智能传感与检测技术 教案 第10章 智能传感器.docx

《智能传感与检测技术》课程教案

授课章节

第10章智能传感器

10.1智能传感器概述

10.2智能图像传感器

建议课时

2

授课方式

理论知识讲授+提问讨论+多媒体演示

所属专业

教学目标

1.理解智能传感器的概念、功能、实现方式

2.掌握CCD图像传感器的工作原理

3.理解CMOS图像传感器组成与技术参数

4.了解CIS图像传感器

5.了解图像传感器的应用

教学重点

1.智能传感器的概念、功能、实现方式

2.CCD图像传感器的工作原理

3.CMOS图像传感器组成与技术参数

教学难点

1.CCD图像传感器的工作原理

2.CMOS图像传感器组成与技术参数

参考教材

《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6

教

学

内

容

『新课导入』

智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术。智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来智能测试技术的研究和实际经验而提出来的。传感器智能化的发展有两个方向：一个方向是传感器与微处理器相结合；另一个方向是传感器与人工智能技术相结合。

『授课内容』

10.1智能传感器概述

10.1.1智能传感器的概念

智能传感器的概念及雏形是美国宇航局在开发宇宙飞船的过程中形成的。宇宙飞船需要大量的传感器检测飞船的状态（如温湿度、气压、速度、加速度和姿态等）。

人类大脑根据积累的知识、经验对环境进行推理判断，做出相应反应，如图10-1所示。

智能传感器与人类智能相类似，其传感器相当于人类的感知器官，其微处理器相当于人类大脑，可进行信息处理、逻辑思维与推理判断，存储设备存储“知识、经验”与采集的有用数据，如图10-2所示为智能传感器的结构。

10.1.2智能传感器的功能

智能传感器引入了微处理器进行信息处理、逻辑思维、推理判断，使其除了具有传统传感器的检测功能外，还具有数据处理、数据存储、数据通信等功能，其功能已经延伸至仪器的领域。

10.1.3智能传感器的实现方式

智能传感器也种类繁多，如智能温度传感器、智能压力传感器、智能流量传感器等。尽管各种智能传感器功能各不相同，但是智能传感器有着相类似的实现方式，具体分为以下3种实现方式。

模块化方式

集成化方式

混合方式

10.1.4智能传感与检测技术

10.2智能图像传感器

10.2.1CCD图像传感器

1.CCD的工作原理

电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。所以CCD的的基本功能是存储和转移电荷。它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。CCD工作过程中的主要问题是信号电荷的产生（将光转换成信号电荷）、存储（存储信号电荷）、传输（转移信号电荷）和检测（将信号电荷转换成电信号）。

CCD的工作原理如图10-7所示。

2.CCD的分类

按照像素排列方式的不同，CCD又可分为线阵（Linear）与面阵（Area）两大类，如图10-11所示。其中线阵应用于影像扫瞄器及传真机上，而面阵主要应用于工业相机、数码相机、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。

1）线阵CCD

2）面阵CCD

3.CCD图像传感器的性能指标

衡量CCD好坏的指标很多，如像素数、帧率、靶面尺寸、感光度、电子快门和信噪比等。其中，像素数和靶面尺寸是重要的指标。

10.2.2CMOS图像传感器

1.CMOS的组成

CNOS的主要组成部分是像敏单元阵列和MOS效应管集成电路，而且这两部分是集成在同一硅片上的。像敏单元阵列由光电二极管阵列构成。图10-15所示的像敏单元阵列按X和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在X、Y方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择，输出信号送A/D转换器进行模／数转换变成数字信号输出。

2.CMOS的技术参数

了解CCD和CMOS芯片的成像原理和主要参数对产品的选型非常重要。同样，相同的芯片经过不同的设计制造出的相机，性能也可能有所不同。

3.CCD图像传感器与CMOS图像传感器的区别

10.2.3CIS图像传感器

除了CCD和CMOS图像传感器外，还有一种常用的图像传感器，叫接触式图像传感器（CIS)。CIS图像传感器被用在扫描仪中，是将感光单元紧密排列，直接收集被扫描稿件反射的光线信息，由于本身造价低廉，又不需要透镜组，所以可以制作出结构更为紧凑的扫描仪，使成本大大降低。但是，由于是接触式扫描（必须与原稿保持很近的距离）只能使用LED光源，分辨率以及色彩表现目前都赶不上CCD感光器件。

扫描仪外形图如图10-17所示。扫描仪内部结构图如图10-18所示。

10.2.4图像传感器的应用