1、第第5 5章章 特殊特殊传感器传感器 5.1 颜色与图像颜色与图像传感器传感器 5.2 辐射传感器辐射传感器 5.3 新型传感器新型传感器 5.1 颜色与图像颜色与图像传感器传感器第第5章章 特殊传感器特殊传感器 双结光电二极管的双结光电二极管的P P+-N-N结为浅结结为浅结,N-P,N-P结结为深结。当光线照射为深结。当光线照射时，时，P P+、N N、P P三个区三个区域及其间的势垒区均域及其间的势垒区均有光子吸收，但吸收有光子吸收，但吸收效率不同。效率不同。5.1.1 色敏光电传感器色敏光电传感器 在不同波长的光照在不同波长的光照射下，深结的短路电射下，深结的短路电流流I ISD2SD
2、2与浅结的短路与浅结的短路电流电流I ISD1SD1的比值，确的比值，确定它与入射单色光波定它与入射单色光波长的关系。长的关系。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.1 颜色与图像颜色与图像传感器传感器 5.1.1 色敏光电传感器色敏光电传感器 具体使用时，应具体使用时，应首先对该色敏器件首先对该色敏器件进行标定，根据标进行标定，根据标定曲线，实测出某定曲线，实测出某一单色光的短路电一单色光的短路电流比值，即可确定流比值，即可确定该单色光的波长。该单色光的波长。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.1 颜色与图像颜色与图像传感器传感器 5.1.1 色敏光电传感器色敏光电传感器 5.1 颜色与图像颜
3、色与图像传感器传感器 5.1.2 光固态图像传感器光固态图像传感器 第第5章章 特殊传感器特殊传感器第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.1 颜色与图像颜色与图像传感器传感器 5.1.2 光固态图像传感器光固态图像传感器 光敏元件聚集光电荷，进行光积分。转移光敏元件聚集光电荷，进行光积分。转移栅上的电压，控制各光敏元件中所积累的光电栅上的电压，控制各光敏元件中所积累的光电荷并行地转移到移位寄存器中。荷并行地转移到移位寄存器中。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.1 颜色与图像颜色与图像传感器传感器 5.1.2 光固态图像传感器光固态图像传感器 行扫描电路将光行扫描电路将光敏元件内的信息转移到敏元
4、件内的信息转移到水平（行）方向上，由水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。路转换为视频图像信号。结构简单，但易模糊。结构简单，但易模糊。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.1 颜色与图像颜色与图像传感器传感器 5.1.2 光固态图像传感器光固态图像传感器 增加了具有公共水平增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息方向电极的不透光的信息存储区。每次总是将存储存储区。每次总是将存储区最底部一行的电荷信号区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电移到水平读出器，该行电荷在读出
5、移位寄存器中向荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。右移动以视频信号输出。单元密度高且电极简单。单元密度高且电极简单。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.1 颜色与图像颜色与图像传感器传感器 5.1.2 光固态图像传感器光固态图像传感器 感光元件与感光元件与存储元件相隔排存储元件相隔排列。感光区光敏列。感光区光敏元件积分结束时，元件积分结束时，转移控制栅打开，转移控制栅打开，电荷信号进入存电荷信号进入存储区。储区。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.1 颜色与图像颜色与图像传感器传感器 5.1.2 光固态图像传感器光固态图像传感器 具有操作简具有操作简单、感光单元面单、感光单元面积减小、
6、图像清积减小、图像清晰等优点，是目晰等优点，是目前用得最多的一前用得最多的一种结构形式。种结构形式。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.1 颜色与图像颜色与图像传感器传感器 5.1.2 光固态图像传感器光固态图像传感器 第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.1 颜色与图像颜色与图像传感器传感器 5.1.2 光固态图像传感器光固态图像传感器 5.2 辐射传感器辐射传感器 5.2.1 红外辐射传感器红外辐射传感器 根据热电效应和光子效应将红外辐射量根据热电效应和光子效应将红外辐射量变化转换成电量变化。变化转换成电量变化。第第5章章 特殊传感器特殊传感器 根据热电效应和光子效应将红外辐射量根据热电效应
7、和光子效应将红外辐射量变化转换成电量变化。变化转换成电量变化。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.2 辐射传感器辐射传感器 5.2.1 红外辐射传感器红外辐射传感器红外线探头与信号处理电路板红外线探头与信号处理电路板 第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.2 辐射传感器辐射传感器 5.2.1 红外辐射传感器红外辐射传感器红外测温仪红外测温仪 红外热像仪红外热像仪红外人体红外人体探测仪探测仪第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.2 辐射传感器辐射传感器 5.2.1 红外辐射传感器红外辐射传感器5.2 辐射传感器辐射传感器 5.2.2 声音传感器声音传感器 声音传感器的工作原理与压力传感器相同，声音传
8、感器的工作原理与压力传感器相同，所不同的是其灵敏度较高，响应速度很快。所不同的是其灵敏度较高，响应速度很快。拾振装置一般是弹性膜片或弹性悬臂梁，拾振装置一般是弹性膜片或弹性悬臂梁，用来敏感声波引起的振动，将振动转化成大用来敏感声波引起的振动，将振动转化成大小随声波振幅变化的压力或位移。小随声波振幅变化的压力或位移。驻极体麦克风驻极体麦克风自学自学 第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.2 辐射传感器辐射传感器 5.2.3 超声波传感器超声波传感器 超声波频率范围在超声波频率范围在1041012Hz，其中常用其中常用的频率在的频率在1043106Hz之间。之间。超声波与声波一样，它在介质中的传播速
9、超声波与声波一样，它在介质中的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。度与介质的密度和弹性特性有关。超声波与其它波一样，也具有反射和折射超声波与其它波一样，也具有反射和折射特性。特性。第第5章章 特殊传感器特殊传感器 横波：质点振动方向垂直于传播方向。横横波：质点振动方向垂直于传播方向。横波只能在固体中传播。波只能在固体中传播。纵波：质点振动方向与传播方向一致。纵纵波：质点振动方向与传播方向一致。纵波能在固体、液体和气体中传播。波能在固体、液体和气体中传播。表面波：质点振动介于纵波与横波之间、表面波：质点振动介于纵波与横波之间、沿介质表面传播。表面波随深度的增加而衰沿介质表面传播。表面波随深度的增
10、加而衰减很快。减很快。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.2 辐射传感器辐射传感器 5.2.3 超声波传感器超声波传感器 超声波传感器一般由超声波发射器（超声超声波传感器一般由超声波发射器（超声波探头）、超声波接收器和信号处理电路等波探头）、超声波接收器和信号处理电路等组成。组成。超声波发射器主要有压电式、电磁式和磁超声波发射器主要有压电式、电磁式和磁致伸缩式等，其中压电式最为常见。致伸缩式等，其中压电式最为常见。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.2 辐射传感器辐射传感器 5.2.3 超声波传感器超声波传感器 压电式超声波发压电式超声波发射器利用压电晶体射器利用压电晶体在交变电流作用下在交变
11、电流作用下产生振荡的原理制产生振荡的原理制成，包括振荡电路成，包括振荡电路和探头。接收器就和探头。接收器就是压电传感器，一是压电传感器，一般采用压电晶体。般采用压电晶体。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.2 辐射传感器辐射传感器 5.2.3 超声波传感器超声波传感器 通过测量接收到反射回波的时间，来进行通过测量接收到反射回波的时间，来进行距离、厚度等物理量的测量；距离、厚度等物理量的测量；根据反射回波的变化，来进行无损探伤；根据反射回波的变化，来进行无损探伤；利用不同介质传播特性的不同，来完成内利用不同介质传播特性的不同，来完成内部形态和运动等的探测任务，如部形态和运动等的探测任务，如A A
12、超、超、B B超和超和心电图等。心电图等。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.2 辐射传感器辐射传感器 5.2.3 超声波传感器超声波传感器 信号处理和计算信号处理和计算 当液体流动时，逆向当液体流动时，逆向超声波在液体中的传播超声波在液体中的传播时间增大而同向减小，时间增大而同向减小，两者之差就反映了液体两者之差就反映了液体的流速。在液体管道截的流速。在液体管道截面积一致的情况下，就面积一致的情况下，就可以得到液体的流量。可以得到液体的流量。T2R2T1R1流量、流速的测量流量、流速的测量第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.2 辐射传感器辐射传感器 5.2.3 超声波传感器超声波传感器 超声
13、波测厚仪超声波测厚仪 超声波距超声波距离传感器离传感器 超声波液位计超声波液位计 超声波探伤仪超声波探伤仪 第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.2 辐射传感器辐射传感器 5.2.3 超声波传感器超声波传感器 5.3 新型传感器新型传感器 5.3.1 光纤传感器光纤传感器 纤芯是由一种玻璃或塑料制成，包层用对光的纤芯是由一种玻璃或塑料制成，包层用对光的折射率不同的另一种玻璃或塑料制成，光纤的导折射率不同的另一种玻璃或塑料制成，光纤的导光能力则取决于纤芯和包层的性质。光能力则取决于纤芯和包层的性质。光纤传感器一般光纤传感器一般采用激光束作为光采用激光束作为光源，分为传光型和源，分为传光型和传感型两
14、大类。传感型两大类。第第5章章 特殊传感器特殊传感器传光型光纤传感器传光型光纤传感器第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.1 光纤传感器光纤传感器 传感型光纤传感器传感型光纤传感器第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.1 光纤传感器光纤传感器 传光型光纤传感器中，光纤只作为光的传播传光型光纤传感器中，光纤只作为光的传播通道，光的传播不连续；待测参数靠调制器进通道，光的传播不连续；待测参数靠调制器进行变换。它对光纤的要求较低，但要用其它敏行变换。它对光纤的要求较低，但要用其它敏感器件作调制器，且需要进行多次光耦合。感器件作调制器，且
15、需要进行多次光耦合。传感型光纤传感器中，光纤不仅传光，其光传感型光纤传感器中，光纤不仅传光，其光学特性（光强、相位、偏振态等）还随外界因学特性（光强、相位、偏振态等）还随外界因素（弯曲、相变等）变化。它不需进行多次光素（弯曲、相变等）变化。它不需进行多次光耦合，但一般要采用特制的光纤。耦合，但一般要采用特制的光纤。两种传感器的特点两种传感器的特点第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.1 光纤传感器光纤传感器 光纤麦克风光纤麦克风 光纤加速度表光纤加速度表 第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.1 光纤传感器光纤传感器 光纤光栅光纤
16、光栅传感器传感器 高速公路光纤高速公路光纤光栅称重仪光栅称重仪 第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.1 光纤传感器光纤传感器 5.3 新型传感器新型传感器 5.3.2 激光探测器激光探测器 激光具有良好的方向性、单色性和相干性。激光具有良好的方向性、单色性和相干性。激光探测器具有测量精度高、范围大、检测激光探测器具有测量精度高、范围大、检测时间短以及非接触式等优点，主要用来测量长时间短以及非接触式等优点，主要用来测量长度、位移、速度、振动等参数。度、位移、速度、振动等参数。激光探测器利用激光作为光源，配以光电元激光探测器利用激光作为光源，配以光电元件，来实现对
17、待测物理量的测量。件，来实现对待测物理量的测量。第第5章章 特殊传感器特殊传感器 激光探测器利用光波的多普勒效应测量流速。激光探测器利用光波的多普勒效应测量流速。散射光的频率散射光的频率相对于入射光会相对于入射光会产生正比于流体产生正比于流体速度的偏移。速度的偏移。dfv 21第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.2 激光探测器激光探测器 激光测距仪激光测距仪第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.2 激光探测器激光探测器 5.3 新型传感器新型传感器 5.3.3 生物分子传感器生物分子传感器 生物传感器：用固定化生物体成分（如酶、
18、生物传感器：用固定化生物体成分（如酶、抗原、抗体、激素等）或生物体本身（细胞、抗原、抗体、激素等）或生物体本身（细胞、细胞体、组织等）作为敏感元件的传感器。细胞体、组织等）作为敏感元件的传感器。生物传感器通常将生物物质固定在高分子膜生物传感器通常将生物物质固定在高分子膜等固体载体上，采用电化学反应测量、热测量、等固体载体上，采用电化学反应测量、热测量、光测量等方法测量出待测的生物分子作用所产光测量等方法测量出待测的生物分子作用所产生相应的变化（电位、热、光等）。生相应的变化（电位、热、光等）。第第5章章 特殊传感器特殊传感器第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.
19、3 生物分子传感器生物分子传感器 密接型密接型酶传感器酶传感器 分离型分离型 酶传感器酶传感器 第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.3 生物分子传感器生物分子传感器 生物传感器芯片生物传感器芯片 把一种新研制把一种新研制的生物传感器芯片的生物传感器芯片和活神经细胞连接和活神经细胞连接起来，读取神经细起来，读取神经细胞产生的电信号。胞产生的电信号。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.3 生物分子传感器生物分子传感器 压电生物传感器芯片压电生物传感器芯片第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.3 生物
20、分子传感器生物分子传感器 UPT生物传感器生物传感器第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.3 生物分子传感器生物分子传感器 5.3 新型传感器新型传感器 5.3.4 超导传感器超导传感器 超导体电阻几乎为零，其中存在两类电子：超导体电阻几乎为零，其中存在两类电子：正常电子和超导电子对。正常电子和超导电子对。正常电子隧道效应：当绝缘层厚度在几百埃正常电子隧道效应：当绝缘层厚度在几百埃以下时，如果在绝缘层两端施加电压，则正常以下时，如果在绝缘层两端施加电压，则正常电子将穿过绝缘层，电路中出现电流。电子将穿过绝缘层，电路中出现电流。正常电子隧道效应除了可以用于放大、振
21、荡、正常电子隧道效应除了可以用于放大、振荡、检波、混频、微波外，还可用于亚毫米波幅的检波、混频、微波外，还可用于亚毫米波幅的量子探测等。量子探测等。第第5章章 特殊传感器特殊传感器 直流约瑟夫逊效应：超导隧道结的绝缘层很直流约瑟夫逊效应：超导隧道结的绝缘层很薄（约为薄（约为1010）时，超导电子也能通过绝缘层，时，超导电子也能通过绝缘层，在隧道结中有电流流过而不产生电压降。在隧道结中有电流流过而不产生电压降。交流约瑟夫逊效应：超导隧道结两端加一直交流约瑟夫逊效应：超导隧道结两端加一直流电压，在隧道结与超导体之间将有高频交流流电压，在隧道结与超导体之间将有高频交流电流通过，其频率与所加直流电压成
22、正比，比电流通过，其频率与所加直流电压成正比，比例常数为例常数为483.6MHz/483.6MHz/V,V,这种高频电流能向外这种高频电流能向外辐射电磁波或吸收电磁波。辐射电磁波或吸收电磁波。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.4 超导传感器超导传感器 利用这种效应可制作高速开关电路、电磁波利用这种效应可制作高速开关电路、电磁波的探测装置、超导量子干涉器件。的探测装置、超导量子干涉器件。超导量子干涉器件与有关电路结合在一起，超导量子干涉器件与有关电路结合在一起，可构成高灵敏度的磁通或磁场的探测仪，或称可构成高灵敏度的磁通或磁场的探测仪，或称为超导量子磁强计。为
23、超导量子磁强计。随着常温超导材料的研究的深入，超导传感随着常温超导材料的研究的深入，超导传感器有望得到更为广泛的使用。器有望得到更为广泛的使用。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.4 超导传感器超导传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.5 智能传感器智能传感器 智能传感器需要具备的条件：智能传感器需要具备的条件：由传感器本身消除异常值和例外值，提供比由传感器本身消除异常值和例外值，提供比传统传感器更全面、更真实的信息；传统传感器更全面、更真实的信息；具有信号处理（温度补偿、线性化等）功能；具有信号处理（温度补偿、线性化等）功能；随机整定和自适应；随机整定
24、和自适应；具有一定程度的存储、识别和自诊断功能；具有一定程度的存储、识别和自诊断功能；内含特定算法并可根据需要改变。内含特定算法并可根据需要改变。第第5章章 特殊传感器特殊传感器 实现智能传感器的主要途径：实现智能传感器的主要途径：传感器与信号处理装置的集成和传感器的功传感器与信号处理装置的集成和传感器的功能集成；能集成；基于新的检测原理和结构；基于新的检测原理和结构；多振动智能传感器在一个硅片上制成多个多振动智能传感器在一个硅片上制成多个微型振动传感器和信号处理器，对较大频率范微型振动传感器和信号处理器，对较大频率范围的振动进行综合测量和分析。围的振动进行综合测量和分析。第第5章章 特殊传感
25、器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.5 智能传感器智能传感器 实现智能传感器的主要途径：实现智能传感器的主要途径：传感器与信号处理装置的集成和传感器的功传感器与信号处理装置的集成和传感器的功能集成；能集成；基于新的检测原理和结构；基于新的检测原理和结构；研制和采用人工智能材料。研制和采用人工智能材料。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.5 智能传感器智能传感器 人工智能材料的基本特征人工智能材料的基本特征：感知环境条件的变化（普通传感器的功能）；感知环境条件的变化（普通传感器的功能）；进行自我判断（处理器功能）进行自我判断（处理器功能）；发出指令和自行采取行动（执行器功能）发出指令和自行采取行动（执行器功能）。第第5章章 特殊传感器特殊传感器5.3 新型传感器新型传感器 5.3.5 智能传感器智能传感器
