传感器与检测技术第10章CCD固态图像传感器(1)
固态图像传感器
当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子 产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流 子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集 在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的 光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。 光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射方式。
CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输 出两种。 以电压输出型为例： 有浮置扩散放大器（FDA）、 浮置栅放大器（FGA）。浮置栅放大器（FGA）应用 最广。
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D的特性参数
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D的特性参数
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D的特性参数
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第13章
固态图像传感器
CCD固态图像传感器 线阵CCD型 面阵CCD型
P1 P2 P3 P1 P3 P1 P2 P3 t=t0 P1 P2 P2 P3 t=t1 P1
P1
P2 P2
P3 P3
P1
P2 P3 t=t2
P1 P2
P3 t=t3
（4）光信号的注入
CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入 两种，在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传 来的光信号，即采用光注入CCD。
电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。 也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明 控制电荷定转移的过程。见图
三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极 P1,P2,P3,依次 在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。 CCD 电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图 (b) 采 用电注入方式。
第13章
固态图像传感器
CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述 内部参数：描述的是CCD存储和转移信号电 荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据； 外部参数：描述的是与CCD应用有关的性能 指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移 损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、 分辨率等。
第10章CCD固态图像传感器(1)_重庆大学_广西大学_传感器与检测技术_课件
条形码扫描器
10.4 CCD图像传感器的应用
广西大学电气工程学院
夏普公司新推出的名为RJ21V3BA0ET的8兆象素的 CCD传感器产品
10.4 CCD图像传感器的应用
广西大学电气工程学院
光学指纹采集头
闭路电视摄像头
第十章 CCD传感器 本章小结：
广西大学电气工程学院
1.工作原理
2.基本特性参数
广西大学电气工程学院
传感器与检测技术
广西大学电气工程学院
制作
传感器与检测技术
广西大学电气工程学院
第十章 固态图像传感器
1.了解CCD传感器工作原理及特性
2.了解传感器的应用
第十章 CCD传感器 10.1 CCD的工作原理
广西大学电气工程学院
CCD是由以阵列形式排列在衬底材料上的金属－氧
化物－半导体（MOS）电容器件组成，具有光生电荷、 积蓄和转移电荷的功能。 MOS光敏元的结构： 在半导体(P型硅)基片 上形成一种氧化物(如 二氧化硅)，在氧化物 上再沉积一层金属电 极，以此形成一个金 属-氧化物-半导体结 构元 (MOS)。
10.1 CCD的工作原理
光线
广西大学电气工程学院
势阱
一个MOS光敏元称为一个像素，通常的CCD器 件是在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立排列 规则的MOS光敏元，称为光敏元阵列——光电转换。
第十章 CCD传感器 10.2 CCD图像传感器
广西大学电气工程学院
在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如 果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则 这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光 生电荷图像。
光电转换
电荷暂存
CCD
FT-CCD
传感器与检测技术-ppt课件第十章[1]
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执行机构C
转速传感器N
轴N
执行机构N
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10.3.4 传感器在伺服控制系统中的应用概述
伺服控制系统原理示意图
传感器
控制命令 控制器
驱动器
执行电动机
输出量 控制对象
传感器
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10.3.4 传感器在伺服控制系统中的应用概述
1. 开环控制数控机床
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第10章 传感器在工业中的应用
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引言
传感器作为获取信息的敏感元件，在现代信息社 会中扮演着越来越重要的作用。如果把一台工业 设备比拟做一个人的话，那么毫不夸张地说，传 感器就应该是他的眼睛。信息的采集通过传感器 来完成，传感器的正确使用与否直接关系到工业 设备能否正常运行。传感器的精度、稳定性直接 关系到系统的性能好坏。由此可见，作为现代信 息技术的三大基础之一的传感器技术，与通信技 术和计算机技术一样在信息社会中扮演者无可替 代的作用。
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10.3 传感器在工业中的应用概述
随着电子计算机、生产自动化、航空、 遥测、遥感等科学技术的发展，对传感 器的需求量与日俱增，其应用领域已渗 入到社会的各个领域，并起着巨大的作 用。下面仅将传感器在一些主要领域中 的应用作以简介。
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10.3.1 传感器在航天工业中的应用概述
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10.1 传感器测试系统简介
3. 测试软件的编写
便于测试数据的分析和显示，需要编
写专门的软件读取测试系统采集的数据， 并加以显示。测试软件中还可以加入信号 处理模块，以便数据的分析和处理。
CCD图像传感器详解备课讲稿
C C D图像传感器详解CCD图像传感器CCD（Charge Coupled Device）全称为电荷耦合器件，是70年代发展起来的新型半导体器件。
它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。
它具有光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存贮和处理等方面得到了广泛的应用。
CCD图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。
实验室用的数码相机、光学多道分析器等仪器，都用了CCD作图象探测元件。
一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。
CCD工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。
取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。
移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。
将输出信号接到示波器、图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。
由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所以它的图象分辨率很高。
一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，其结构如图1所示。
以P型硅为例，在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在收集于网络，如有侵权请联系管理员删除收集于网络，如有侵权请联系管理员删除SiO 2 上淀积一层金属为栅极，P 型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO 2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。
于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，剩下的带负电的少数载流子在紧靠SiO 2层形成负电荷层（耗尽层），电子一旦进入由于电场作用就不能复出，故又称为电子势阱。
《固态图像传感器》课件
C M O S 图像传感器的工作原理
1
曝光
光线通过镜头进入传感器，被转换为电荷。
2
读出
将电荷转换为电压信号，并通过AD转换器进行数字化处理。
C M O S 图像传感器的特点
1 集成度高
由于CMOS传感器采用集成电路制造技术，可集成更多的功能。
2 功耗低
CMOS传感器相较于CCD传感器功耗更低，适合移动设备和无线摄像。
CMOS
CMOS图像传感器采用集成电路制造技术，具有高集成度、低功耗和成本低等优势。
其他类型
除了CCD和CMOS，还有其他类型的固态图像传感器，如BSI、ToF等。
C C D 图像传感器的工作原理
1
暗电流
CCD图像传感器在暗环境下会产生一定的
曝光
2
暗电流，需要进行去噪处理。பைடு நூலகம்
光线通过镜头进入传感器，被转换为电
3 成本低
CMOS传感器的制造成本相对较低，能够为消费者提供更实惠的选择。
小结
C C D 和C M O S 图像传感器的区别
CCD具有低噪声和大动态范围，而CMOS集成度 高且功耗低。
应用领域
CCD适用于高要求的摄影和工业应用，CMOS广 泛用于手机、摄像头等消费电子产品。
《固态图像传感器》PPT 课件
本课程将介绍固态图像传感器的原理、类型和特点，以及CCD和CMOS图像传 感器的区别和应用领域。
什么是固态图像传感器？
固态图像传感器是一种用于将光信号转换为电信号的装置。它具有高感光度、 快速响应和准确捕捉细节等特点。
固态图像传感器的类型
CCD
CCD图像传感器通过光电转换实现图像捕捉，具有低噪声、高动态范围和全局快门等特点。
传感器与检测技术(填空)
传感器1. 因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K 0, α0, βs ）以及被测试件线膨胀系数βg 有关。
2 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。
1) 电阻温度系数的影响2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响3. 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。
5.注意补偿条件：① 在应变片工作过程中，保证R3=R4② R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K 和初始电阻值R0。
③ 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相④ 两应变片应处于同一温度场。
6.电桥平衡条件：欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。
直流电桥平衡条件:R1R4=R2R3.7.电压灵敏度的物理意义：① 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； ② 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n 的函数，恰当地选择桥臂比n 的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。
7. 当E 值确定后，n=1时才能使KU 最高。
即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有 U0=E *△R1/4R1(单臂)8.结论：当电源电压E 和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时， 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。
9.减小和消除非线性误差的方法：①提高桥臂比；②采用差动电桥{公式P29非线性误差}10.半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电桥相邻桥臂。
可知：Uo 与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。
U0=E*△R1/2R1(R1=R2=R3=R4, △R1=△R2)11.全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变(1.4拉)，两个受压应变（2.3压），将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。
16.智能传感器10-1教学教案
参考教材
『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。
固态图像传感器
❖ CCD（Charge-coupled Device）
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数 字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素。 CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将 影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个 小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
实例分析
以数码相机为例分解CCD，基本结构为三层 ：
❖ 第一层是“微型镜头” ❖ 第二层是“分色滤色片”
CCD Camera
Filters
Lens
❖ 第三层“感光层”
UV/UwVh/iwtehiteepeipi illumilliunmatiino像的关键是在于其感光层，为了 扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受 光面积。但是提高采光率的办法也容易使画 质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光 层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因 为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜 片的表面积来决定。
•多数CCD可堆积 85K个电荷
•高品质的CCD可堆 积350K个电荷
•影响灵敏度的一个 因数
•衡量动力学范围的 一个因素
CCD动力学范围
-描述从CCD像素值中可以得到多少数量的灰 度级别的一个术语
-用来表示饱和电压（最大输出级别）与摄像 头随机噪音的比率
CCD像素合并
像素合并（Binning） -将相临的像素所堆积的电荷
• 背照式CCD比前照式CCD 有更好的量子效率
• 多数衡量QE高低是在 425nm波长
固态图像传感器
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输出栅下的势阱
反向偏置二极管产源自ID使得A点的电位变化，反应注入到二极管电荷量的大小
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CCD摄像原理
光束通过电极或电极之间进 入半导体，所激发的光电子
数与光的强度和积分时间的
长短有关。于是光强分布图
就变成了CCD势阱中光子电
荷量分布图。
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CCD摄像器件的应用
CCD摄像器件具有体积小，重量轻，功耗小，工作电压低 和抗烧毁等优点，且具有分辨率，灵敏度，动态范围，实 时传输等优越性，其在民用和军用领域都发挥着重要作用。
固态图像传感器 （CCD光电耦器件)
CCD是一个具有光电转换、信息存储，延时 和将电信号按顺序传送的传感器。
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CCD光电耦器件在军事领域的应用： 卫星侦查，导弹制导，潜水艇潜望镜水平扫描摄像机
。
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信号电荷的存贮 CCD基本工作原理
信号电荷的传输
信号电荷的检测
基本功能：电荷的存贮和转移 特点：以电荷作为信号
度成正比。
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二、信号电荷的传输
势阱产生 势阱合并 电荷转移 移 势阱及电荷转移一个位置
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电荷共有
电荷转
三、信号电荷的检测（输出方式）
以电流输出方式为例 由检测二极管（n+区）、
二极管偏置电阻、源级输出
放大器和复位场效应管构成。
CR2下的势阱 生电流 ID Qs =IDdt
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一、信号电荷的存贮
当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅 区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很 低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作 用下产生电子—空穴对， 空穴被电场作用排斥出 耗尽区，而电子被附近 势阱（俘获），此时势 阱内吸的光子数与光强
传感器与检测技术-教案
传感器与检测技术-教案第一章：传感器概述1.1 教学目标了解传感器的定义、分类和作用理解传感器的基本原理和特性掌握传感器的选用和安装方法1.2 教学内容传感器的定义和分类传感器的基本原理和特性传感器的选用和安装方法1.3 教学方法讲授传感器的基本概念和分类分析实际案例，讲解传感器的工作原理和特性动手实验，演示传感器的选用和安装方法1.4 教学评估课堂问答，检查学生对传感器定义和分类的理解分析案例，评估学生对传感器工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对传感器选用和安装方法的掌握程度第二章：温度传感器2.1 教学目标了解温度传感器的定义、分类和作用理解温度传感器的基本原理和特性掌握温度传感器的选用和安装方法2.2 教学内容温度传感器的定义和分类温度传感器的基本原理和特性温度传感器的选用和安装方法2.3 教学方法讲授温度传感器的基本概念和分类分析实际案例，讲解温度传感器的工作原理和特性动手实验，演示温度传感器的选用和安装方法2.4 教学评估课堂问答，检查学生对温度传感器定义和分类的理解分析案例，评估学生对温度传感器工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对温度传感器选用和安装方法的掌握程度第三章：压力传感器3.1 教学目标了解压力传感器的定义、分类和作用理解压力传感器的基本原理和特性掌握压力传感器的选用和安装方法3.2 教学内容压力传感器的定义和分类压力传感器的基本原理和特性压力传感器的选用和安装方法3.3 教学方法讲授压力传感器的基本概念和分类分析实际案例，讲解压力传感器的工作原理和特性动手实验，演示压力传感器的选用和安装方法3.4 教学评估课堂问答，检查学生对压力传感器定义和分类的理解分析案例，评估学生对压力传感器工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对压力传感器选用和安装方法的掌握程度第四章：流量传感器4.1 教学目标了解流量传感器的定义、分类和作用理解流量传感器的基本原理和特性掌握流量传感器的选用和安装方法4.2 教学内容流量传感器的定义和分类流量传感器的基本原理和特性流量传感器的选用和安装方法4.3 教学方法讲授流量传感器的基本概念和分类分析实际案例，讲解流量传感器的工作原理和特性动手实验，演示流量传感器的选用和安装方法4.4 教学评估课堂问答，检查学生对流量传感器定义和分类的理解分析案例，评估学生对流量传感器工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对流量传感器选用和安装方法的掌握程度第五章：位移传感器5.1 教学目标了解位移传感器的定义、分类和作用理解位移传感器的基本原理和特性掌握位移传感器的选用和安装方法5.2 教学内容位移传感器的定义和分类位移传感器的基本原理和特性位移传感器的选用和安装方法5.3 教学方法讲授位移传感器的基本概念和分类分析实际案例，讲解位移传感器的工作原理和特性动手实验，演示位移传感器的选用和安装方法5.4 教学评估课堂问答，检查学生对位移传感器定义和分类的理解分析案例，评估学生对位移传感器工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对位移传感器选用和安装方法的掌握程度第六章：光学传感器6.1 教学目标了解光学传感器的定义、分类和作用理解光学传感器的基本原理和特性掌握光学传感器的选用和安装方法6.2 教学内容光学传感器的定义和分类光学传感器的基本原理和特性光学传感器的选用和安装方法6.3 教学方法讲授光学传感器的基本概念和分类分析实际案例，讲解光学传感器的工作原理和特性动手实验，演示光学传感器的选用和安装方法6.4 教学评估课堂问答，检查学生对光学传感器定义和分类的理解分析案例，评估学生对光学传感器工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对光学传感器选用和安装方法的掌握程度第七章：超声波传感器7.1 教学目标了解超声波传感器的定义、分类和作用理解超声波传感器的基本原理和特性掌握超声波传感器的选用和安装方法7.2 教学内容超声波传感器的定义和分类超声波传感器的基本原理和特性超声波传感器的选用和安装方法7.3 教学方法讲授超声波传感器的基本概念和分类分析实际案例，讲解超声波传感器的工作原理和特性动手实验，演示超声波传感器的选用和安装方法7.4 教学评估课堂问答，检查学生对超声波传感器定义和分类的理解分析案例，评估学生对超声波传感器工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对超声波传感器选用和安装方法的掌握程度第八章：无线传感器网络8.1 教学目标了解无线传感器网络的定义、分类和作用理解无线传感器网络的基本原理和特性掌握无线传感器网络的选用和安装方法8.2 教学内容无线传感器网络的定义和分类无线传感器网络的基本原理和特性无线传感器网络的选用和安装方法8.3 教学方法讲授无线传感器网络的基本概念和分类分析实际案例，讲解无线传感器网络的工作原理和特性动手实验，演示无线传感器网络的选用和安装方法8.4 教学评估课堂问答，检查学生对无线传感器网络定义和分类的理解分析案例，评估学生对无线传感器网络工作原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对无线传感器网络选用和安装方法的掌握程度第九章：传感器信号处理与分析9.1 教学目标了解传感器信号处理与分析的基本概念、方法和作用理解传感器信号处理与分析的基本原理和特性掌握传感器信号处理与分析的方法和技巧9.2 教学内容传感器信号处理与分析的基本概念和方法传感器信号处理与分析的基本原理和特性传感器信号处理与分析的方法和技巧9.3 教学方法讲授传感器信号处理与分析的基本概念和方法分析实际案例，讲解传感器信号处理与分析的基本原理和特性动手实验，演示传感器信号处理与分析的方法和技巧9.4 教学评估课堂问答，检查学生对传感器信号处理与分析的基本概念和方法的理解分析案例，评估学生对传感器信号处理与分析的基本原理和特性的掌握程度实验报告，评估学生对传感器信号处理与分析的方法和技巧的掌握程度第十章：传感器在工程应用中的案例分析10.1 教学目标了解传感器在工程应用中的重要性理解传感器在不同工程领域的应用案例掌握传感器在工程应用中的选型和应用方法10.2 教学内容传感器在工程应用中的重要性传感器在不同工程领域的应用案例传感器在工程应用中的选型和应用方法10.3 教学方法讲授传感器在工程应用中的重要性分析实际案例，讲解传感器在不同工程领域的应用动手实验，演示传感器在工程应用中的选型和应用方法10.4 教学评估课堂问答，检查学生对传感器在工程应用中的重要性的理解分析案例，评估学生对传感器在不同工程领域应用的掌握程度实验报告，评估学生对传感器在工程应用中的选型和应用方法的掌握程度重点和难点解析1. 传感器的基本概念和分类：重点关注传感器定义和分类的理解，以及传感器的功能和作用。
传感器与检测技术讲义第10章半导体传感器
第10章半导体传感器10.1 半导体气敏传感器气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的传感器，而半导体气敏传感器是目前实际使用最多的。
由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此半导体气敏传感器的种类非常多。
目前半导体气敏传感器常用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。
1. 气敏电阻的工作原理气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时，通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成。
金属氧化物半导体分N型半导体，如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等；P型半导体，如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。
为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时还渗入了催化剂，如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。
金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气敏特性。
通常器件工作在空气中，空气中的氧和NO2这样的电子兼容性大的气体，接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷，结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少，使表面电导减小，从而使器件处于高阻状态。
一旦元件与被测还原性气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电阻减小。
该类气敏元件通常工作在高温状态（200～450℃），目的是为了加速上述的氧化还原反应。
例如，用氧化锡制成的气敏元件，在常温下吸附某种气体后，其电导率变化不大，若保持这种气体浓度不变，该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加，尤其在100～300℃范围内电导率变化很大。
显然，半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。
气敏元件的基本测量电路，如图10-1（a）所示，图中E H为加热电源，E c为测量电源，电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化，输出电压（信号电压）由电阻R o上取出。
氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图10-1（b）所示。
传感器与检测技术 宋雪臣 绪论
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目前常用的显示器有四类：模拟显示、数字
显示、图象显示及记录仪等
模拟显 示的特 点：直 观
2013-8-6 14
数字式仪表
数字式仪表 的特点： 准确，但最 后一位经常 跳动不止。
热敏电阻
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LED、LCD的特点：
LED亮度高、耐振动；LCD耗电省、集成度高， 但不利于夜间观察。
玻璃
温度计不属 于本教材所 讲授的传感 器范围。
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能将温度转换为电压的传感器—热电偶
2013-8-6
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2.检测的基本概念
检测就是人们借助于仪器、设备，利用 各种物理效应，采用一定的方法，，将 客观世界的有关信息通过检查与测量获 取定性信息的认识过程。 核心部件就是传感器 两个方面：检查获取定性信息，测量获 取定量信息。
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通过本课程的学习需达到以下几点要求： （1）掌握常用传感器的工作原理、结构、性 能，并能正确选用。 （2）熟悉测量误差的基本知识、传感器的基 本转换电路和信号处理方法。 （3）了解传感器的基本概念和自动检测系统 的组成，对常用检测系统应具有一定的分析与 维护能力。 （4）对工业生产过程中主要工艺参数的测量 能提出合理的检测方案，具有正确选用传感器 及测量转换电路组成实用检测系统的初步能力。
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休 息 一 下！
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5.检测技术的发展趋势
不断拓展测量范围，努力提高检测精度 和可靠性。 传感器逐渐向集成化、组合化、数字化 方向发展。 重视非接触式检测技术研究 检测系统智能化
传感器与检测技术 (胡向东 刘京诚 著) 机械工业出版社 课后答案
第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。
人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。
9．解：10.解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度0.68,线性度±7%。
，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。
微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。
17．答：⑴20。
C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350kΩ。
V0在48.78～67.63mV之间变化。
⑵如果R2=10MΩ，R3=250kΩ，20。
C时，V0在0～18.85mV之间变化。
30。
C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。
⑶20。
C时，V0为0～18.85mV，30。
C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。
但相对（2）得情况来说有很大的改善。
18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz,RS=1kΩ,VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V 第3章应变式传感器概述习题答案9.答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。
11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。
因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。
《传感器原理及检测技术》课程教学大纲
2
实验
2
实验报告
17
实验2.
实验2.传感器综合性检测实验
多传感器的综合检测实验，制订多源实时数据传输和控制协议，实现宿主机对多传感器的数据获取和实时控制检测
M2,M4
4
实验
2
实验报告
18
实验3.
实验3.传感器探究性应用实验
（1）实验准备阶段：查阅所使用的传感器的DataSheet资料和应用案例，复习单片机和编程工具的相关操作，确定应用场景并给出其原理框图，准备开题表。
M1
2
讲授
3
自学/作业
11
第9章
第9章热电式传感器
热电传感器工作原理，结构与测量电路，热敏电阻的导电机理，结构，特性与主要参数，测量电路及应用，热释电型温度传感器、半导体集成温度传感器介绍。
M1
3
讲授
3
自学/作业
12
第10章
第10章光电式传感器
光电式传感器的工作原理及基本组成，内光电效应、外光电效应，光敏二极管，光敏三极管，光电池等。
44
适用专业
物联网工程
授课语言
中文
先修课程
电路与模拟电子技术、数字逻辑电路
课程简介
（必修）
《传感器原理及检测技术》是物联网工程专业的一门专业课程。本课程主要研究各类传感器的机理、结构、测量电路和应用方法，内容包括传感器的基本概念及特性、电阻应变式传感器、电容传感器、压电式传感器、压阻式传感器、热电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、化学传感器、信号的放大调理及变换电路、传感器与微机接口技术等。课程特点是概念多、涉及面广、实用性强，是一门综合技术应用课程。
（2）实验实施阶段：要求结合应用场景和选择的传感器/单片机结合起来，形成一个具备一定应用价值的最小传感器系统。在这个过程中系统方案不限，硬件连接方式和软件环境配置不限，可以附加的自选动作不限。
第十章 固态图像传感器
固态图像传感器(solid state imaging sensor)是指 固态图像传感器 是指 在同一半导体衬底上生成若干个光敏单元与 位移寄存器构成一体的集成光电器件,其功能 位移寄存器构成一体的集成光电器件 其功能 是把按空间分布的光强信息转换成按时序串 行输出的电信号. 行输出的电信号 CCD —电荷耦合器件 电荷耦合器件(charge coupled device)是 电荷耦合器件 是 其中应用最广泛的一种. 其中应用最广泛的一种 一 CCD的基本结构 的基本结构 MOS(金属 氧化物 半导体 阵列 金属-氧化物 半导体)阵列 金属 氧化物-半导体
单元结构
+ 金属电极 SiO2绝缘层 耗尽区(势阱 耗尽区 势阱) 势阱 P型Si衬底 型 衬底 光线
二 CCD的工作原理 的工作原理 1.信号电荷的注入 信号电荷的注入 2.信号电荷的转移 信号电荷的转移 3.信号电荷的读出 信号电荷的读出 Φ1
Φ2
Φ3 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8
转移栅 (控制脉冲 T) 控制脉冲Φ 控制脉冲
1024单元 单元 14mFra bibliotek 14m × 二相时钟(5V) 二相时钟
�
三 CCD图像传感器的结构 图像传感器的结构 1. LCCD图像传感器 图像传感器 MOS光敏元线阵 转移栅 读出移位寄存器 光敏元线阵,转移栅 光敏元线阵 转移栅,读出移位寄存器 感光区(偏置脉冲 感光区 偏置脉冲ΦG) 偏置脉冲
移位寄存器(移位脉冲 移位寄存器 移位脉冲Φ1 Φ2 Φ3) 移位脉冲
传感器与检测技术第10章
质量式流量检测方法有两种，一种是根据质量 流量与体积流量的关系，测出体积流量再乘被 测流体的密度的间接质量流量检测；另一种是 直接测量流体质量流量的方法
（4）物位检测
直读式：它根据流体的连通性原理来测量液位； 浮力式：它根据浮子高度随液位高低而改变（恒浮力式）或液体
速度检测
定义法 加速度积分法或位移微分法 利用物理参数测量速度 多普勒效应测速度
振动检测
差动变压器法 电涡流法 应变片法 压电效应法
厚度检测
厚度检测属于长度测量，很多情况下可以用测 长度或测位移的方法或技术来实现，如直接利 用厚度参数来调制传感器的输出信号，这是测 绝对厚度，如低频透射式电涡流测厚法、超声 波测厚法、微波测厚法、核辐射测厚法等
活塞式 浮球式
将被测压力转换成电阻量、 电感量、电容量、频率 量等电学量
电阻式 电感式 电容式
压电法
压阻式 压电式
应变式
振频式
霍尔式
测压范围 /kPa
-10～10 -2.5～2.5 -102～102
-102～106 -102～103 -102～102 0～102 0～106 0～104 -102～104 0～105 0～104 0～105 0～104 -102～104 0～104 0～104
利用许多化合物的分子在红外波段都有吸收带，气体种类不同，吸收带所在 的波长和吸收的强弱也各不相同
浓度的检测
电导法是进行液体浓度测量的一种常用方法， 它是基于电解质溶液的成分以及浓度的不同可 引起不同的导电率的原理来进行测量的
对于一种确定成分的电解质溶液，其电导率跟 浓度的关系是：在低浓度区域，随浓度的增大， 溶液的电导率也增大，两者近似为线性关系； 在高浓度区域，随浓度的增大，溶液的电导率 减小，两者也近似成线性关系
传感器与检测技术高教ppt3版第十章电子课件
静电电容耦合是两个电路间存在寄生电容，干扰
信号通过寄生电容耦合。
•
U
N
C C j
12
12
j 1 RC12
CC22U• 1
一般情况下，有R<<1/（C12+C2），故上式可进一步
简化为
U jRC12U1
10.4 干扰信号的耦合方式
图所示为静电电容耦合的原理图。
10.4 干扰信号的耦合方式
求而定）。
10.1 非线性补偿技术
2、闭环式非线性反馈补偿
（1）解析计算法
传感器的输出—输入关系的解析表达式为 放大器的输出—输入关系解析表达式为 整个测量系统的刻度特性为
根据框图可知
u u1 u f
非线性特性解析表达式
u1 f1 (x)
uo Ku
uo Sx
uf
f1
uo S
uo K
10.1 非线性补偿技术
感器输出电压为纵坐标。
② 将放大器的线性特性曲线u2 = KU1画在第Ⅱ 象限，放大器的输入u1为纵坐标，放大器的输出 u2为横坐标。 ③ 将整个测量系统的输出 — 输入特性曲线uo = S x画在第Ⅲ象限，该象限的横坐标仍为被测 量x，纵坐标为整个仪表输出u o。 ④ 将x轴分成1、2、3 … n段（段数n由精度要
在某一输入量x下，由温度变化引起的仪表输出变化为
ST
da0 (T ) dT
da1(T ) x dT
da0 (T ) xn dT
即近似地把系统看成是线性系统
y a0 (T ) a1(T )x
ST
da0 (T ) dT
da1(T ) dT
x
10.2 温度补偿技术
10.2.2 温度补偿方式
CCD固态图像传感器传感器课件
CCD固态图像传感器的性能直接影响到成像的质量。其分辨率、灵敏度、动态范围等参数决定了图像的清晰度、色彩 准确性和细节表现。
在自动化和机器人领域的应用
随着自动化和机器人技术的快速发展，CCD固态图像传感器在定位、识别、导航等方面发挥着越来越重 要的作用，推动了相关行业的进步。
技术发展与市场需求的相互促进
市场发展
技术创新推动CCD固态图像传感器市 场不断扩大，应用领域从传统的摄影 和摄像领域拓展到医疗、安全监控、 无人驾驶等新兴领域。
新型应用领域的拓展
医疗领域
随着医疗设备的高端化和智能化，CCD固态图像传感器在 医疗领域的应用越来越广泛，如内窥镜、显微镜和医学影 像诊断等。
安全监控领域
CCD固态图像传感器的高分辨率、低噪声和快速响应等特 点使其成为安全监控领域的理想选择，广泛应用于视频监 控、人脸识别和交通监控等领域。
光子能量与电子-空穴对数量关系
光子能量越高，产生的电子-空穴对数量越多，从而在像素中形成更多的电荷。
光电转换效率
不同波长的光线具有不同的光电转换效率，因此CCD传感器对不同颜色的敏感度不同。
信号电荷的产生与转移
01
02
03
信号电荷的产生
在光电转换过程中，电子空穴对被半导体材料捕获 并形成信号电荷。
低噪声性能
总结词
CCD固态图像传感器具有低噪声性能，能够降低图像中的随机噪声和干扰，提高 图像的信噪比和稳定性。
详细描述
CCD固态图像传感器采用电荷耦合技术，能够有效地将信号电荷传输到放大器中 ，避免了传统传感器中的热噪声和散粒噪声等问题。此外，其低噪声性能还能够 在高帧频下实现连续稳定的图像采集。
未来挑战
CCD的应用(CCD固态图像传感器)
CCD的应用（CCD固态图像传感器）电荷耦合器件用于固态图像传感器中, 作为摄像或像敏的器件。
CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。
感光部分是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元组成的阵列元件, 光敏单元简称“像素”。
固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”, 即将光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布, 然后利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像”转送, 经输出放大器输出。
根据光敏元件排列形式的不同, CCD固态图像传感器可分为线型和面型两种。
（1）线型CCD图像传感器线型CCD图像传感器结构如图8 - 21 所示。
光敏元件作为光敏像素位于传感器中央, 两侧设置CCD移位寄存器, 在它们之间设有转移控制栅。
在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极, 在光积分周期里, 光敏电极电压为高电平,光电荷与光照强度和光积分时间成正比, 光电荷存储于光敏像敏单元的势阱中。
当转移脉冲到来时, 光敏单元按其所处位置的奇偶性, 分别把信号电荷向两侧移位寄存器转送。
同时, 在CCD移位寄存器上加上时钟脉冲, 将信号电荷从CCD中转移, 由输出端一行行地输出。
线型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息, 不能直接将二维图像转变为视频信号输出, 为了得到整个二维图像的视频信号, 就必须用扫描的方法来实现。
线型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。
（2）面型CCD图像传感器按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列, 即可以构成面型CCD图像传感器。
面型CCD图像传感器有三种基本类型: 线转移、帧转移和隔列转移, 如图8 - 22 所示。
图8 - 22（a）为线转移面型CCD的结构图。
它由行扫描发生器、感光区和输出寄存器组成。
行扫描发生器将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上, 驱动脉冲将信号电荷一位位地按箭头方向转移, 并移入输出寄存器, 输出寄存器亦在驱动脉冲的作用下使信号电荷经输出端输出。
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10.4 CCD图像传感器的应用
零件尺寸的在线检测
10.4 CCD图像传感器的应用
邮政编码识别
10.4 CCD图像传感器的应用
钢板尺寸的在线检测
10.4 CCD图像传感器的应用
10.4 CCD图像传感器的应用
条形码扫描器
10.4 CCD图像传感器的应用
夏普公司新推出的名为RJ21V3BA0ET的8兆象素的 CCD传感器产品
10.4 CCD图像传感器的应用
光学指纹采集头
闭路电视摄像头
第十章 CCD传感器 本章小结：
1.工作原理
2.基本特性参数
3.图像传感器的应用
5.均匀性：光敏单元对光强度响应的一致性。
第十章 CCD传感器 10.4 CCD图像传感器及其应用
特点: (1) 非接触检测; (2) 响应快; (3) 可靠性高,维修简便; (4) 测量精度高; (5) 体积小,重量轻; 容易与计算机连接 (6) 对被测物体需要强光照射; (7) 受被测物体以外的光的影响.
线阵CCD图像传感器 直线排列的光敏单元（光电转换） 转移栅（转移光生电荷） 读出移位寄存器（驱动脉冲作用——输出视频信号）
10.2 CCD固态图像传感器
转移效率高
10.2 CCD固态图像传感器
面阵CCD图像传感器
——光敏单元按二维矩阵排列组成光敏区
场 传 输 面 阵 结 构
光电转换
电荷暂存
传感器与检测技术
制作
传感器与检测技术
第十章 固态图像传感器
1.了解CCD传感器工作原理及特性
2.了解传感器的应用
第十章 CCD传感器 10.1 CCD的工作原理
CCD是由以阵列形式排列在衬底材料上的金属－氧
化物－半导体（MOS）电容器件组成，具有光生电荷、 积蓄和转移电荷的功能。 MOS光敏元的结构： 在半导体(P型硅)基片 上形成一种氧化物(如 二氧化硅)，在氧化物 上再沉积一层金属电 极，以此形成一个金 属-氧化物-半导体结 构元 (MOS)。
10.1 CCD的工作原理
光线
势阱
一个MOS光敏元称为一个像素，通常的CCD器 件是在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立排列 规则的MOS光敏元，称为光敏元阵列——光电转换。
第十章 CCD传感器 10.2 CCD图像传感器
在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如 果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则 这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光 生电荷图像。
CCD
FT-CCD
Байду номын сангаас输出视频信号
10.2 CCD固态图像传感器
行 间 传 输 面 阵 结 构
CCD
IT-CCD:电荷转移级数大大减少
第十章 CCD传感器 10.3 CCD的基本特性参数
1.响应度：光电转换效率 2.光谱特性：响应度与入射光频率或波长的关系（光
谱峰值）
3.暗电流：无光信号时的输出电流——图像噪声 4.分辨率：常用光敏单元数表示，像元越多分辨率越 高；实际分辨率还与CCD光敏单元数的中心间距、 光学系统的放大率有关 。