第2章傳感器概述

第2章傳感器（1）傳感器的組成和分類（2）傳感器的主要技術指標2.1傳感器概述定義：傳感器是一種能將物理量、化學量、生物量等轉換成電信號的器件。電信號可以是電壓、電流、頻率、脈沖等。傳感器究竟是什么？傳感器組成：通常由敏感元件和轉換元件

2部分組成。圖2-1傳感器組成方框圖其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。由于傳感器輸出信號一般都很微弱，需要有信號調理與轉換電路，進行放大、運算調制等，此外信號調理轉換電路以及傳感器的工作必須有輔助的電源，因此信號調理轉換電路以及所需的電源都應作為傳感器組成的一部分。隨著半導體器件與集成技術在傳感器中的應用，傳感器的信號調理轉換電路與敏感元件一起集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。當然，最簡單的傳感器只有一個敏感元件組成。如，光電晶體管、熱電偶等。而且隨著集成化、智能化的發(fā)展，很多功能部件集裝到一體,越來越難對各部分進行簡單劃分。傳感器技術是一門知識密集型技術。傳感器的原理有各種各樣，它與許多學科有關，其種類十分繁多，分類方法也很多，目前一般采用兩種分類方法：1、按被測參數分類，如溫度、壓力、位移、速度等；2、按傳感器的工作原理分類，如應變式、電容式、壓電式、磁電式等。對于初學者和應用傳感器的工程技術人員來說，先從工作原理出發(fā)，了解各種各樣傳感器傳感器的基本特性傳感器的結果是反映客觀量，能否真實反映取決于它的基本特性，也即它的輸入輸出的關系。我們通常用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來衡量傳感器的好壞。

靜態(tài)特性------是指輸入信號（被測量）的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時（不隨時間變化，或隨時間變化緩慢）的輸出與輸入的關系。輸入量x與輸出量y之間的關系通?？捎靡粋€如下的多項式表示：

y=a0+a1x+a2x2+…+anxn

式中：a0——輸入量x為零時的輸出量；

a1，a2，…，an——非線性項系數。傳感器的靜態(tài)特性可以用一組性能指標來描述，如靈敏度、遲滯、線性度、重復性和漂移等。由于傳感器的慣性和滯后，當被測量隨時間變化時，傳感器的輸出往往來不及達到平衡狀態(tài)，處于動態(tài)過渡過程之中，所以傳感器的輸出量也是時間的函數，其間的關系要用動態(tài)特性來表示。動態(tài)特性-------是指輸入信號（被測量）的值處于動態(tài)時（隨時間而變化）的輸出與輸入的關系。一個動態(tài)特性好的傳感器，其輸出將再現輸入量的變化規(guī)律，即具有相同的時間函數。而實際的傳感器，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數,這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。我們重點介紹傳感器的靜態(tài)特性

1.靈敏度靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標。其定義是輸出量增量Δy與引起輸出量增量Δy的相應輸入量增量Δx之比。用S表示靈敏度，即它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，很顯然，靈敏度S值越大，表示傳感器越靈敏。（2-2）2.2.1傳感器的靜態(tài)特性例如：某一應變式傳感器，當受到的外力X由1N增加到3N時，相應的輸出電壓Y由4mv增加到8mv,求S。解：ΔX=3-1=2N，ΔY=8-4=4mv所以，S=ΔY/ΔX=4/2=2mv/N圖2-2傳感器的靈敏度線性非線性S=tgθ=Δy/Δx=常數S=dy/dx(曲線某點的斜率）2.線性度線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數量關系的線性程度。輸出與輸入關系可分為線性特性和非線性特性。從傳感器的性能看，希望具有線性關系，即理想輸入輸出關系。但實際遇到的傳感器大多為非線性（如圖2-3所示）。

圖2-3線性度在實際使用中，為了標定和數據處理的方便，希望得到線性關系，因此引入各種非線性補償環(huán)節(jié)，如采用非線性補償電路或計算機軟件進行線性化處理，從而使傳感器的輸出與輸入關系為線性或接近線性。如果輸入量變化范圍較小，我們常用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段，使傳感器輸入輸出特性線性化，所采用的直線稱為擬合直線。圖2-4幾種直線擬合方法(a)理論擬合；(b)過零旋轉擬合；(c)端點連線擬合；(d)端點平移擬合傳感器的線性度：是指在全量程范圍內實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值ΔLmax與滿量程輸出值YFS之比。線性度也稱為非線性誤差，用γL表示，即式中：ΔLmax——最大非線性絕對誤差；

YFS——滿量程輸出值。越小越好!

3.遲滯

傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小（反行程）變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現象稱為遲滯(如圖2-5所示)。圖2-5遲滯特性也就是說，對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。傳感器在全量程范圍內最大的遲滯差值ΔHmax與滿量程輸出值YFS之比稱為遲滯誤差，用γH表示，即（2-4）越小越好!產生這種現象的主要原因是由于傳感器敏感元件材料的物理性質和機械零部件的缺陷所造成的，例如彈性敏感元件彈性滯后、運動部件摩擦、傳動機構的間隙、緊固件松動等。

4.重復性重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度（見圖2-6）。圖2-6重復性5.漂移漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，此現象稱為漂移。產生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身結構參數；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。最常見的漂移是溫度漂移，即周圍環(huán)境溫度變化而引起輸出的變化，溫度漂移主要表現為溫度零點漂移和溫度靈敏度漂移。式中：Δt——工作環(huán)境溫度t偏離標準環(huán)境溫度t20之差，即Δt

=t-t20；

yt——傳感器在環(huán)境溫度t時的輸出；

y20——傳感器在環(huán)境溫度t20時的輸出。(2-7)溫度漂移通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標準環(huán)境溫度（一般為20℃）時的輸出值的變化量與溫度變化量之比(ξ)來表示，即2.2.2傳感器的動態(tài)特性(簡單介紹）動態(tài)特性是指輸入量隨時間變化時傳感器的響應特性。由于傳感器的慣性和滯后，當被測量隨時間變化時，傳感器的輸出往往來不及達到平衡狀態(tài)，處于動態(tài)過渡過程之中，所以傳感器的輸出量也是時間的函數，其間的關系要用動態(tài)特性來表示。一個動態(tài)特性好的傳感器，其輸出將再現輸入量的變化規(guī)律，即具有相同的時間函數?！埠瘮店P系為Y（t)=kx(t)〕為了說明傳感器的動態(tài)特性，以動態(tài)測溫為例。實際的傳感器，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數,這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。如圖2-7所示把一支熱電偶從溫度為20℃環(huán)境中迅速插入一個溫度為100℃的恒溫水槽中（插入時間忽略不計），這時熱電偶測量的介質溫度從20突然上升到100，而熱電偶反映出來的溫度從20℃變化到100℃需要經歷一段時間，即有一段過渡過程。圖2-7動態(tài)測溫造成熱電偶輸出波形失真和產生動態(tài)誤差的原因，是溫度傳感器有熱慣性（由傳感器的比熱容和質量大小決定）和傳熱熱阻，使得在動態(tài)測溫時傳感器輸出總是滯后于被測介質的溫度變化。熱電偶反映出來的溫度與其介質溫度的差值就稱為動態(tài)誤差。2.2壓力傳感器壓力傳感器種類較多，這里只介紹電感式、霍爾式和集成式壓力傳感器利用電磁感應原理將被測非電量如位移、壓力、流量、振動等轉換成線圈自感量L或互感量M的變化,再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出,這種裝置稱為電感式傳感器電感式傳感器具有結構簡單,工作可靠,測量精度高,零點穩(wěn)定,輸出功率較大等一系列優(yōu)點,其主要缺點是靈敏度、線性度和測量范圍相互制約,傳感器自身頻率響應低,不適用于快速動態(tài)測量。這種傳感器能實現信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制,在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中被廣泛采用。電感式壓力傳感器電感式壓力傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或合金制成,在鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚度為δ,傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時,氣隙厚度δ發(fā)生改變,引起磁路中磁阻變化,從而導致電感線圈的電感值變化,因此只要能測出這種電感量的變化,就能確定銜鐵位移量的大小和方向。電感式壓力傳感器工作原理圖

1—可動鐵心；2—測桿；3—被測物圖4—12可變氣隙式電感測微計原理圖霍爾壓力傳感器先看霍爾效應的演示霍爾效應演示當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內側偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢cdab可知霍爾電勢可表示為霍爾壓力傳感器正是利用所測量外力對彈簧的形變影響霍爾元件在磁場中的位置，使產生的霍爾電勢與壓力成比例集成壓力傳感器所謂集成壓力傳感器是指將敏感元件和轉換電路集成在一起2.3流量傳感器單位時間內流過管道內某一截面的流體數量稱為瞬時流量流量的測量方法1速度式流量傳感器利用管道內流量敏感元件把流體的流速變換為壓差、位移、轉速、沖力、頻率等對應信號來間接測量。2容積式流量傳感器利用已知容積的容室在單位時間內排出流體的次數來測量3質量式流量傳感器一種是體積通過密度轉換為質量。另一種直接式，如熱電式、慣性力式、動量矩式。超聲波流量計

F1發(fā)射的超聲波先到達

T1測量流量原理分類

時間差法測量流量原理：在被測管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對超聲波發(fā)射和接收探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1的超聲波是順流傳播的，而F2，T2的超聲波是逆流傳播的。由于這兩束超聲波在液體中傳播速度的不同，測量兩接收探頭上超聲波傳播的時間差t，可得到流體的平均速度及流量。F1發(fā)射的超聲波到達

F2的時間較短

頻率差法測量流量原理：

F1、F2是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器用。首先由F1發(fā)射出第一個超聲脈沖，它通過管壁、流體及另一側管壁被F2接收，此信號經放大后再次觸發(fā)F1的驅動電路，使F1發(fā)射第二個聲脈沖。緊接著，由F2發(fā)射超聲脈沖，而F1作接收器，可以測得F1的脈沖重復頻率為f1。同理可以測得F2的脈沖重復頻率為f2。順流發(fā)射頻率f1與逆流發(fā)射頻率f2的頻率差

f與被測流速v成正比。F2F1卡曼渦街流量傳感器工作原理

卡曼渦街旋渦的發(fā)生頻率式中，U1——旋渦發(fā)生體兩側平均流速（m/s）；

Sr——斯特勞哈爾數；

d——旋渦發(fā)生體迎面寬度；

m——旋渦發(fā)生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比。渦街流量計輸出的脈沖頻率信號不受流體物性和組分變化的影響渦街流量計檢測旋渦信號方式:①用設置在旋渦發(fā)生體內的檢測元件直接檢測發(fā)生體兩側差壓；②旋渦發(fā)生體上開設導壓孔，在導壓孔中安裝檢測元件檢測發(fā)生體兩側差壓；③檢測旋渦發(fā)生體周圍交變環(huán)流；④檢測旋渦發(fā)生體背面交變差壓；⑤檢測尾流中旋渦列。檢測漩渦頻率的方法：電容檢測法應力檢測法熱敏檢測法超聲檢測法激光流量傳感器

激光技術是近代科學技術發(fā)展的重要成果之一，目前已被成功地應用于精密計量、軍事、宇航、醫(yī)學、生物、氣象等各領域。激光傳感器雖然具有各種不同的類型，但它們都是將外來的能量(電能、熱能、光能等)轉化為一定波長的光，并以光的形式發(fā)射出來。激光傳感器是由激光發(fā)生器、激光接收器及其相應的電路所組成的。激光的本質

原子在正常分布狀態(tài)下，多處于穩(wěn)定的低能級狀態(tài)。如果沒有外界的作用，原子可以長期保持這個狀態(tài)。原子在得到外界能量后，由低能級向高能級躍遷的過程，叫做原子的激發(fā)。原子處于激發(fā)的時間是非常短的，處于激發(fā)狀態(tài)的原子能夠很快地躍遷到低能級上去，同時輻射出光子。這種處于激發(fā)狀態(tài)的原子自發(fā)地從高能級躍遷到低能級上去而發(fā)光，叫做原子的自發(fā)輻射。進行自發(fā)輻射時，各個原子的發(fā)光過程互不相關。它們輻射光子的傳播方向，以及發(fā)光時原子由高能級向哪一個能級躍遷(即發(fā)光的頻率等都具有偶然性。因此原子自發(fā)輻射的光是一系列不同頻率的光子混合。

激光的形成

激光是媒質的粒子(原子或分子)受激輻射產生的，但它必須具備下述的條件才能得到。

粒子數反轉即處于低能級上的粒子數大于處于高能級上的粒子數。在這種情況下，光吸收是主要的。要實現光的放大，必須要使情況相反。這種不平衡狀態(tài)分布叫做粒子數反轉?？梢酝ㄟ^氣體放電或光照射等從外界供給能量的方法來獲得粒子數反轉分布。激光器的光振蕩放大要想產生激光，單靠外界激發(fā)而得到的初級受激輻射是不行的。實際的激光器都是由一個粒子數反轉的粒子系統(tǒng)(叫做工作物質)和一個光學共振腔組成。光學共振腔由兩端為各種形狀的曲面反射鏡構成。最簡單的光學共振腔是兩面相互平行的平面反射鏡，鏡面對光有很高的反射率，而工作物質封裝在有兩個反射鏡的封閉體中。當工作物質產生受激輻射時，受激輻射光在兩反射鏡之間作一定次數的往返反射，而每次返回時都經過建立了粒子數反轉分布的工作物質，這樣使受激輻射一次又一次地加強，這樣幾十次、幾百次的往返，直至能獲得單方向的強度非常集中的激光輸出為止。我們把激光在共振腔內往返放大過程叫做振蕩放大。被激發(fā)的工作物質中的某些原子受激輻射而放出光子，如果發(fā)射方向正好和腔軸線平行，則可能在腔內起放大作用。一部分偏離軸線方向的光子則跑出腔外而成為一種損耗。若光在來回反射過程中，放大作用克服了各種衰減作用(如共振腔的透射、工作物質對光的散射和吸收等)，就形成穩(wěn)定的光振蕩而產生激光，以很好的方向沿軸向輸出。激光的特點

高方向性高方向性就是高平行度，即光束的發(fā)散角小。激光束的發(fā)散角已達到幾分甚至可小到。所以通常稱激光是平行光。高亮度激光在單位面積上集中的能量很高。一臺較高水平的紅寶石脈沖激光器亮度達比太陽的發(fā)光亮度高出很多倍。把這種高亮度的激光束會聚后能產生幾百萬攝氏度的高溫。在這種高溫下，就是最難熔的金屬，在一瞬間也會熔化。

單色性好單色光是指譜線寬度很窄的一段光波。激光光譜單純，波長變化范圍小，與普通光源相比縮小了幾萬倍。高相干性相干性就是指相干波在疊加區(qū)得到穩(wěn)定的干涉條紋所表現的性質。普通光源是非相干光源，而激光是極好的相干光源。

由于激光具有上述特點，因此利用激光可以導向；做成激光干涉儀測量物體表面的平整度、測量長度、速度、轉角；切割硬質材料等。隨著科學技術的發(fā)展，激光的應用會更加普遍。

激光器

激光器的種類很多。按其工作物質可以分為氣體、液體、固體、半導體激光器。激光流量傳感器原理基于多普勒效應激光照射流動的微粒被散射，散射光的頻率與入射光頻率之差與流速成正比參數為入射光波長、兩束入射光夾角、多普勒頻率工作過程：激光源發(fā)出的激光束通過偏振器后由光束分解器分為兩束再有焦點透鏡聚焦在測定點，測定點的粒子引起的散射光由聚焦透鏡導向光敏元件，即得到流速。光纖流量傳感器一.光纖的結構

光纖是用光透射率高的電介質(如石英、玻璃、塑料等)構成的光通路。光纖的結構如圖所示，它由折射率n1較大(光密介質)的纖芯，和折射率n2較小(光疏介質)的包層構成的雙層同心圓柱結構。圖

光纖的基本結構與波導

二.傳光原理

光的全反射現象是研究光纖傳光原理的基礎。根據幾何光學原理，當光線以較小的入射角θ1由光密介質1射向光疏介質2(即n1＞n2)時(見圖)，則一部分入射光將以折射角θ2折射入介質2，其余部分仍以θ1反射回介質1。圖

光在兩介質界面上的折射和反射依據光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有

(2-1)當θ1角逐漸增大，直至θ1=θc時，透射入介質2的折射光也逐漸折向界面，直至沿界面?zhèn)鞑?θ2=90°)。對應于θ2=90°時的入射角θ1稱為臨界角θc；由式(2-1)則有

(2-2)

可見，當θ1＞θc時，光線將不再折射入介質2，而在介質(纖芯)內產生連續(xù)向前的全反射，直至由終端面射出。這就是光纖傳光的工作基礎。光纖傳輸的光波，可以分解為沿縱軸向傳播和沿橫切向傳播的兩種平面波成分。后者纖芯和包層的界面上會產生全反射。當它在橫切向往返一次的相位變化為2π的整數倍時，將形成駐波。形成駐波的光線組稱為模；它是離散存在的，亦即某種光纖只能傳輸特定模數的光。通常纖芯直徑較粗時，能傳播幾百個以上的模，而纖芯很細時，只能傳播一個模。前者稱為多模光纖后者是單模光纖。光纖流量傳感器則利用流體的壓力使光纖發(fā)生機械應變，從而導致光纖中傳輸的各模式的光的相位差發(fā)生變化，導致光強出現強弱變化，其振幅和流速成正比。2.4溫度傳感器溫度傳感器是實現溫度檢測和控制的重要器件。在種類繁多的傳感器中，溫度傳感器是應用最廣泛、發(fā)展最快的傳感器之一。溫度是與人類生活息息相關的物理量。在2000多年前，就開始為檢測溫度進行了各種努力，并開始使用溫度傳感器檢測溫度。人類社會中，工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)、科研、國防、醫(yī)學及環(huán)保等部門都與溫度有著密切的關系。工業(yè)生產自動化流程，溫度測量點要占全部測量點的一半左右。溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數。溫度傳感器的種類及特點

接觸式溫度傳感器非接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器的特點：傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件是被測物體的熱容量要足夠大。非接觸式溫度傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續(xù)測量不會產生消耗；反應快等。1．常用熱電阻

范圍：-260～＋850℃；精度：0.001℃。改進后可連續(xù)工作2000h，失效率小于1％，使用期為10年。2．管纜熱電阻測溫范圍為-20～＋500℃，最高上限為1000℃，精度為0.5級。（－）接觸式溫度傳感器3．陶瓷熱電阻測量范圍為–200～+500℃，精度為0.3、0.15級。4．超低溫熱電阻兩種碳電阻，可分別測量–268.8～253℃-272.9～272.99℃的溫度。5．熱敏電阻器適于在高靈敏度的微小溫度測量場合使用。經濟性好、價格便宜。l．輻射高溫計用來測量1000℃以上高溫。分四種：光學高溫計、比色高溫計、輻射高溫計和光電高溫計。2．光譜高溫計前蘇聯研制的YCI—I型自動測溫通用光譜高溫計,其測量范圍為400～6000℃,是采用電子化自動跟蹤系統(tǒng),保證有足夠準確的精度進行自動測量。（二）非接觸式溫度傳感器3．超聲波溫度傳感器特點是響應快(約為10ms左右)，方向性強。目前國外有可測到5000℉的產品。4．激光溫度傳感器適用于遠程和特殊環(huán)境下的溫度測量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射計可測很高的溫度，精度為1％。美國麻省理工學院正在研制一種激光溫度計，最高溫度可達8000℃，專門用于核聚變研究。PN結溫度傳感器熱敏二極管溫度傳感器熱敏晶體管溫度傳感器原理利用器件的輸出電流隨溫度的變化關系，將溫度變化通過器件與運放構成的電路轉化為電壓輸出。設計原理：利用半導體PN結的電流電壓與溫度有關的特性。優(yōu)點：輸出線性好、測量精度高,傳感驅動電路、信號處理電路等都與溫度傳感部分集成在一起,因而封裝后的組件體積非常小,使用方便,價格便宜,故在測溫技術中越來越得到廣泛應用。本節(jié)簡要介紹IC溫度傳感器的類型、基本原理、主要特性及其應用等有關問題。

IC溫度傳感器

IC溫度傳感器的分類電壓型IC溫度傳感器；電流型IC溫度傳感器，數字輸出型IC溫度傳感器。電流型IC溫度傳感器是把線性集成電路和與之相容的薄膜工藝元件集成在一塊芯片上,再通過激光修版微加工技術,制造出性能優(yōu)良的測溫傳感器。這種傳感器的輸出電流正比于熱力學溫度，即1μA/K；其次，因電流型輸出恒流，所以傳感器具有高輸出阻抗。其值可達10MΩ。這為遠距離傳輸深井測溫提供了一種新型器件。電壓型IC溫度傳感器是將溫度傳感器基準電壓、緩沖放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故輸出電壓高、線性輸出為10mV／℃；另外,由于其具有輸出阻抗低的特性；抗干擾能力強，故不適合長線傳輸。這類IC溫度傳感器特別適合于工業(yè)現場測量。電流型IC溫度傳感器的測溫原理，是基于晶體管的PN結隨溫度變化而產生漂移現象研制的。眾所周知，晶體管PN結的這種溫漂，會給電路的調整帶來極大的麻煩。但是，利用PN結的溫漂特性來測量溫度，可研制成半導體溫度傳感元件。IC溫度傳感器就是依據半導體的溫漂特性，經過精心設計而制造出來的集成化線性較好的溫度傳感器件。利用電流I與Tk的正比關系，通過電流的變化來測量溫度的大小。IC溫度傳感器的測溫原理

1.電流輸出型溫度傳感器

工作原理如下圖所示，V1和V2構成鏡像恒流源，I1=I2；V3由幾個與V4結構相同的晶體管組成；V4的PN結檢測溫度，UBE3和UBE4的差值ΔUBE加在電阻R上，

則I1為

式中，K為波耳茲曼常數；T為溫度；n=I3/I4。由圖可見，I0=2I1，

與絕對溫度成正比。

圖電流輸出型溫度傳感器測溫電路電壓輸出型集成溫度傳感器AN6701S有四個引腳，三種連線方式：(a)正電源供電，(b)負電源供電，(c)輸出極性顛倒。電阻RC用來調整25℃下的輸出電壓，使其等于5V，RC的阻值在3~30kΩ范圍內。這時靈敏度可達109~110mV/℃，在-10~80℃范圍內基本誤差不±1℃。輸出AN6701(a)1243RC5~15VAN6701(c)10kΩRC3124

-+∞+100kΩ10kΩ100kΩAN6701(b)213輸出4－5~－15VRC輸出

集成數字溫度傳感器及溫度控制器（DS1620）

基本特性

DS1620可用來檢測溫度，

測量溫度范圍為-55～125℃，

分辨率為0.5℃。

通過其內電路A/D轉換，

輸出溫度值為9位二進制數字量。

最高位MSB是符號位，

0表示正數，

1表示負數。

因此有效位為8位，

測溫范圍為-55～125℃，

分辨力為0.5℃，

即最低位1LSB代表0.5℃。

例如，

-25℃的二進制數碼為111001110，

十六進制數碼為01CEH；

25℃的二進制數碼為000110010，

十六進制數碼為0032H。

DS1620也可用于溫度控制。它有三個溫度信號輸出：THIGH、TLOW、TCOM。根據恒溫要求，設定高溫限制溫度TH和低溫限制溫度TL后，若DS1620檢測的溫度大于或等于TH

，則THIGH端輸出高電平；若DS1620檢測的溫度低于或等于TL，則TLOW端輸出高電平；TCOM端輸出具有滯回特性，當檢測的溫度超過TH時，輸出跳變?yōu)楦唠娖讲⒁恢北３指唠娖剑挥挟敎囟冉档絋L時，TCOM端才輸出才跳變?yōu)榈碗娖健＠肨HIGH、TLOW和TCOM輸出的溫度信號就可以用來控制溫度。外形及管腳功能

DS1620有DIP封裝和貼片式SOIC封裝兩種，

其八個引腳的功能如表9-13所示。

表DS1620的引腳功能

DS1620的基本應用方法在DS1620用來作簡單的溫度控制時，無需CPU，但必須在存儲器中存入上下限溫度TH、TL的值。在不使用CPU時，CLK/CONV（2腳）能用作溫度啟動轉換，但RST必須為低電平，而CLK/CONV必須為高電平。若CLK/CONV被拉到低電平且在10ms內又變?yōu)楦唠娖?，則將進行一次溫度轉換。然后，DS1620轉為空載狀態(tài)，稱為單步模式，即DS1620接收到一個溫度轉換指令后，執(zhí)行一次溫度轉換。若CLK/CONV被拉到低電平并保持之，則轉換將連續(xù)進行，直到CLK/CONV變?yōu)楦唠娖綖橹?，稱為連續(xù)模式。典型的溫控操作使DS1620工作在連續(xù)模式。當使用CPU時，DS1620將通過三線串行口通信。三線總線包含三個信號：RST復位信號、CLK時鐘信號及DQ數據信號。工作時，CLK/CONV端用作時鐘信號輸入端，使DQ及RST信號同步，RST輸入高電平，進行數據傳輸；當RST為低電平時，終止通信。數據通過三線接口通信時，LSB是第一位，即由低位向高位傳送。

用于三線接口的指令如表9-14所示。

當發(fā)出有關指令后，

以后9個時鐘周期即能輸入或輸出9位溫度值，或者執(zhí)行有關功能。

注意，

寫入DS1620的僅僅是這些規(guī)約，若寫入其他規(guī)約，

則可能引起器件損壞。

DS1620使用時無需外圍元件，測溫范圍從-55～125℃，分辨力可達0.5℃，轉換速度為1s，控制的極限溫度由用戶設置，存儲在非揮發(fā)存儲器中。另外，它由三線串行口來實現數據的讀和寫。采用DS1620組成的儀器風扇溫控電路如圖所示。

圖中，

先在DS1620中設置上、下限溫度值，如設上限為30℃，

下限為28℃，

則根據DS1620特性，

當儀器環(huán)境溫度超過30℃時，5腳輸出高電平，

促使場效應管2N7000導通，

儀器風扇通電工作，

使之散熱降溫。當溫度降至28℃時，5腳輸出低電平，

場效應管2N7000截止，儀器風扇停止工作。該電路不僅結構簡單，

且可省電、

延長風扇電機壽命。

圖

儀器風扇溫控電路

光

電

溫

度

計

光電高溫計是以光學高溫計為基礎，

能自動連續(xù)測溫的儀表。

它可以自動平衡亮度。

光電高溫計采用了硅光電池代替人的眼睛感受輻射源的亮度變化，

排除了人為因素。

為了減少硅光電池性能參數的變化及電源電壓波動對測量結果的影響，

光電高溫計采用負反饋原理進行工作。

光電高溫計的工作原理如下圖（a）所示。

從被測物體17的表面發(fā)出的輻射能由物鏡聚焦，

通過孔徑光闌2和遮光板6上的孔3，

透過裝于板6內的紅色濾光片入射到硅光電池4上，

被測物體表面發(fā)出的光束必須蓋滿孔3，

這點可用瞄準系統(tǒng)觀察、

調節(jié)。

瞄準系統(tǒng)是由瞄準透鏡10，

反射鏡11和觀察孔12組成。

從反饋燈15發(fā)出的輻射能通過遮光板6上的孔5，

透過同一塊紅色濾光片也投射到同一個硅光電池4上。

在遮光板6的前面裝有每秒鐘振動50次的光調制器。

光調制器的原理如下圖（b）所示，

激磁繞組通以50Hz的交流電，

由此產生的交變磁場與永久磁鋼8相互作用，

使調制片7產生每秒鐘50次的機械振動，

交替打開和遮住孔3與孔5，

使被測表面17和反饋燈15發(fā)出的輻射能交替地投射到硅光電池4上。

當反饋燈與被測表面的輻射亮度不同時，

硅光電池將產生一個脈沖光電流I，

他與這兩個單色輻射亮度之差成正比。

此脈沖光電流經前置放大器13放大后，

再送到主放大器14進一步放大。

主放大器由倒相器、

差動相敏放大器和功率放大器組成。

功率放大器輸出的直流電流通過反饋燈15，

該燈的亮度與流經的電流有一定關系。

當流經的電流變化到使其單色輻射亮度與被測物體的單色輻射亮度相同時，

則脈沖光電流接近于零。

這時通過反饋燈的電流大小就代表被測物體的輻射亮度，

也就代表了被測物體的溫度。

選用溫度刻度的電子電位差計16自動指示與記錄通過反饋燈的電流大小。

由上述討論可知，

穩(wěn)態(tài)時反饋燈的亮度接近于被測物體的亮度。

圖

WDL型光電高溫計工作原理圖(a)工作原理示意圖；

(b)光調制器

紅外測溫儀

紅外測溫儀一般用于探測目標的紅外輻射和測定其輻射強度，確定目標的溫度。它采用濾光片可分離出所需波段，因而該儀器能工作在任意紅外波段。下圖為目前常見的紅外測溫儀方框圖。

它的光學系統(tǒng)是一個固定焦距的透射系統(tǒng)，

物鏡一般為鍺透鏡，

有效通光口徑即作為系統(tǒng)的孔徑光欄。

濾光片一般采用只允許8～14μm的紅外輻射通過的材料。

紅外探測器一般為（鉭酸鋰）熱釋電探測器，

安裝時保證其光敏面落在透鏡的焦點上。步進電機帶動調制盤轉動對入射的紅外輻射進行斬光，將恒定或緩變的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上，紅外探測器將紅外輻射變換為電信號輸出。

圖

紅外測溫儀方框圖

光纖溫度傳感器

1.功能型功能型也稱物性型或傳感型，光纖在這類傳感器中不僅作為光傳播的波導,而且具有測量的功能。該類傳感器利用某種參數隨溫度而變化的特性作為傳感器的主體，即將其作為敏感元件進行測溫。下圖為三種應用光纖制作溫度傳感器的原理圖。圖功能型光纖溫度傳感器（a）利用光的振幅變化的傳感器；（b）利用光的偏振面旋轉的傳感器；（c）、

（d）

利用光的相位變化的光纖溫度傳感器

2.非功能型下圖是一個光纖端面上配置液晶芯片的光纖溫度傳感器。

它是將三種液晶以適當的比例混合，

在10～45℃之間，

顏色從綠到紅，

這種傳感器之所以能用來檢測溫度，

是因為利用了光的反射系數隨顏色而變化的原理，

傳輸的光纖中光纖的光通量要比較大，

所以通常采用多模光纖。

在圖所示的系統(tǒng)中，

照射部分和反射部分各用三根多模光纖，

精度為0.1℃。

圖

利用液晶的光纖溫度傳感器

2.5氣體傳感器氣體傳感器是將被測氣體濃度轉換為與其一定關系的電量輸出的裝置或器件。氣體傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。由于氣體種類繁多,性質各不相同，不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣體，按構成氣體傳感器材料可分為半導體和非半導體兩大類。目前實際使用最多的是半導體氣體傳感器。

半導體氣體傳感器是利用待測氣體與半導體表面接觸時，產生的電導率等物理性質變化來檢測氣體的。按照半導體與氣體相互作用時產生的變化只限于半導體表面或深入到半導體內部，可分為表面控制型和體控制型。前者半導體表面吸附的氣體與半導體間發(fā)生電子接受，結果使半導體的電導率等物理性質發(fā)生變化，但內部化學組成不變；后者半導體與氣體的反應，使半導體內部組成發(fā)生變化，而使電導率變化。半導體氣體傳感器按照半導體變化的物理特性，又可分為電阻型和非電阻型，電阻型半導體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度；非電阻型半導體氣敏元件是利用其它參數，如二極管伏安特性和場效應晶體管的閾值電壓變化來檢測被測氣體的。半導體氣體傳感器的機理半導體氣體傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。當半導體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴散，失去運動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產生熱分解而固定在吸附處（化學吸附）。當半導體的功函數小于吸附分子的親和力(氣體的吸附和滲透特性)時，吸附分子將從器件奪得電子而變成負離子吸附，半導體表面呈現電荷層。例如氧氣等具有負離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果半導體的功函數大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳氫化合物和醇類，它們被稱為還原型氣體或電子供給性氣體。當氧化型氣體吸附到N型半導體上，還原型氣體吸附到P型半導體上時，將使半導體載流子減少，而使半導體電阻值增大。當還原型氣體吸附到N型半導體上，氧化型氣體吸附到P型半導體上時，則載流子增多，使半導體電阻值下降。由于空氣中的含氧量大體上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。圖

N型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖半導體氣體傳感器類型及結構

1.電阻型半導體氣體傳感器

SnO2系列氣敏元件有燒結型、薄膜型和厚膜型三種。燒結型應用最廣泛性。圖

半導體氣體傳感器的敏感元件(a)燒結型元件；(b)薄膜型元件(c)厚膜型元件93燒結型SnO2氣敏元件其敏感體用粒徑很小(平均粒徑≤１μm)的SnO2粉體為基本材料，根據需要添加不同的添加劑，混合均勻作為原料。主要用于檢測可燃的還原性氣體，其工作溫度約300℃。根據加熱方式，分為直接加熱式和旁熱式兩種。（1）直接加熱式SnO2氣敏元件(直熱式氣敏元件)內熱式氣敏器件結構及符號1234SnO2燒結體加熱極兼電極(a)結構4321(b)符號由芯片(敏感體和加熱器)，基座和金屬防爆網罩三部分組成。因其熱容量小、穩(wěn)定性差，測量電路與加熱電路間易相互干擾，加熱器與SnO2基體間由于熱膨脹系數的差異而導致接觸不良，造成元件的失效，現已很少使用。

94（2）旁熱式SnO2氣敏元件加熱器電阻值一般為30Ω～40Ω電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結構及符號SnO2燒結體123456（a）結構（b）符號7100目不銹鋼網?18.4?123123456745°45°氣敏元件外形和引出線分布

2.非電阻型半導體氣體傳感器非電阻型氣敏器件也是半導體氣體傳感器之一。它是利用MOS二極管的電容—電壓特性的變化以及MOS場效應晶體管(MOSFET)的閾值電壓的變化等物性而制成的氣敏元件。由于類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩(wěn)定且價格便宜。利用特定材料還可以使器件對某些氣體特別敏感。

(1)MOS二極管氣敏器件

MOS二極管氣敏元件制作過程是在P型半導體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為50~100nm的二氧化硅(SiO2)層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀(Pd)的金屬薄膜，作為柵電極，如圖14-5(a)所示。圖MOS二極管結構和等效電路(a)結構；(b)等效電路；(c)C-U特性

(2)MOS場效應晶體管氣敏器件鈀-MOS場效應晶體管(Pd-MOSFET)的結構，參見圖。圖

鈀—MOS場效應晶體管的結構：常數UG：柵壓UT：ID是流過時的最小臨界電壓值漏極電流：在鈀－MOS場效應管中，UT會隨空氣中所含氫氣濃度的增高而降低。電化學式氣體傳感器工作原理：利用電化學原理將被測氣體的含量轉化為電信號一般可分為：原電池式、可控電位電解式、電量式、離子電極式原電池式是通過檢測電流來檢測氣體的體積分數可控電位電解式是通過測量電解時流過的電流檢測電量式是通過被測氣體與電解質反應產生的電流來檢測離子式是通過測量離子極化電流來檢測固體電解質氣體傳感器固體電解質是具有離子導電性能的固體物質。一般認為，固體物質(金屬或半導體)中，作為載流子傳導電流的是正、負離子?？墒?，在固體電解質中，作為載流子傳導電流的，卻主要是離子。二氧化鋯（ZrO2）在高溫下(但尚遠未達到熔融的溫度)具有氧離子傳導性。

純凈的二氧化鋯在常溫下屬于單斜晶系，隨著溫度的升高，發(fā)生相轉變。在1100℃下，為正方晶系，2500℃下，為立方晶系，2700℃下熔融，在熔融二氧化鋯中添加氧化鈣、三氧化二釔、氧化鎂等雜質后，成為穩(wěn)定的正方晶型，具有瑩石結構，稱為穩(wěn)定化二氧化鋯。并且由于雜質的加入，在二氧化鋯晶格中產生氧空位，其濃度隨雜質的種類和添加量而改變，其離子電導性也隨雜質的種類和數量而變化。接觸燃燒式氣體傳感器

1、檢測原理

可燃性氣體(H2、CO、CH4等)與空氣中的氧接觸，發(fā)生氧化反應，產生反應熱(無焰接觸燃燒熱)，使得作為敏感材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應增大。一般情況下，空氣中可燃性氣體的濃度都不太高(低于10％)，可燃性氣體可以完全燃燒，其發(fā)熱量與可燃性氣體的濃度有關?？諝庵锌扇夹詺怏w濃度愈大，氧化反應(燃燒)產生的反應熱量(燃燒熱)愈多，鉑絲的溫度變化(增高)愈大，其電阻值增加的就越多。因此，只要測定作為敏感件的鉑絲的電阻變化值(ΔR)，就可檢測空氣中可燃性氣體的濃度。但是，使用單純的鉑絲線圈作為檢測元件，其壽命較短，所以，實際應用的檢測元件，都是在鉑絲圈外面涂覆一層氧化物觸媒。這樣既可以延長其使用壽命，又可以提高檢測元件的響應特性。接觸燃燒式氣體敏感元件的橋式電路如圖。圖中F1是檢測元件；F2是補償元件，其作用是補償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度、電源電壓變化等因素所引起的偏差。工作時，要求在F1和F2上保持100mA～200mA的電流通過，以供可燃性氣體在檢測元件F1上發(fā)生氧化反應(接觸燃燒)所需要的熱量。當檢測元件F1與可燃性氣體接觸時，由于劇烈的氧化作用(燃燒)，釋放出熱量，使得檢測元件的溫度上升，電阻值相應增大，橋式電路不再平衡，在A、B間產生電位差E。

AF2F1MR1R2CBDW2W1E0因為ΔRF很小，且RF1?R1=RF2?R2

這樣，在檢測元件F1和補償元件F2的電阻比RF2/RF1接近于1的范圍內，A，B兩點間的電位差E，近似地與ΔRF成比例。在此，ΔRF是由于可燃性氣體接觸燃燒所產生的溫度變化(燃燒熱)引起的，是與接觸燃燒熱(可燃性氣體氧化反應熱)成比例的。即ΔRF可用下式表示如果令則有ρ—檢測元件的電阻溫度系數；ΔT—由于可燃性氣體接觸燃燒所引起的檢測元件的溫度增加值；ΔH—可燃性氣體接觸燃燒的發(fā)熱量；C—檢測元件的熱容量；Q—可燃性氣體的燃燒熱；m—可燃性氣體的濃度[％(Vol)]；α—由檢測元件上涂覆的催化劑決定的常數。光學式氣體傳感器主要包括紅外吸收型、光譜吸收型、熒光型、光纖化學材料型紅外吸收型應用較為廣泛，主要工作原理為不同氣體的紅外吸收峰不同，通過測量和分析紅外吸收峰來檢測氣體。高分子氣體傳感器應用高分子氣敏材料完成氣體檢測，分為以下幾種。高分子電阻式氣體傳感器濃差電池式氣體傳感器聲表面波式氣體傳感器石英振子式氣體傳感器固態(tài)圖像傳感器圖像傳感器：利用光電器件的光－電轉換功能，將其感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的電信號“圖像”的一種功能器件，固態(tài)圖像傳感器：在同一半導體襯底上布設的若干光敏單元與移位寄存器構成的集成化、功能化的光電器件。光敏單元簡稱為“像素”或“像點”。特點：集成度高、尺寸小、電壓低（DC7～12V）、功耗小。該技術的發(fā)展促進了各種視頻裝置的普及和微型化，應用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農業(yè)、軍用等各個領域。固態(tài)圖像傳感器由光敏元件陣列和電荷轉移器件集合而成。敏感元件主要有三大類：電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互補金屬氧化物半導體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（ChargeInjenctionDevice，即CID）

CCD基本結構分兩部分：MOS（金屬—氧化物—半導體）光敏元陣列）。電荷耦合器件是在半導體硅片上制作成百上千（萬）個光敏元，一個光敏元又稱一個像素，在半導體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。讀出移位寄存器。

電荷耦合器件（CCD）

1.CCD基本結構CCD結構示意圖

顯微鏡下的MOS元表面

電荷耦合器件（CCD）特點——以電荷作為信號。

CCD的基本功能——電荷存儲和電荷轉移。

CCD工作過程——信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測的過程。

一系列彼此非常接近的MOS電容用同一半導體襯底制成，襯底可以是P型或N型材料，上面生長均勻、連續(xù)的氧化層，在氧化層表面排列互相絕緣而且距離極小的金屬化電極（柵極）。CCD工作原理(1)MOS的結構2.CCD工作原理(2)電荷存儲原理：當金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言，是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱”。有光線入射到硅片上時，光子作用下產生電子—空穴對，空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢阱（俘獲），此時勢阱內吸的光子數與光強度成正比。一個MOS光敏元結構

一個MOS結構元為MOS光敏元或一個像素；把一個勢阱所收集的光生電子稱為一個電荷包；

CCD器件內是在硅片上制作成百上千的MOS元，每個金屬電極加電壓，就形成成百上千個勢阱；如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應的光生電荷圖像。這就是電荷耦合器件的光電物理效應基本原理。CCD工作原理(2)電荷存儲原理：265×180133×9066×4533×22分辨率（MOS元多少）不同的圖象比較CCD工作原理(3)電荷轉移原理（讀出移位寄存器）光敏元上的電荷需要經過電路進行輸出，CCD電荷耦合器件是以電荷為信號而不是電壓電流。讀出移位寄存器也是MOS結構，由金屬電極、氧化物、半導體三部分組成。它與MOS光敏元的區(qū)別在于，半導體底部覆蓋了一層遮光層，防止外來光線干擾。由三個十分鄰近的電極組成一個耦合單元；在三個電極上分別施加脈沖波三相時鐘脈沖Φ1Φ2Φ3。

CCD工作原理電荷轉移的控制方法，非常類似于步進電極的步進控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉移的過程。見圖P1P1P2P2P3P3P1P1P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)電荷轉移過程t=t0t=t1t=t2t=t30三相控制是在線陣列的每一個像素上有三個金屬電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個相位不同的控制脈沖Φ1，Φ2，Φ3，見圖（b）。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。圖(b)采用電注入方式。P1P2當P1極施加高電壓時，在P1下方產生電荷包（t=t0）；當P2極加上同樣的電壓時，由于兩電勢下面勢阱間的耦合，原來在P1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布（t=t1）；當P1回到低電位時，電荷包全部流入P2下的勢阱中（t=t2）。然后，p3的電位升高，P2回到低電位，電荷包從P2下轉到P3下的勢阱（t=t3），以此控制，使P1下的電荷轉移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數載流子便從CCD的一端轉移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數載流子，送入放大器處理，便實現電荷移動。P1P2P2P3P3P1P1P2P3P3t=t0t=t1P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3t=t2t=t3P2P1CCD固態(tài)圖像傳感器線陣CCD型面陣CCD型CCD固態(tài)圖像傳感器線型CCD圖像傳感器

線型CCD圖像傳感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行構成。光敏元和移位寄存器之間有一個轉移控制柵,如圖所示。轉移控制柵光積分單元不透光的電荷轉移結構光積分區(qū)輸出(a)(b)線型CCD圖像傳感器輸出在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極,由一個P型溝阻使其在電氣上隔開。當入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時,光敏元件聚集光電荷,進行光積分,光電荷與光照強度和光積分時間成正比。在光積分時間結束時,轉移柵上的電壓提高(平時低電壓),與CCD對應的電極也同時處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉移到移位寄存器中。當轉移完畢,轉移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復原來的高電壓狀態(tài),準備下一次光積分周期。同時,在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖,將存儲的電荷從CCD中轉移,由輸出端輸出。這個過程重復地進行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。轉移柵光積分單元不透光的電荷轉移結構光積分區(qū)輸出轉移柵(a)(b)線型CCD圖像傳感器輸出

目前，實用的線型CCD圖像傳感器為雙行結構，如圖（b）所示。單、雙數光敏元件中的信號電荷分別轉移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來光敏信號電荷的順序。面型CCD圖像傳感器面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉移部分組成。目前存在三種典型結構形式。二相驅動視頻輸出

行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅動感光區(qū)(a)圖(a)所示結構由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內的信息轉移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉換為視頻圖像信號。這種結構易于引起圖像模糊。溝阻P1

P2P3P1

P2P3P1

P2P3

感光區(qū)

存儲區(qū)析像單元

視頻輸出輸出柵串行讀出(b)

圖（b）所示結構增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲區(qū)。在正常垂直回掃周期內，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲區(qū)。在垂直回掃結束后，感光區(qū)回復到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內，存儲區(qū)的整個電荷圖像向下移動，每次總是將存儲區(qū)最底部一行的電荷信號移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動以視頻信號輸出。當整幀視頻信號自存儲移出后，就開始下一幀信號的形成。該CCD結構具有單元密度高、電極簡單等優(yōu)點，但增加了存儲器。光柵報時鐘二相驅動輸出寄存器檢波二極管

視頻輸出垂直轉移寄存器感光區(qū)二相驅動(c)圖(c)所示結構是用得最多的一種結構形式。它將圖(b)中感光元件與存儲元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結束時，轉移控制柵打開，電荷信號進入存儲區(qū)。隨后，在每個水平回掃周期內，存儲區(qū)中整個電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號輸出。這種結構的器件操作簡單，但單元設計復雜，感光單元面積減小，圖像清晰。CCD產品CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器從原理可分為無源像素傳感器PPS(Passive-PixelSensor)和有源像素傳感器APS(Active-PixelSensor)兩大類。從結構上講，主要包括光敏二極管型無源、有源像素圖像傳感器和光電柵型有源像素圖像傳感器。

下圖簡單的說明了光敏二極管型無源圖像傳感器和光敏二極管型有源圖像傳感器感光單元的結構

。

光敏二極管型CMOS圖像傳感器結構在光敏二極管型無源圖像傳感器中，光敏二極管受光照將光子變成電子，通過行選擇開關將電荷讀到列輸出線上；在光敏二極管型有源CMOS圖像傳感器中，則通過復位開關和行選擇開關將放大后的光生的電荷讀到感光陣