CCD傳感器ppt課件

1、華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院第三章、傳感器測量原理第三章、傳感器測量原理3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元件傳感器 1 磁電轉(zhuǎn)換元件傳感器磁電轉(zhuǎn)換元件傳感器 金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。 sinIBKVHH1)華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖所示?；魻栐苫魻柶?、四根引線和殼體組成，如圖所示。 3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元件

2、傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院應用應用 案例：案例：電流傳感器電流傳感器案例：案例：管道裂紋檢測管道裂紋檢測3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元件傳感器 原理磁場強度變化檢測華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院2) 磁電阻元件磁電阻元件3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元件傳感器 磁阻效應磁阻效應)1 ()1 (cos/2202020BRRRR- -+ +lwx特點特點 電阻的增量與磁電阻的增量與磁 場的平方成正比；場的平方成正比； 與磁場的正負無關；與磁場的正負無關； 溫度系數(shù)影響大；溫度系數(shù)影響大； 磁感應的范圍比霍爾元件大。磁感應的范圍比霍爾元件大。 R-5

3、 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5應用應用 磁頭；接近開關和無觸點開關。磁頭；接近開關和無觸點開關。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3) 磁感應半導體元件分類磁感應半導體元件分類3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元件傳感器 磁感應半導體元件體元件霍爾IC結型元件霍爾元件磁電阻元件磁敏二極管磁晶體管磁半導體開關其它開關線性華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元件傳感器 2 光電轉(zhuǎn)換元件光電轉(zhuǎn)換元件 光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)

4、化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應?；呻娦盘柕钠骷Ｆ涔ぷ髟硎腔谝恍┪镔|(zhì)的光電效應。 1) 光敏電阻光敏電阻 光電導效應是指半導體材料受到光照時光電導效應是指半導體材料受到光照時會產(chǎn)生電子會產(chǎn)生電子-空穴對空穴對,使其導電性能增強使其導電性能增強,光線光線愈強愈強,阻值愈低阻值愈低,這種光照后電阻率發(fā)生變化的這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象現(xiàn)象,稱為光電導效應。基于這種效應的光電稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管。器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元

5、件傳感器 2 )光電池光電池 光生伏特效應指半導體材料光生伏特效應指半導體材料P-N結受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應。結受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。+-PN華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元件傳感器 3 ) 應用應用 光電傳感器在工業(yè)上的應用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基光電傳感器在工業(yè)上的應用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。本形式。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.7 半導體敏感元件傳感器半導體

6、敏感元件傳感器 案例：案例：光電鼠標就是利用光電鼠標就是利用LED與光敏晶體管組合來測量位移。與光敏晶體管組合來測量位移。案例：案例：亮度傳感器：亮度傳感器：通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分設定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達到節(jié)約電布，有效利用自然光線，達到節(jié)約電能的目的。能的目的。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元件傳感器 動手做：動手做：觀察你計算機上使用的鼠標結構，了觀察你計算機上使用的鼠標結構，了解鼠標如何實現(xiàn)運動測量。解鼠標如何實現(xiàn)運動測量。華中科技大學

7、機械學院華中科技大學機械學院3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元件傳感器 3 熱敏電阻傳感器熱敏電阻傳感器 半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體，它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降?；旌蠠Y而成的半導體，它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。 典型的熱敏電阻元件有圓形、桿形和珠形等，其結構及溫度特性如圖所示。典型的熱敏電阻元件有圓形、桿形和珠形等，其結構及溫度特性如圖所示。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元

8、件傳感器 應用應用 溫控器溫控器熱敏電阻熱敏電阻華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元件傳感器 4 氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器 氣敏傳感器是利用氣敏半導體材料，如氧化錫、氧化錳等金屬氧化物制成敏感元氣敏傳感器是利用氣敏半導體材料，如氧化錫、氧化錳等金屬氧化物制成敏感元件，當它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，會發(fā)生還原反應，放出熱量，使件，當它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時，會發(fā)生還原反應，放出熱量，使元件溫度相應增高，電阻發(fā)生變化。元件溫度相應增高，電阻發(fā)生變化。 氣敏傳感器應用較廣泛的是用于防災報警，如煤氣、或有毒氣體報警，也可用氣敏傳

9、感器應用較廣泛的是用于防災報警，如煤氣、或有毒氣體報警，也可用于對大氣污染監(jiān)測、于對大氣污染監(jiān)測、CO氣體測量、酒精濃度探測等方面。氣體測量、酒精濃度探測等方面。煙霧報警器煙霧報警器酒精傳感器酒精傳感器二氧化碳傳感器二氧化碳傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元件傳感器 5 CCD固態(tài)圖象傳感器固態(tài)圖象傳感器 MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的結構是在半導體光敏元的結構是在半導體(P型硅型硅)基片上形成一基片上形成一種氧化物種氧化物(如二氧化硅如二氧化硅)，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬，在氧化物

10、上再沉積一層金屬電極，以此形成一個金屬-氧化物氧化物-半導體結構元半導體結構元 (MOS)。 在半導體硅片上按線陣或面陣排列在半導體硅片上按線陣或面陣排列MOS單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明單元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應的光生電荷圖像。暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應的光生電荷圖像。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元件傳感器 01111100光敏管光敏管陣列陣列并聯(lián)串聯(lián)轉(zhuǎn)換器運算電路顯示電路結束信號驅(qū)動脈沖CCD華中科技大學機械學院華中科技大學機械學

11、院3.7 半導體敏感元件傳感器半導體敏感元件傳感器 特點特點:(1) 非接觸檢測;(2) 響應快;(3) 可靠性高,為修簡便;(4) 測量精度高;(5) 體積小,重量輕; 容易與計算機連接(6) 對被測物體需要強光照射;(7) 受被測物體以外的光的影響.應用應用:(1) 寬度測量; (2) 外徑測量; (3) 主軸徑向跳動測量.華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院第三章、傳感器測量原理第三章、傳感器測量原理3.8 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 1、熱輻射檢測傳感器、熱輻射檢測傳感器 絕對零度以上的物體都有輻射，其強度依賴于物體的溫度絕對零度以上的物體都有輻射，其強度依賴于物體的溫度(K

12、)，在此僅考慮黑體，在此僅考慮黑體也稱全輻射體的輻射能和波長的關系。根據(jù)普朗克輻射定律有以下表達式：也稱全輻射體的輻射能和波長的關系。根據(jù)普朗克輻射定律有以下表達式：華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院應用：應用： 冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過程中都涉及到動態(tài)溫度場的檢測問題。冶金、軋制、磨削加工以及各種熱加工過程中都涉及到動態(tài)溫度場的檢測問題。3.8 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院2、超聲波檢測傳感器、超聲波檢測傳感器 3.8 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 1)聲波及其分類聲波及其分類(1)次聲波，振動頻率低于次聲波，振動頻率低于l

13、6Hz的機械波。的機械波。(2)聲波聲波:振動頻率在振動頻率在16Hz20KHz之間的機械波。之間的機械波。(3)超聲波超聲波:高于高于20KHz的機械波。的機械波。2）超聲波的物理性質(zhì)）超聲波的物理性質(zhì) 超聲波與一般聲波比較，振動頻率高，波長短，因而具有束射特性，方向性強，超聲波與一般聲波比較，振動頻率高，波長短，因而具有束射特性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的一般聲波，并具有很高的穿透能力。可以定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的一般聲波，并具有很高的穿透能力。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3) 超聲波傳感器及應用超聲波傳感器及應用 3.8 其它類型的傳感器其它

14、類型的傳感器 (1)超聲波傳感器對超聲波傳感器對(2)超聲波探傷超聲波探傷華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.8 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 案例：案例：輸油管檢測檢測機器人華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3、聲發(fā)射檢測傳感器、聲發(fā)射檢測傳感器 3.8 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 材料或結構受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應變能的現(xiàn)象材料或結構受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出應變能的現(xiàn)象稱無聲發(fā)射。各種材料聲發(fā)射的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻到超聲頻，但多數(shù)金稱無聲發(fā)射。各種材料聲發(fā)射的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻到超聲頻，但多數(shù)

15、金屬屬(如鋼、鐵等如鋼、鐵等)的聲發(fā)射頻帶，均在超聲范圍內(nèi)。的聲發(fā)射頻帶，均在超聲范圍內(nèi)。 聲發(fā)射分聲發(fā)射分:1）連續(xù)發(fā)射）連續(xù)發(fā)射;2）突發(fā)發(fā)射。由于結構和傳感器的諧振，檢測到的發(fā)射信）突發(fā)發(fā)射。由于結構和傳感器的諧振，檢測到的發(fā)射信號像衰減的正弦波，檢測到的兩類信號如圖所示。號像衰減的正弦波，檢測到的兩類信號如圖所示。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院案例：案例： 材料斷裂等結構監(jiān)測。材料斷裂等結構監(jiān)測。 3.8 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院4、光纖傳感器簡介、光纖傳感器簡介 3.8 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 物性型光纖傳感器是利

16、用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光物性型光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。信號。 1）物性型光纖傳感器）物性型光纖傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.8 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 光纖流速傳感器光纖流速傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.8 其它類型的傳感器其它類型的傳感器 結構型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。結構型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。其中光纖僅作為光的傳播

17、媒質(zhì)，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。2）結構型光纖傳感器）結構型光纖傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院第三章、傳感器測量原理第三章、傳感器測量原理3.8傳感器選用原則傳感器選用原則 選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個方面的問題。式等六個方面的問題。 1、靈敏度、靈敏度 一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但，在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但，在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題。題。 a)靈敏度過高引起的干擾問題；靈敏度過高引起的干擾問題

18、； b)量程范圍。量程范圍。 c)交叉靈敏度問題。交叉靈敏度問題。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.8傳感器選用原則傳感器選用原則 2 響應特性響應特性 傳感器的響應特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。傳感器的響應特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。 實際上傳感器的響應總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時間越短越好。實際上傳感器的響應總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時間越短越好。 3 線性范圍線性范圍 任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關系，任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精度的基本條件。測量精度的基本條件。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.8傳感器選用原則傳感器選用原則 4 穩(wěn)定性