第十二章新型傳感器

本章學(xué)習(xí)集成溫度傳感器、磁性傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器、圖像傳感器的原理以及他們的應(yīng)用，還涉及數(shù)碼相機(jī)的相關(guān)知識(shí)。1/8/20241第一節(jié)集成溫度傳感器集成溫度傳感器〔溫度IC〕將溫度敏感元件和放大、運(yùn)算和補(bǔ)償?shù)入娐凡捎梦㈦娮蛹夹g(shù)和集成工藝集成在一片芯片上，從而構(gòu)成集測(cè)量、放大、電源供電回路于一體的高性能的測(cè)溫傳感器。

1/8/20242一、集成溫度傳感器的測(cè)溫原理

PN結(jié)的溫度特性

二極管的正向電壓降UD以-2mV/℃變化

1/8/20243集成溫度傳感器的類型

集成溫度傳感器可分為：模擬型集成溫度傳感器和數(shù)字型集成溫度傳感器。模擬型的輸出信號(hào)形式有電壓型和電流型兩種。電壓型的靈敏度多為10mV/℃〔以攝氏溫度0℃作為電壓的零點(diǎn)〕，電流型的靈敏度多為1μA/K〔以絕對(duì)溫度0K作為電流的零點(diǎn)〕；數(shù)字型又可以分為開關(guān)輸出型、并行輸出型、串行輸出型等幾種不同的形式。

1/8/20244〔一〕模擬型集成溫度傳感器1.模擬型集成溫度傳感器電流輸出型溫度傳感器能產(chǎn)生一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比的電流作為輸出，AD590是電流輸出型溫度傳感器的典型產(chǎn)品。

1/8/20245AD590封裝示意圖空腳〔接地〕1/8/20246電壓輸出型集成溫度傳感器——

LM35/45LM35/45的外形及引腳圖

1/8/20249電壓輸出型集成溫度傳感器

——

LM35/45

LM35/45構(gòu)成的攝氏溫度測(cè)量電路及組裝成的測(cè)溫傳感器1/8/202410在電腦中，集成溫度傳感器用于CPU散熱保護(hù)電路散熱風(fēng)扇集成溫度ICCPU插座CPU散熱片1/8/202411MAX6502用于控制散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速當(dāng)CPU進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算時(shí)，風(fēng)扇處于全速運(yùn)行。場(chǎng)效應(yīng)管功率驅(qū)動(dòng)

1/8/202412第二節(jié)磁性傳感器一、磁致伸縮效應(yīng)及應(yīng)用

稀土原料

某些磁性材料在外磁場(chǎng)作用下，物理尺寸會(huì)發(fā)生變化，去掉外磁場(chǎng)后，又恢復(fù)到原來的尺寸，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。稀土超磁致伸縮材料是目前性能最好的超磁致伸縮材料之一。

1/8/202413稀土超磁致伸縮材料的應(yīng)用

稀土超磁致伸縮材料可將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或聲能〔或機(jī)械位移信息或聲信息〕，相反也可以將機(jī)械能〔或機(jī)械位移與信息〕轉(zhuǎn)換成電磁能〔或電磁信息〕，它是重要的能量與信息轉(zhuǎn)換功能材料，可用于制作大功率聲納傳感器。1/8/202414聲納的應(yīng)用聲納發(fā)射、接收器聲納反潛1/8/202415聲納反潛的原理

1/8/202416磁致伸縮位移傳感器〔參考德國(guó)圖爾克公司資料〕位移1/8/202417磁致伸縮液位傳感器〔參考廣東康宇測(cè)控儀表公司資料〕磁致伸縮液位傳感器可靠性強(qiáng)、耐腐蝕、安裝方便。1/8/202418磁致伸縮液位傳感器結(jié)構(gòu)信號(hào)處理單元?dú)んw不銹鋼套管〔內(nèi)有磁致伸縮線〕浮子〔內(nèi)有磁鐵〕吃水線1/8/202419磁致伸縮液位傳感器的應(yīng)用1/8/202420各種液位計(jì)的外形和安裝比較〔續(xù)〕1/8/202421二、磁敏傳感器

磁敏電阻：半導(dǎo)體材料的電阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而變大，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻。

1/8/202422磁敏電阻的應(yīng)用磁敏電阻可用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向及強(qiáng)度的變化。指南針只能指示地球磁場(chǎng)的方向。1/8/202423地球磁場(chǎng)“導(dǎo)演〞的極光〔加拿大育空地區(qū)〕1/8/202424磁阻式電子羅盤1/8/202425磁敏電阻IC及其應(yīng)用線性磁阻位置傳感器1/8/202426磁敏電阻的應(yīng)用

根據(jù)鐵磁物體對(duì)地磁的擾動(dòng)，可檢測(cè)車輛的存在，可用于包括自動(dòng)開門，路況監(jiān)測(cè)，停車場(chǎng)檢測(cè)，車輛位置監(jiān)測(cè)，紅綠燈控制等。

1/8/202427利用磁敏電阻制作小型探礦儀〔磁力儀〕磁敏電阻〔聚四氟乙烯封裝〕磁力探礦儀的使用1/8/202428磁敏電阻小型探礦儀上海直川信息技術(shù)研制的磁阻探礦儀及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線圖1/8/202429磁阻IC用于轉(zhuǎn)速測(cè)量磁力線集中磁力線分散1/8/202430磁阻IC用于筆式驗(yàn)鈔器驗(yàn)鈔筆順著紙幣上的磁性防偽線掃描1/8/202431第十二章：第三節(jié)光導(dǎo)纖維傳感器光的全反射實(shí)驗(yàn)

1/8/202432各種裝飾性光導(dǎo)纖維1/8/202433發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的外表。在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案。上海東方明珠1/8/202434光纖傳感器外形

1/8/202435光的反射、折射當(dāng)一束光線以一定的入射角θ1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時(shí)，一局部能量反射回原介質(zhì)；另一局部能量那么透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。1/8/202436光的全反射當(dāng)減小入射角時(shí)，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應(yīng)減小，將導(dǎo)致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對(duì)這個(gè)極限值時(shí)的入射角，定義為臨界角θc。當(dāng)入射角小于θc時(shí)，入射光線將發(fā)生全反射。1/8/202437光在光纖中的全反射

1/8/202438光纖的結(jié)構(gòu)

1/8/202439光纜的外形及光纖的拉制

1/8/202440光纖的類型

階躍型：光纖纖芯的折射率分布各點(diǎn)均勻一致，稱為多模光纖。1/8/202441梯度型：梯度型光纖的的折射率呈聚焦型，即在軸線上折射率最大，離開軸線那么逐步降低，至纖芯區(qū)的邊沿時(shí)，降低到與包層區(qū)一樣。

1/8/202442單孔型光纖單孔型光纖的纖芯直徑較小〔數(shù)微米〕接近于被傳輸光波的波長(zhǎng)，光以電磁場(chǎng)“模〞的原理在纖芯中傳導(dǎo)，能量損失很小，適宜于遠(yuǎn)距離傳輸。

1/8/202443與光纖耦合的電光與光電轉(zhuǎn)換器件實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的元件通常是發(fā)光二極管或激光二極管。1/8/202444激光二極管的外形

激光二極管芯片1/8/202445激光二極管的與發(fā)光二極管的帶寬及效率的比較單模光纖必須采用能發(fā)射單一光譜的激光二極管，它在傳導(dǎo)過程中的發(fā)散損耗較小，穩(wěn)定性較高。1/8/202446光纖的損耗

光纖在傳輸信號(hào)的過程中損耗應(yīng)盡量小且穩(wěn)定。在某些波長(zhǎng)上，光纖的損耗非常小。可選擇適當(dāng)波長(zhǎng)的電光轉(zhuǎn)換元件與之匹配。

1/8/202447專用的光纖連接頭及光纖插座光纖與電光轉(zhuǎn)換元件耦合時(shí)，兩者的軸心必須嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)并固定，可使用專用的連接頭及光纖插座來完成。1/8/202448光纖傳感器光纖傳感器就是將光纖自身作為敏感元件〔也稱作測(cè)量臂〕，直接接收外界的被測(cè)量。被測(cè)量可引起光纖的長(zhǎng)度、折射率、直徑等方面的變化，從而使得在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獗徽{(diào)制。假設(shè)將光看成簡(jiǎn)諧振動(dòng)的電磁波，那么光可以被調(diào)制的參數(shù)有四個(gè)，即振幅〔強(qiáng)度〕、相位、波長(zhǎng)和偏振方向。

1/8/202449光纖液位傳感器

1/8/202450保護(hù)管內(nèi)為高溫光纖低溫光纖光纖溫度傳感器1/8/202451光纖式光電開關(guān)反射型遮斷型反射鏡反射型1/8/202452光纖式光電開關(guān)應(yīng)用標(biāo)志孔電路板標(biāo)志檢測(cè)當(dāng)光纖發(fā)出的光穿過標(biāo)志孔時(shí)，假設(shè)無反射，說明電路板方向放置正確。光纖耦合器傳輸光纖出射光纖1/8/202453光纖式光電開關(guān)應(yīng)用遮斷型光纖光電開關(guān)出射光纖接收光纖1/8/202454光纖式光電開關(guān)應(yīng)用

采用遮斷型光纖光電開關(guān)對(duì)IC

芯片引腳進(jìn)行檢測(cè)1/8/202455光纖的其他應(yīng)用軍用光纖陀螺：

將激光射入繞成線圈的光纖，當(dāng)線圈的底座隨運(yùn)動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以測(cè)得出射光的相位發(fā)生變化，它的靈敏度比機(jī)械陀螺高，無機(jī)械磨擦力。光纖內(nèi)窺鏡1/8/202456第四節(jié)：三、CCD圖像傳感器CCD全稱電荷耦合器件，它具備光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ埽哂屑啥雀?、功耗小、分辨力高、?dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。CCD圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于生活、天文、醫(yī)療、電視、、通信以及工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1/8/202457〔一〕CCD的根本工作原理一個(gè)完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位存放器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD工作時(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)，光敏元對(duì)光信號(hào)進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏元的電荷量。取樣結(jié)束后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位存放器相應(yīng)單元中。移位存放器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的作用下，將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號(hào)可接到示波器、圖象顯示器或其他信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備中，可對(duì)信號(hào)再現(xiàn)或進(jìn)行存儲(chǔ)處理。

1/8/202458MOS電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片CCD光敏元顯微照片CCD讀出移位存放器的數(shù)據(jù)面顯微照片1/8/202459

彩色CCD顯微照片〔放大7000倍〕1/8/202460〔二〕CCD圖像傳感器的分類1.線陣CCD外形

1/8/2024612.面陣CCD

面陣CCD能在x、y兩個(gè)方向都能實(shí)現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像。

1/8/202462面陣CCD外形〔續(xù)〕200萬和1600萬像素的面陣CCD

1/8/202463面陣CCD外形〔續(xù)〕

1/8/202464面陣CCD外形〔續(xù)〕

1/8/202465〔三〕CCD的根本特性參數(shù)CCD的根本特性參數(shù)有：光譜響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍、信噪比、CCD芯片尺寸等。在CCD像素?cái)?shù)目相同的條件下，像素點(diǎn)大的CCD芯片可以獲得更好的拍攝效果。大的像素點(diǎn)有更好的電荷存儲(chǔ)能力，因此可提高動(dòng)態(tài)范圍及其他指標(biāo)。1/8/202466〔四〕CCD圖像傳感器的應(yīng)用線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用

1/8/202467線陣CCD在圖像掃描中的應(yīng)用

線陣CCD攝像機(jī)可用于彩色印刷中的套色工藝監(jiān)控

風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星可以對(duì)地球上空的云層分布進(jìn)行逐行掃描1/8/202468線陣CCD用于字符識(shí)別1/8/202469CCD數(shù)碼照相機(jī)

數(shù)碼相機(jī)簡(jiǎn)稱DC，它采用CCD作為光電轉(zhuǎn)換器件，將被攝物體的圖像以數(shù)字形式記錄在存儲(chǔ)器中。數(shù)碼相機(jī)從外觀看，也有光學(xué)鏡頭、取景器、對(duì)焦系統(tǒng)、光圈、內(nèi)置電子閃光燈等，但比傳統(tǒng)相機(jī)多了液晶顯示器〔LCD〕，內(nèi)部更有本質(zhì)的區(qū)別，其快門結(jié)構(gòu)也大不相同。

1/8/202470CCD用于圖像記錄

1/8/202471數(shù)碼相機(jī)的外形1/8/202472三基色別離原理CCD數(shù)碼照相機(jī)的結(jié)構(gòu)1/8/202473數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)解剖

〔索尼F828〕CCD1/8/202474CCD數(shù)碼顯微鏡拍攝的金屬外表顯微照片1/8/202475CCD數(shù)碼攝像機(jī)

1/8/202476CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器是采用互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體工藝制作的另一類圖像傳感器，簡(jiǎn)稱CMOS?，F(xiàn)在市售的視頻攝像