济南大学机械工程学院工程测试与信息处理课件 第四课.ppt

1) 简易家用气体报警 图5.8是一种最简单的家用气体报警器电路，采用直热式气敏传感器TGS109，当室内可燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低，这样流经测试回路的电流增加，可直接驱动峰鸣器BZ报警。对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10，通过调整电阻来调节。 光电式传感器 六．图像传感器 图像传感器是利用光电器件的光电转换功能。将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。与光敏二极管，光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比，图像传感器是将其受光面上的光像，分成许多小单元，将其转换成可用的电信号的一种功能器件。图像传感器分为光导摄像管和固态图像传感器。与光导摄像管相比，固态图像传感器具有体积小、重量轻、集成度高、分辨率高、功耗低、寿命长、价格低等特点。因此在各个行业得到了广泛应用。 固态图像传感器是一种高度集成的光电传感器，在一个器件上可以完成光电信号转换，信息存储，传输和处理。固态图像传感器的核心是电荷转移器件，常用的电荷转移器件是CCD电荷耦合器件。 光电式传感器 CCD图像传感器的基本结构和工作原理 CCD图像传感器的应用 光电式传感器 一． CCD图像传感器的基本结构和工作原理 1. CCD图像传感器的基本结构和工作原理 CCD图像传感器按结构分为线列阵器件和面列阵器件两大类。基本组成部分是光敏元件阵列和电荷转移器。 (1) 线列阵CCD图像传感器结构如图5.74所示。线列阵CCD是将光敏元件排列成直线的器件，由MOS的光敏元件陈列、转移栅、读出移位寄存器三部分组成。光敏单元、转移栅、CCD移位寄存器是分三个区排列的，光敏单元与CCD移位寄存器一一对应，光敏单元通过转移栅与移位寄存器相连。图5.74中(a)所示为单排结构，用于低位数CCD传感器。图5.74中(b)所示为双排结构，分为CCD移位寄存器1和CCD移位寄存器2。奇数位置上的光敏单元收到的光生电荷送到移位寄存器1串行输出；偶数位置上的光敏单元收到的光生电荷送到移位寄存器2串行输出，最后上、下输出的光生电荷合二为一，恢复光生电荷的原来顺序。显然，双排结构的图像分辨率是单排结构分辨率的2倍。 光电式传感器 (a) 单排结构 (b) 双排结构 图5.74 线列阵CCD图像传感器结构 光电式传感器 当光敏元件进行嚗光(或称光积分)后产生光生电荷。在转移柵作用下，将光敏单元的光生电荷耦合到各自对应的CCD移位寄存器中去，这是一个并行转换过程。然后光敏元件进入下一次光积分周期，同时在时钟作用下，从CCD移位寄存器中依次输出各位信息直至最后一位信息为止，这是一个串行输出的过程。 从以上分析可知，线列阵CCD器件输出的信息是一个个的脉冲，脉冲的幅度取决于对应光敏单元上受光的强度，而输出脉冲的频率则和驱动时钟的频率一致。因此，只要改变驱动脉冲的频率就可以改变输出脉冲的频率。 光电式传感器 (2) 面列阵CCD图像传感器按X、Y两个方向，实现了二维图像。把光敏单元按二维矩阵排列，组了一个光敏元面阵。面列阵CCD按传输方式分为场传输面列阵CCD和行传输面列阵CCD两种。 场传输面列阵CCD结构如图5.75所示。由光敏元面阵、存储器面阵、读出寄存器三部分组成。当光敏元面阵进行光积分后，产生光生电荷，在转移脉冲作用下，将光敏元面阵区的光生电荷，全部迅速地转移到对应的存储区暂存，因为存储器面阵上覆盖了一层遮光层，可以防止外来光线的干扰。然后光敏元面阵进入下一次光积分周期，同时存储器面阵里存储的光生电荷信息从存储器底部开始向下，一排排地移到读出寄存器中，每向下移动一排，在时钟作用下，就从读出寄存器中顺序输出每行中各位的光信息。 光电式传感器 图5.75 场传输面列阵CCD结构 光电式传感器 行传输面列阵CCD结构如图5.76所示。由光敏元件、存储器、转移栅、读出移位寄存器四部分组成。一行光敏元件，一行不透光的存储器元件交替排列，一一对应，二者之间由转移栅控制，最下部是一个水平读出移位寄存器。当光敏元件进行嚗光(或称光积分)后，产生光生电荷，在转移栅的控制下，光生电荷并行转移到存储器中暂存，然后光敏元件进入下一次光积分周期，同时存储器里的光生电荷信息移到读出移位寄存器中，在时钟作用下，从读出移位寄存器中顺序输出每列中各位的光信息。 图5.76 行传输面列阵CCD结构 光电式传感器 2. CCD图像传感器的应用 1) 尺寸测量 用线列阵CCD图像传感器测量物体尺寸的基本原理如图5.77所示。当所用光源含红外光时，可以在透镜与传感器间加红外滤光片。利用几何光学知识可以推导出被测对象长度L与系统参数之间的关系式为 图5.77 CCD图像传感器测量物体尺寸的基本原理 光电式传感器