几种新型传感器要点.ppt

第5章 新型传感器简介 5.1 CCD图像传感器 5.2 触觉传感器 5.3 光纤传感器 5.4 磁性传感器 5.5 集成温度传感器 第5章 新型传感器简介 从第2章到第4章我们已经学习了十几种常用的传感器。随着科学技术的发展，在不断发现新现象、采用新原理、开发新材料和采用新工艺的基础上，传感器技术得到了很大的进步与提高。同时，与单片机或者微计算机相结合的智能式传感器、生物传感器也有了很大的发展。 新型传感器技术含量高、功能强，相对传统传感器具有很多优点。了解和学习这些新型的传感器有助于我们打一大视野，及时了解、掌握新型传感器技术并加以应用。本章将介绍最近几年发展起来的新型传感器，包括CCD图像传感器、触觉传感器、光纤传感器、磁性传感器和集成温度传感器。 5.1 CCD图像传感器 图像传感器是采用光电转换原理，用来摄取平血光学图像并使其转换为电子图像信号的器件。图像传感器必须具有两个作用，一是具有把光信号转换为电信号的作用;二是具有将平面图像上的像素进行点阵取样，并把这些像素按时间取出的扫描作用。 电荷耦合器件又称为CCD器件，如其外形如图5-1所示，它是近年来新发展起来的一种半导体功能器件，能够把光学影像转化为数字信号。 5.1 CCD图像传感器 5.1.1 CCD图像传感器的结构 CCD更接近于人的视觉的工作方式，只不过人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞分工合作组成视觉感应。CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型，如图5-2示为CCD的三层结构示意图，上层为增光镜头，中层为分色滤色片，下层为感光层。 第一层：增光镜头 CCD 成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD 的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。 感光面积不再由传感器的开口面积决定，而由微型镜片的表面积来决定。 5.1 CCD图像传感器 第二层 分色滤色片 CCD 的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式：一是RGB 原色分色法，另一个则是CMYK 补色分色法。 RGB 原色分色法，几乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成。 CMYK 补色分色法，是由青洋红、黄、黑四个通道的颜色配合而成。 原色CCD 的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。在印刷业中，CMYK 更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB 的多。 5.1 CCD图像传感器 第三层 感光层 CCD 的第三层是“感光片”，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到图像处理芯片，将影像还原。感光层的基本组成部分是MOS 型光通量传感器如图5-3 所示。 一个图像传感器是由纵横方向上数千个光通量传感器组成的矩阵和控制水平方向与垂直方向扫描的移位寄存器组合而成的。 5.1 CCD图像传感器 5.1.2 CCD 传感器的工作过程 如图5-4 所示为CCD 系统构成，主要由CCD 传感器、放大器、模数转换器和缓存构成。其中，CCD 传感器由成像区、暂存区和水平读出寄存器三部分构成，每个成像单元称为一个像索（Pixel ) ，假定有M 个转移沟道，每个沟道有N 个成像单元，那么整个成像区共有M *N 个像索。CCD 传感器的暂存区的结构和单元数与成像区相似，暂存区与水平读出寄存器均需作遮光处理。 5.1 CCD图像传感器 CCD 传感器工作时，图像经物镜在成像区成像，给成像区上面的电极加上适当的偏压时，光生电荷被收集到电极下方的势阱里，这样就将光学图像变成了电荷包图像。当光积分周期结束时，加到成像区和暂存区电极上的时钟脉冲使所有收集到的信号电荷迅速转移到暂存区中，然后经由水平读出寄存器，在时钟脉冲控制下，通过输出极逐行输出一帧信息，在第一帧读出的同时，第二帧信息通过光积分又收集到势阱中，这样，就可以一帧一帧连续地读出。 5.1 CCD图像传感器 5.1.3 CCD 图像传感器的种类 用于图像传感器的CCD 又称摄像或像敏CCD 。它的功能是把二维图像光学信号转变成一维视频信号或数字信号。从结构上可分为线阵CCD 和面阵CCD 两大类。 线阵CCD 结构简单，成本较低，可以同时储存一行电视信号，能够实现动态测量，并能在低照度下工作。所以线阵CCD 广泛地应用于产品尺寸测量、非接