傳感器

全橋輸出。

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c非桎的'中心對稱三禁癰力特威基

傳感器的內(nèi)圈和外圈分別固定于機(jī)器

人的手臂和手爪，力沿與內(nèi)居相切的三

根梁進(jìn)行傳遞。每根梁上下、左右各貼

一對應(yīng)變片，三根梁上共有6對應(yīng)變片，

分別組成六組半橋，對這6組電橋信號進(jìn)

行解耦可得到六維力（力矩）的精確解。

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)f

6、其他類型傳席

語a別傳感I不振動聲音探測機(jī)械故障的點(diǎn)傳

感器,

喇專感器：溫度傳感器。

通過分析敲打的聲音測定果品成熟程度的傳感器。

4L二——

2機(jī)工人需要的或黨能力

，觸覺能力：

?主要指確定工作對象，以及它的

，接近覺能力：

?主要用于探測機(jī)器人自身與周圍物體之間o接近

界于觸覺與視覺之間。

，視覺能力：

?孔、邊、拐角的及工作對象的檢測等。

壓覺能力：

?主要用于檢測機(jī)器人與作業(yè)對象之間接觸面的的大小。

（滑覺能力：

?主要用于惇測物件因自重相對于機(jī)器人手爪的的大小。

一般認(rèn)為觸覺包括接觸覺、壓覺、滑覺.力覺狹義的

觸覺按字面上來看是指前三種感知接觸的感覺

1.按觸光傳感暴：

接觸覺傳感器檢測機(jī)器人是否用于尋找物體或感知碰

工作甦：

在電極和柔性導(dǎo)體之間有間隙，當(dāng)施加外力時，受壓部分的柔性導(dǎo)體

和柔性絕緣體發(fā)生變形，利用柔性導(dǎo)體和電極之間的接通狀態(tài)形成接觸覺

柔性絕緣體柔性導(dǎo)體

對象物

基板（非導(dǎo)體）

3/18

(a)Cb)

（柔性絕緣體）

（柔性導(dǎo)體）

金及薄片、

特點(diǎn)：增壓血體一

外形尺寸十分大

電極1

空間分辨率低埠尼的罩

利用陣列這一概

用件薄層

念已開發(fā)了許多產(chǎn)

重要的傳感器。

3/18/2021

擋光桿光電開關(guān)

開關(guān)式觸覺傳感器的例f

碳?xì)郑–SA）靈敏度高，具有較強(qiáng)的耐過載能力。缺點(diǎn)是有

遲滯，線性差。

導(dǎo)電橡膠的電阻也會隨壓力的變化而變化，因此也常用來作

為觸覺傳感器的感材料。

22,壓2傳*春：

-壓覺傳感器檢測傳感器面上受到的作用力，它由及檢測彈性位移的構(gòu)成

o用彈簧支承的平板作為機(jī)械手的物體夾持面。在平板上加負(fù)載時，平板發(fā)生位移，該

位移量由電位器檢測。

包覆罩布

?如果已知彈簧的剛性系數(shù)，

則可根據(jù)位移計的輸出求出力

的大小。

3/18/2021

壓覺傳感器

負(fù)我

3/必2U2JL

機(jī)械手一般采用兩種抓取方式：硬抓取和軟抓取。硬抓取

(無感知時采用)：末端執(zhí)行器利用最大的夾緊力抓取工件。軟

抓取(有滑覺傳感器時采用)：末端執(zhí)行器使夾緊力保持在能穩(wěn)

固抓取工件的最小值，以免損傷工件。

檢測垂直加壓方向的力和位移

原擦力

Ik覺傳超器

物體

阻力

,h

(a)力的平曲(b)中心的移動

彳專感器有和。物體在傳感器表面上滑動時，和滾輪或球相接觸，把滑

成轉(zhuǎn)動?；瑒游矬w引起滾輪的轉(zhuǎn)動，用磁鐵和靜止的磁頭進(jìn)行檢測。

（匐視圖）（前視圖）次輪式高覺傳感同

3/18/2021

o

l貝爾格萊德大學(xué)研制的機(jī)器人專用滑覺傳感器）

它由一個金屬球和觸針組成，金屬球表面分成許多個相間排

列的導(dǎo)電和絕緣小格。觸針頭很細(xì)，每次只能觸及一格。當(dāng)工件

滑動時，金屬球也隨之轉(zhuǎn)動，在觸針上輸出脈沖信號，脈沖信號

的頻率反映了滑蹣度，個數(shù)對應(yīng)滑移的距離。

振子

（基f振動的機(jī)器人專用滑覺傳感器）

根據(jù)振動原理制成的滑覺傳感器。鋼球指針與破抓物體接觸。

若工件滑動，則指針振動，線輸出信號。

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電阻&麥片壓阻式壓力傳感器采用集成電路工藝技術(shù),

在硅片上制造出四個等值的薄膜電阻并組成電

橋電路，當(dāng)不受力作用時，電橋處于平衡狀

態(tài)，無電壓輸出;當(dāng)受到壓力作用時，電橋失

去平衡而輸出電壓（AB之間產(chǎn)生微小電位

差），且輸出的電壓與壓力成比例。

壓力使得圓形金屬筒以及電阻

應(yīng)變片變形，從而使電阻應(yīng)變片

的電阻值產(chǎn)生變化。

惠斯通電橋

3/18/2021

原理:

如果在軸上施加力矩，力矩將在軸上產(chǎn)生兩個方

向相反的力和兩個方向相反的形變，兩個力傳感器可

以測出這兩個力，根據(jù)所測力的大小可計算出力矩。

4

用六個傳感器

測量三個彼此

獨(dú)立的軸上的

力和力矩

3/18/2021M

o

與接近覺傳感器不同，測距儀用于測量較長的距離，它

可以探測障礙物和物體表面的形狀，并且用于向系統(tǒng)提供早期

信息。常用的測量方法是三角法和測量傳輸時間法。

三角法：測量原理如圖所示

測量原理：僅在發(fā)射器以特定角度發(fā)射光線時，接收器才能

檢測到物體上的光斑，利用發(fā)射角的角度可以計算出距離。

接收器接收器

d

i2

旋轉(zhuǎn)的a旋轉(zhuǎn)的

發(fā)射器發(fā)射雷

（。）㈤

O

匹

測量傳輸時間法：

L.

信號傳輸?shù)木嚯x包括I?%.

rIK?

從發(fā)射器到物體和被物體t正況3.

反射到接收器兩部分。傳

感器與物體之間的距離是

信號行進(jìn)距離的一半，知

道了傳播速度，通過測量

信號的往返時間即可計算

出距離。

,-

3/18/2021

O

-fg《，

?超聲波測距儀

工作原理：

發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波脈沖，它在介質(zhì)中行進(jìn)一段

距離，遇到障礙物后返回，由接受器接受，發(fā)射器和

物體之間的距離等于超聲波行進(jìn)距離的一半，行進(jìn)距

離則等于傳輸時間與聲速的乘積。

特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)堅固,簡單.廉價并且能耗低，但是分辨率和

最大工作距離受到限制。

關(guān)鍵技術(shù):

時間疝量的準(zhǔn)確性，時間測量精度，聲速精度，背

景噪聲。3/18/2021

ro,

煮！I距儀

原理：基于光（包括激光），采用直接延遲時間測

量法,間接幅值調(diào)制法和三角法等方法測量到物體

的距離。

為

灑"0

及等嗅覺傳感器

原理:

對特定的氣體敏感，當(dāng)探測到這些氣體時就發(fā)

出信號。

視覺系統(tǒng)是

應(yīng)用在機(jī)器

人中最復(fù)雜

的傳感器

有研究結(jié)果表明,

的80%

8,是聽覺細(xì)胞的300多彳

/18/2021

Q汽

G波傳感器

從廣義上講，也把它算成機(jī)器人視覺中的一種。

超聲波探測原理比較簡單，一般是采用時差法。

d=cAt/2

其中C(T的函數(shù))為超聲波波速，T為環(huán)境攝氏溫度。

超聲波傳感器主要用途：

(1)實(shí)時地檢測自身所處空間的位置，用以進(jìn)行自定位；

(2)實(shí)時地檢測障礙物，為行動決策提供依據(jù)；

(3)檢測目標(biāo)姿態(tài)以及進(jìn)行簡單形體的識別；

(4)用于導(dǎo)航目標(biāo)跟蹤。

圖像傳感器?采用光中聯(lián)換原理，用火攝取平何光學(xué)圖像并使其轉(zhuǎn)換為中.廣圖像信叱

的器件圖像傳感器必須同行兩個作用，-是同行把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的作用;二是件

古舊'|'間圖像卜的像桁”什點(diǎn)的取樣，并把這此像素按時I訶取;Il的di描作川Q圖像傳感器

用于攝像目的較多,因此又稱它R攝像管I攝像管的發(fā)展很迅速,它經(jīng)歷了光電攝像管、

超光電攝像管、正析攝像管、光導(dǎo)攝像管、二次電r導(dǎo)電硅靶管以及目前新發(fā)展起來的

CCD圖像傳感格同體攝像笆等。

1）CCD（電荷耦合器件:chargecoupleddevices）

電荷用合器件又稱為CCD器件.它是匕卜年代新發(fā)展起火的一種『?導(dǎo)體功能器件。電

荷耦介密件是在大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上產(chǎn)生的,它具合療儲、傳移并逐例IG；

號電荷的功能U利用電荷耦介器件的這種功能，