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固態(tài)圖像傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為三類:電荷耦合器件(簡(jiǎn)稱CCD)、MOS圖像傳感器(簡(jiǎn)稱SSPA)和電荷注入器件(簡(jiǎn)稱CID)。目前,前兩種用得較多。廣泛用于圖像傳輸與識(shí)別。例如,攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)和機(jī)器人的眼睛等。在本節(jié)中僅說明CCD圖像傳感器的工作原理與特性CCD圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為三類:電荷耦合器件(簡(jiǎn)稱CC1CCD——固態(tài)圖像傳感器體積小、重量輕、析像度高、功耗低、低電壓驅(qū)動(dòng)
線型CCD圖像傳感器
面型CCD圖像傳感器光電器件光像信息電信號(hào)圖像CCD——固態(tài)圖像傳感器線型CCD圖像傳感器面23數(shù)碼相機(jī)攝像機(jī)面型CCD圖像傳感器掃描儀復(fù)印機(jī)線型CCD圖像傳感器3數(shù)碼相機(jī)攝像機(jī)面型CCD圖像傳感器掃描儀復(fù)印機(jī)線型CC3ch09-CCD光纖編碼器課件4數(shù)碼相機(jī)工作原理
A/DMPU內(nèi)存LCDPC卡接口鏡頭CCD模/數(shù)轉(zhuǎn)換微處理器內(nèi)置存儲(chǔ)器液晶顯示器可移動(dòng)存儲(chǔ)器接口數(shù)碼相機(jī)工作原理A/DMPU內(nèi)存LCDPC卡接口鏡頭CCD模5CCD的三層結(jié)構(gòu):
聚光鏡片彩色濾鏡陣列感應(yīng)電路CCD的三層結(jié)構(gòu):
聚光鏡片彩色濾鏡陣列感應(yīng)電路6CCD應(yīng)用專業(yè)CCD攝影實(shí)例(攝影:CP)--更多精彩,盡在finalpresentCCD應(yīng)用專業(yè)CCD攝影實(shí)例(攝影:CP)--更多精彩,盡在7CCD應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域:精密測(cè)量、非接觸無(wú)損檢測(cè)、文件掃描與航空遙感CCD應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域:精密測(cè)量、非接觸無(wú)損檢測(cè)、文件掃描與航空8一.電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件(ChargeCoupleDevice,簡(jiǎn)稱CCD),它將光敏元陣列和讀出移位寄存器集成為一體,構(gòu)成具有自掃描功能的圖像傳感器。它以電荷作為信號(hào),基本功能是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移、輸出。廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量,尤其適用于圖像識(shí)別技術(shù)。一.電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件(Charge91.MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)及原理CCD器件完成對(duì)物體的成像,在其內(nèi)部形成與光像圖形相對(duì)應(yīng)的電荷分布圖形。CCD器件的基本單元結(jié)構(gòu)是MOS(金屬—氧化物—半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)。即在P型硅襯底上生長(zhǎng)一層SiO2
(120nm),再在SiO2層上沉積金屬電極(柵極)構(gòu)成MOS結(jié)構(gòu),它是CCD器件的最小工作單元,一個(gè)MOS電容器是一個(gè)光敏單元,可以感應(yīng)一個(gè)像素點(diǎn)。1.MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)及原理CCD器件完成對(duì)物體的成像,10A、勢(shì)阱的產(chǎn)生當(dāng)在金屬電極上加正壓U(襯底接地)時(shí),P型硅襯底內(nèi)空穴被排斥入地,留下帶負(fù)電荷的負(fù)離子,形成耗盡層。此耗盡區(qū)對(duì)于電子來(lái)說是一個(gè)勢(shì)能特別低的區(qū)域,與周圍相比就像一個(gè)陷阱,稱為電子勢(shì)阱或表面勢(shì)阱。勢(shì)阱的深淺取決于U的大小,U增加,被排斥的空穴數(shù)增加,剩余的負(fù)電荷即增加,勢(shì)阱加深。A、勢(shì)阱的產(chǎn)生11B、電荷的存儲(chǔ)當(dāng)有光照射在硅片上時(shí),產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì),其中的電子被附近的勢(shì)阱吸收,勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比:光強(qiáng)越大,產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)越多,勢(shì)阱收集的電子數(shù)就越多。勢(shì)阱中的電子處于被存儲(chǔ)狀態(tài),即使停止光照,只要電極上的電壓維持,電荷就一直存儲(chǔ)在勢(shì)阱中,即MOS電容能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光照的記憶。CCD器件將物體的光像形成對(duì)應(yīng)的電像時(shí),就是CCD器件中上千個(gè)相互獨(dú)立的MOS單元?jiǎng)葳逯写鎯?chǔ)與光像對(duì)應(yīng)的電荷量的過程。B、電荷的存儲(chǔ)122.讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路研究如何實(shí)現(xiàn)勢(shì)阱下的電荷從一個(gè)MOS元位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)MOS元位置,并依次轉(zhuǎn)移傳輸出來(lái)。2.讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路研究如何實(shí)現(xiàn)勢(shì)阱下的13電荷(少子)注入方法:光注入(對(duì)攝像器件)、電注入(對(duì)移位寄存器)A、電荷的注入電荷(少子)注入方法:光注入(對(duì)攝像器件)、A、電荷的注入14B、電荷的定向轉(zhuǎn)移通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來(lái)調(diào)節(jié)勢(shì)阱的深淺。要求:多個(gè)MOS電容緊密排列且勢(shì)阱相互溝通。金屬電極上加電壓脈沖嚴(yán)格滿足相位要求。B、電荷的定向轉(zhuǎn)移15CCD的結(jié)構(gòu)MOS電容器件陣列+輸入輸出端=CCD三相CCD電極的結(jié)構(gòu)MOS上三個(gè)相鄰電極,每隔兩個(gè)所有電極接在一起。由3個(gè)相位差120°時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)。CCD的結(jié)構(gòu)MOS電容器件陣列+輸入輸出端=CCD16電荷(少子)定向轉(zhuǎn)移——三相控制方式經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期,電荷從前一級(jí)的一個(gè)電極下,轉(zhuǎn)移到下一級(jí)的同號(hào)電極下。——電荷定向轉(zhuǎn)移電荷(少子)定向轉(zhuǎn)移——三相控制方式經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘脈沖17C、電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管,二極管加反壓,在PN結(jié)形成耗盡層。輸出柵OG加壓使轉(zhuǎn)移到終端的電荷移到輸出二極管的耗盡區(qū),從而在負(fù)載上形成脈沖電流。輸出電流的大小與電荷大小成正比,通過負(fù)載變?yōu)殡妷狠敵?。輸出二極管電流法C、電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管,二極管18二、線陣CCD圖像傳感器N位移位寄存器與N個(gè)光敏元一一對(duì)齊,各光敏元通向移位寄存器的各轉(zhuǎn)移溝道之間有溝阻隔開,使之只能通向移位寄存器的一個(gè)單元。一般應(yīng)使信號(hào)的轉(zhuǎn)移時(shí)間遠(yuǎn)小于攝像時(shí)間(光積分時(shí)間)。二、線陣CCD圖像傳感器N位移位寄存器與N個(gè)19
轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后,光敏單元開始下一行圖像信號(hào)積分采集?!貜?fù)進(jìn)行,相繼的行輸出,讀出電荷圖形光積分:光照感光單元,產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì),電子注入對(duì)應(yīng)的MOS勢(shì)阱中,光像變?yōu)殡娤瘛姾砂?。電荷轉(zhuǎn)移:積分周期結(jié)束,控制信號(hào)使轉(zhuǎn)移柵打開,光生電荷就通過轉(zhuǎn)移柵耦合到移位寄存器中,通過移位寄存器并行輸出。轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后,光敏單元開始下一行圖像信號(hào)積分20三、線性CCD圖像傳感器的應(yīng)用1、微小尺寸的檢測(cè)衍射圖像暗紋間距a為被測(cè)細(xì)絲直徑在線陣CCD得到的電脈沖信號(hào)中,兩個(gè)幅值為極小值之間的脈沖數(shù)為N,陣列單元的間距為l,則所以,三、線性CCD圖像傳感器的應(yīng)用1、微小尺寸的檢測(cè)衍射圖像暗紋21——上端受光照的像素?cái)?shù)——下端受光照的像素?cái)?shù)——視場(chǎng)范圍(2)測(cè)量小尺寸物體(測(cè)量物體輪廓尺寸)在正面或背面光照射下,被測(cè)物體通過透鏡聚集在CCD傳感器的光敏面上,圖像尺寸與被測(cè)尺寸成正比?!隙耸芄庹盏南袼?cái)?shù)——下端受光照的像素?cái)?shù)——2223尺寸檢測(cè)2323四、面陣CCD圖像傳感器——在x、y兩個(gè)方向上都能實(shí)現(xiàn)電子自掃描分為行傳輸、幀傳輸、行間傳輸。組成:感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)、輸出轉(zhuǎn)移部分四、面陣CCD圖像傳感器——在x、y兩個(gè)方向上都能實(shí)現(xiàn)2425缺點(diǎn):易引起圖像模糊行傳輸25缺點(diǎn):易引起圖像模糊行傳輸2526優(yōu)點(diǎn):電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)移單元較密。缺點(diǎn):需要附加存儲(chǔ)器。幀傳輸26優(yōu)點(diǎn):幀傳輸2627優(yōu)點(diǎn):幀傳輸一次轉(zhuǎn)移完成,器件操作簡(jiǎn)單,圖像清晰。缺點(diǎn):?jiǎn)卧O(shè)計(jì)復(fù)雜,感光面積減少?!娨晹z像系統(tǒng)最好方式。行間傳輸27優(yōu)點(diǎn):幀傳輸一次轉(zhuǎn)移完成,器件操作簡(jiǎn)單,圖像清晰?!?7ch09-CCD光纖編碼器課件289.4光纖傳感器光纖傳感器優(yōu)點(diǎn):極高的靈敏度和精度,固有的安全性,良好的抗電磁干擾能力,高的絕緣度,耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌等。
光纖傳感器的應(yīng)用范圍非常廣泛,幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活。尤其是,它可以安全有效的在惡劣環(huán)境下使用,解決了許多行業(yè)多年來(lái)一直存在的技術(shù)難題,具有很大的市場(chǎng)需求。應(yīng)用:磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。9.4光纖傳感器光纖傳感器優(yōu)點(diǎn):極高的靈敏度和精度,固有29光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng):光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測(cè)器及解調(diào)器光纖傳感器的基本原理是光源的光經(jīng)入射光纖送入調(diào)制區(qū),光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測(cè)參數(shù)相互作用,使光的光學(xué)性質(zhì)(如強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等)發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號(hào)光,再經(jīng)出射光纖送入光探測(cè)器、解調(diào)器而獲得被測(cè)參數(shù)。光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng):光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測(cè)30一、光纖的傳光原理1、光纖結(jié)構(gòu)由纖芯、包層和保護(hù)層組成(石英玻璃5—100um)。核心部分是纖芯和包層,纖芯由高度透明的材料制成。包層的折射率n2略小于纖芯n1。保護(hù)層的作用是保護(hù)光纖不受外界侵蝕和機(jī)械擦傷,同時(shí)又增加光纖的柔韌,還可以以顏色區(qū)分各種光纖。一、光纖的傳光原理312、傳光原理光的全反射是光纖傳輸光的基礎(chǔ)。(1)光的全反射條件
光由纖芯到包層表面,由光的折射定律可知:
2、傳光原理光由纖芯到包層表面,由光的折射定律可知:32n0為入射光線AB所在空間的折射率,一般皆為空氣,故n0≈1n0為入射光線AB所在空間的折射率,一般皆為空氣,故n0≈33當(dāng)θr=90°的臨界狀態(tài)時(shí),折射光沿界面方向傳播,此時(shí)的入射角為臨界角θcSinθc定義為“數(shù)值孔徑”NA(NumericalAperture)ArcsinNA是一個(gè)臨界角,θi>arcsinNA,光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失;θi<arcsinNA,光線才可以進(jìn)入光纖被全反射傳播。當(dāng)θr=90°的臨界狀態(tài)時(shí),折射光沿界面方向傳播,此時(shí)的入34光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1.數(shù)值孔徑(NA)2.光纖模式3.傳播損耗光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1.數(shù)值孔徑(NA)351.數(shù)值孔徑(NA)反映纖芯接收光量的多少,標(biāo)志光纖接收性能。意義:無(wú)論光源發(fā)射功率有多大,只有2θc張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。 大的數(shù)值孔徑:有利于耦合效率的提高。 但數(shù)值孔徑太大,光信號(hào)畸變也越嚴(yán)重。1.數(shù)值孔徑(NA)反映纖芯接收光量的多少,標(biāo)志光纖接收362.光纖模式光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式不同入射角的光線,在界面反射的次數(shù)不同,傳遞的光波間的干涉亦不同,即為傳播模式不同。 在光導(dǎo)纖維中傳播模式很多對(duì)信息的傳輸是不利的,導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變,因此我們希望模式數(shù)量越少越好。
2.光纖模式光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式373.傳播損耗損耗原因:光纖纖芯材料的吸收、散射,光纖彎曲處的輻射損耗等的影響傳播損耗(單位為dB)式中,I——光纖長(zhǎng)度;a——單位長(zhǎng)度的衰減;I0——光導(dǎo)纖維輸入端光強(qiáng);I——光導(dǎo)纖維輸出端光強(qiáng)。3.傳播損耗損耗原因:光纖纖芯材料的吸收、散射,光纖彎曲38光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置光受到被測(cè)量的調(diào)制,已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器,使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào),經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)得到被測(cè)量。光源光探測(cè)器光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置光39三.光纖傳感器的分類光纖傳感器按功能的不同通??煞譃楣δ苄停▊鞲行停┖头枪δ苄停▊鞴庑停?。功能型光纖傳感器既傳光又是敏感元件。利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件,被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制,使光的特性(相位、強(qiáng)度、波長(zhǎng)、偏振態(tài))發(fā)生變化,再通過解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)得到被測(cè)量。只能使用單模光纖。光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型。測(cè)溫度、壓力、位移等。三.光纖傳感器的分類40
非功能型光纖傳感器(光通訊)光纖只作為光的傳輸回路。為了得到較大的受光量和傳輸光功率,非功能型光纖傳感器采用NA較大和芯徑較大的階躍型多模光纖。多數(shù)使用多模光纖,以傳輸更多的光量。非功能型光纖傳感器(光通訊)411.光強(qiáng)調(diào)制光纖傳感器按調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為:1.光強(qiáng)調(diào)制光纖傳感器按調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為:42光源發(fā)出的光經(jīng)入射光纖傳輸?shù)秸{(diào)制器(可動(dòng)反射調(diào)制器、可動(dòng)透射調(diào)制器、微彎調(diào)制器等),經(jīng)被測(cè)物理量調(diào)制后的光通過出射光纖傳輸?shù)焦怆娊邮掌???蓜?dòng)反射調(diào)制器中出射光纖能收到多少光強(qiáng),由入射光纖射出的光斑在反射屏上形成的基圓尺寸決定,基圓尺寸由反射屏到入射光纖的距離決定,距離受待測(cè)物理量(如微位移、熱膨脹等)的控制,因此出射光纖收到的光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)代表了被測(cè)物理量的變化。光源發(fā)出的光經(jīng)入射光纖傳輸?shù)秸{(diào)制器(可動(dòng)反射調(diào)432.相位調(diào)制將光纖的光分為兩束---干涉現(xiàn)象2.相位調(diào)制將光纖的光分為兩束---干涉現(xiàn)象44光強(qiáng)調(diào)制型光纖溫度傳感器三、光纖傳感器應(yīng)用實(shí)例光強(qiáng)調(diào)制型光纖溫度傳感器三、光纖傳感器應(yīng)用實(shí)例45光纖圖像傳感器工業(yè)用內(nèi)窺鏡光纖圖像傳感器工業(yè)用內(nèi)窺鏡46例:試計(jì)算n1=1.46,n2=1.45的階躍折射率光纖的數(shù)值孔徑值。如果光纖外部介質(zhì)的n0=1,求最大入射角的值。NA=0.17=9.8°例:試計(jì)算n1=1.46,n2=1.45的階躍折射率光纖的數(shù)47編碼器是將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的位移(模擬量)轉(zhuǎn)換成數(shù)字式電信號(hào)的傳感器。編碼器在角位移測(cè)量方面應(yīng)用廣泛,具有高精度、高分辨率、高可靠性的特點(diǎn)。光電式編碼器從結(jié)構(gòu)上可分為碼盤式和脈沖盤式兩種。9.5光電式編碼器9.5光電式編碼器48
碼盤式編碼器(絕對(duì)編碼器)碼盤式編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤(碼盤)、窄縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成。碼盤式編碼器(絕對(duì)編碼器)碼盤式編碼器主要由49六位二進(jìn)制碼盤碼盤由光學(xué)玻璃制成,其上刻有許多同心碼道,每位碼道上都有按一定編碼規(guī)律排列的透光和不透光部分,即亮區(qū)和暗區(qū)。六位二進(jìn)制碼盤碼盤由光學(xué)玻璃制成,其上刻有許多同心碼道,每50當(dāng)光源將光投射在碼盤上時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤,通過亮區(qū)的光線經(jīng)窄縫后,由光敏元件接收。光敏元件的排列與碼道一一對(duì)應(yīng),對(duì)應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號(hào)分別為“1”和“0”。當(dāng)碼盤旋至不同位置時(shí),光敏元件輸出信號(hào)的組合,反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量,代表了碼盤軸的角位移大小。編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進(jìn)制碼、十進(jìn)制碼、循環(huán)碼等。當(dāng)光源將光投射在碼編碼器碼盤按其所用碼制51對(duì)于6位二進(jìn)制碼盤,最內(nèi)圈碼盤一半透光,一半不透光,最外圈一共分成26=64個(gè)黑白間隔。每一個(gè)角度方位對(duì)應(yīng)于不同的編碼。例如零位對(duì)應(yīng)于000000(全黑);第23個(gè)方位對(duì)應(yīng)于010111。
在測(cè)量時(shí),只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置,就可以確定角位移,而與轉(zhuǎn)動(dòng)的中間過程無(wú)關(guān)。對(duì)于6位二進(jìn)制碼盤,最內(nèi)圈碼盤一半透光,一52
采用二進(jìn)制編碼器時(shí),任何微小的制作誤差,都可能造成讀數(shù)的粗大誤差。這主要是因?yàn)槎M(jìn)制碼當(dāng)某一較高的數(shù)碼改變時(shí),所有比它低的各位數(shù)碼均需同時(shí)改變。
一個(gè)n位二進(jìn)制碼盤的最小分辨率,即能分辨的角度為α=360°/2n,一個(gè)6位二進(jìn)制碼盤,其最小分辨的角度α≈5.6°。采用二進(jìn)制編碼器時(shí),任何微小的制作誤差,都可能53
為了消除粗誤差,可用循環(huán)碼(格雷碼)代替二進(jìn)制碼。循環(huán)碼是一種無(wú)權(quán)碼,從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時(shí),僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。如果任一碼道刻劃有誤差,且只可能有一個(gè)碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差,產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個(gè)比特。對(duì)于n位循環(huán)碼碼盤,與二進(jìn)制碼一樣,具有2n種不同編碼,最小分辨率α=360°/2n。
為了消除粗誤差,可用循環(huán)碼(格雷碼)代替二進(jìn)制54
脈沖盤式編碼器的輸出是一系列脈沖,需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)脈沖進(jìn)行加減(正向或反向旋轉(zhuǎn)時(shí))累計(jì)計(jì)數(shù),由兩圈相等角距的縫隙實(shí)現(xiàn),外圈為增量碼道,內(nèi)圈為辨向碼道。一般還需要一個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零位基準(zhǔn),才能完成角位移測(cè)量。
脈沖盤式編碼器(增量編碼器)脈沖盤式編碼器的輸出是一系列脈沖,需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)脈沖55光欄板上有兩個(gè)狹縫,其距離是碼盤上兩個(gè)相鄰狹縫距離的四分之一,并設(shè)置了兩組對(duì)應(yīng)的光敏元件(對(duì)應(yīng)圖中的A、B兩路信號(hào))。四分之一間距保證了兩路信號(hào)的相位差為90°,便于辨向。光欄板上有兩個(gè)狹縫,其距離是碼盤上兩個(gè)相鄰狹縫距離的四分之一56辨向原理辨向原理57應(yīng)用轉(zhuǎn)速測(cè)量脈沖頻率法
在給定時(shí)間內(nèi)對(duì)編碼器發(fā)出的脈沖計(jì)數(shù),然后由下式求出其轉(zhuǎn)速。式中,t——測(cè)速采樣時(shí)間N1——t內(nèi)所測(cè)脈沖個(gè)數(shù)N——編碼器每轉(zhuǎn)脈沖個(gè)數(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)速測(cè)量式中,t——測(cè)速采樣時(shí)間58脈沖周期法
通過計(jì)數(shù)編碼器的一個(gè)脈沖間隔內(nèi)(半個(gè)脈沖周期)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算其轉(zhuǎn)速。要求時(shí)鐘脈沖頻率必須高于編碼器脈沖頻率。相應(yīng)的計(jì)算公式:式中,T——標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖周期N2——編碼器一個(gè)脈沖間隔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖輸出個(gè)數(shù)N——編碼器每轉(zhuǎn)脈沖個(gè)數(shù)脈沖周期法通過計(jì)數(shù)編碼器的一個(gè)脈沖間隔內(nèi)(半個(gè)脈沖周59例1:設(shè)某編碼器的額定工作參數(shù)是N=2048個(gè)脈沖/r,在0.2s時(shí)間內(nèi)測(cè)得8192個(gè)脈沖,求其轉(zhuǎn)速。例1:設(shè)某編碼器的額定工作參數(shù)是N=2048個(gè)脈沖/r,在060例2:設(shè)某編碼器的額定工作參數(shù)是N=1024個(gè)脈沖/r,標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖周期,測(cè)得編碼器輸出的兩個(gè)相鄰脈沖上升沿之間標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖輸出個(gè)數(shù)為1000個(gè),求其轉(zhuǎn)速。例2:設(shè)某編碼器的額定工作參數(shù)是N=1024個(gè)脈沖/r,標(biāo)準(zhǔn)61產(chǎn)品產(chǎn)品62固態(tài)圖像傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為三類:電荷耦合器件(簡(jiǎn)稱CCD)、MOS圖像傳感器(簡(jiǎn)稱SSPA)和電荷注入器件(簡(jiǎn)稱CID)。目前,前兩種用得較多。廣泛用于圖像傳輸與識(shí)別。例如,攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)和機(jī)器人的眼睛等。在本節(jié)中僅說明CCD圖像傳感器的工作原理與特性CCD圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為三類:電荷耦合器件(簡(jiǎn)稱CC63CCD——固態(tài)圖像傳感器體積小、重量輕、析像度高、功耗低、低電壓驅(qū)動(dòng)
線型CCD圖像傳感器
面型CCD圖像傳感器光電器件光像信息電信號(hào)圖像CCD——固態(tài)圖像傳感器線型CCD圖像傳感器面6465數(shù)碼相機(jī)攝像機(jī)面型CCD圖像傳感器掃描儀復(fù)印機(jī)線型CCD圖像傳感器3數(shù)碼相機(jī)攝像機(jī)面型CCD圖像傳感器掃描儀復(fù)印機(jī)線型CC65ch09-CCD光纖編碼器課件66數(shù)碼相機(jī)工作原理
A/DMPU內(nèi)存LCDPC卡接口鏡頭CCD模/數(shù)轉(zhuǎn)換微處理器內(nèi)置存儲(chǔ)器液晶顯示器可移動(dòng)存儲(chǔ)器接口數(shù)碼相機(jī)工作原理A/DMPU內(nèi)存LCDPC卡接口鏡頭CCD模67CCD的三層結(jié)構(gòu):
聚光鏡片彩色濾鏡陣列感應(yīng)電路CCD的三層結(jié)構(gòu):
聚光鏡片彩色濾鏡陣列感應(yīng)電路68CCD應(yīng)用專業(yè)CCD攝影實(shí)例(攝影:CP)--更多精彩,盡在finalpresentCCD應(yīng)用專業(yè)CCD攝影實(shí)例(攝影:CP)--更多精彩,盡在69CCD應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域:精密測(cè)量、非接觸無(wú)損檢測(cè)、文件掃描與航空遙感CCD應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域:精密測(cè)量、非接觸無(wú)損檢測(cè)、文件掃描與航空70一.電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件(ChargeCoupleDevice,簡(jiǎn)稱CCD),它將光敏元陣列和讀出移位寄存器集成為一體,構(gòu)成具有自掃描功能的圖像傳感器。它以電荷作為信號(hào),基本功能是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移、輸出。廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量,尤其適用于圖像識(shí)別技術(shù)。一.電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件(Charge711.MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)及原理CCD器件完成對(duì)物體的成像,在其內(nèi)部形成與光像圖形相對(duì)應(yīng)的電荷分布圖形。CCD器件的基本單元結(jié)構(gòu)是MOS(金屬—氧化物—半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)。即在P型硅襯底上生長(zhǎng)一層SiO2
(120nm),再在SiO2層上沉積金屬電極(柵極)構(gòu)成MOS結(jié)構(gòu),它是CCD器件的最小工作單元,一個(gè)MOS電容器是一個(gè)光敏單元,可以感應(yīng)一個(gè)像素點(diǎn)。1.MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)及原理CCD器件完成對(duì)物體的成像,72A、勢(shì)阱的產(chǎn)生當(dāng)在金屬電極上加正壓U(襯底接地)時(shí),P型硅襯底內(nèi)空穴被排斥入地,留下帶負(fù)電荷的負(fù)離子,形成耗盡層。此耗盡區(qū)對(duì)于電子來(lái)說是一個(gè)勢(shì)能特別低的區(qū)域,與周圍相比就像一個(gè)陷阱,稱為電子勢(shì)阱或表面勢(shì)阱。勢(shì)阱的深淺取決于U的大小,U增加,被排斥的空穴數(shù)增加,剩余的負(fù)電荷即增加,勢(shì)阱加深。A、勢(shì)阱的產(chǎn)生73B、電荷的存儲(chǔ)當(dāng)有光照射在硅片上時(shí),產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì),其中的電子被附近的勢(shì)阱吸收,勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比:光強(qiáng)越大,產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)越多,勢(shì)阱收集的電子數(shù)就越多。勢(shì)阱中的電子處于被存儲(chǔ)狀態(tài),即使停止光照,只要電極上的電壓維持,電荷就一直存儲(chǔ)在勢(shì)阱中,即MOS電容能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光照的記憶。CCD器件將物體的光像形成對(duì)應(yīng)的電像時(shí),就是CCD器件中上千個(gè)相互獨(dú)立的MOS單元?jiǎng)葳逯写鎯?chǔ)與光像對(duì)應(yīng)的電荷量的過程。B、電荷的存儲(chǔ)742.讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路研究如何實(shí)現(xiàn)勢(shì)阱下的電荷從一個(gè)MOS元位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)MOS元位置,并依次轉(zhuǎn)移傳輸出來(lái)。2.讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路研究如何實(shí)現(xiàn)勢(shì)阱下的75電荷(少子)注入方法:光注入(對(duì)攝像器件)、電注入(對(duì)移位寄存器)A、電荷的注入電荷(少子)注入方法:光注入(對(duì)攝像器件)、A、電荷的注入76B、電荷的定向轉(zhuǎn)移通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來(lái)調(diào)節(jié)勢(shì)阱的深淺。要求:多個(gè)MOS電容緊密排列且勢(shì)阱相互溝通。金屬電極上加電壓脈沖嚴(yán)格滿足相位要求。B、電荷的定向轉(zhuǎn)移77CCD的結(jié)構(gòu)MOS電容器件陣列+輸入輸出端=CCD三相CCD電極的結(jié)構(gòu)MOS上三個(gè)相鄰電極,每隔兩個(gè)所有電極接在一起。由3個(gè)相位差120°時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)。CCD的結(jié)構(gòu)MOS電容器件陣列+輸入輸出端=CCD78電荷(少子)定向轉(zhuǎn)移——三相控制方式經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期,電荷從前一級(jí)的一個(gè)電極下,轉(zhuǎn)移到下一級(jí)的同號(hào)電極下?!姾啥ㄏ蜣D(zhuǎn)移電荷(少子)定向轉(zhuǎn)移——三相控制方式經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘脈沖79C、電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管,二極管加反壓,在PN結(jié)形成耗盡層。輸出柵OG加壓使轉(zhuǎn)移到終端的電荷移到輸出二極管的耗盡區(qū),從而在負(fù)載上形成脈沖電流。輸出電流的大小與電荷大小成正比,通過負(fù)載變?yōu)殡妷狠敵?。輸出二極管電流法C、電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管,二極管80二、線陣CCD圖像傳感器N位移位寄存器與N個(gè)光敏元一一對(duì)齊,各光敏元通向移位寄存器的各轉(zhuǎn)移溝道之間有溝阻隔開,使之只能通向移位寄存器的一個(gè)單元。一般應(yīng)使信號(hào)的轉(zhuǎn)移時(shí)間遠(yuǎn)小于攝像時(shí)間(光積分時(shí)間)。二、線陣CCD圖像傳感器N位移位寄存器與N個(gè)81
轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后,光敏單元開始下一行圖像信號(hào)積分采集?!貜?fù)進(jìn)行,相繼的行輸出,讀出電荷圖形光積分:光照感光單元,產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì),電子注入對(duì)應(yīng)的MOS勢(shì)阱中,光像變?yōu)殡娤瘛姾砂?。電荷轉(zhuǎn)移:積分周期結(jié)束,控制信號(hào)使轉(zhuǎn)移柵打開,光生電荷就通過轉(zhuǎn)移柵耦合到移位寄存器中,通過移位寄存器并行輸出。轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后,光敏單元開始下一行圖像信號(hào)積分82三、線性CCD圖像傳感器的應(yīng)用1、微小尺寸的檢測(cè)衍射圖像暗紋間距a為被測(cè)細(xì)絲直徑在線陣CCD得到的電脈沖信號(hào)中,兩個(gè)幅值為極小值之間的脈沖數(shù)為N,陣列單元的間距為l,則所以,三、線性CCD圖像傳感器的應(yīng)用1、微小尺寸的檢測(cè)衍射圖像暗紋83——上端受光照的像素?cái)?shù)——下端受光照的像素?cái)?shù)——視場(chǎng)范圍(2)測(cè)量小尺寸物體(測(cè)量物體輪廓尺寸)在正面或背面光照射下,被測(cè)物體通過透鏡聚集在CCD傳感器的光敏面上,圖像尺寸與被測(cè)尺寸成正比?!隙耸芄庹盏南袼?cái)?shù)——下端受光照的像素?cái)?shù)——8485尺寸檢測(cè)2385四、面陣CCD圖像傳感器——在x、y兩個(gè)方向上都能實(shí)現(xiàn)電子自掃描分為行傳輸、幀傳輸、行間傳輸。組成:感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)、輸出轉(zhuǎn)移部分四、面陣CCD圖像傳感器——在x、y兩個(gè)方向上都能實(shí)現(xiàn)8687缺點(diǎn):易引起圖像模糊行傳輸25缺點(diǎn):易引起圖像模糊行傳輸8788優(yōu)點(diǎn):電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)移單元較密。缺點(diǎn):需要附加存儲(chǔ)器。幀傳輸26優(yōu)點(diǎn):幀傳輸8889優(yōu)點(diǎn):幀傳輸一次轉(zhuǎn)移完成,器件操作簡(jiǎn)單,圖像清晰。缺點(diǎn):?jiǎn)卧O(shè)計(jì)復(fù)雜,感光面積減少。——電視攝像系統(tǒng)最好方式。行間傳輸27優(yōu)點(diǎn):幀傳輸一次轉(zhuǎn)移完成,器件操作簡(jiǎn)單,圖像清晰。——89ch09-CCD光纖編碼器課件909.4光纖傳感器光纖傳感器優(yōu)點(diǎn):極高的靈敏度和精度,固有的安全性,良好的抗電磁干擾能力,高的絕緣度,耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌等。
光纖傳感器的應(yīng)用范圍非常廣泛,幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活。尤其是,它可以安全有效的在惡劣環(huán)境下使用,解決了許多行業(yè)多年來(lái)一直存在的技術(shù)難題,具有很大的市場(chǎng)需求。應(yīng)用:磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。9.4光纖傳感器光纖傳感器優(yōu)點(diǎn):極高的靈敏度和精度,固有91光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng):光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測(cè)器及解調(diào)器光纖傳感器的基本原理是光源的光經(jīng)入射光纖送入調(diào)制區(qū),光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測(cè)參數(shù)相互作用,使光的光學(xué)性質(zhì)(如強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等)發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號(hào)光,再經(jīng)出射光纖送入光探測(cè)器、解調(diào)器而獲得被測(cè)參數(shù)。光纖傳感檢測(cè)系統(tǒng):光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測(cè)92一、光纖的傳光原理1、光纖結(jié)構(gòu)由纖芯、包層和保護(hù)層組成(石英玻璃5—100um)。核心部分是纖芯和包層,纖芯由高度透明的材料制成。包層的折射率n2略小于纖芯n1。保護(hù)層的作用是保護(hù)光纖不受外界侵蝕和機(jī)械擦傷,同時(shí)又增加光纖的柔韌,還可以以顏色區(qū)分各種光纖。一、光纖的傳光原理932、傳光原理光的全反射是光纖傳輸光的基礎(chǔ)。(1)光的全反射條件
光由纖芯到包層表面,由光的折射定律可知:
2、傳光原理光由纖芯到包層表面,由光的折射定律可知:94n0為入射光線AB所在空間的折射率,一般皆為空氣,故n0≈1n0為入射光線AB所在空間的折射率,一般皆為空氣,故n0≈95當(dāng)θr=90°的臨界狀態(tài)時(shí),折射光沿界面方向傳播,此時(shí)的入射角為臨界角θcSinθc定義為“數(shù)值孔徑”NA(NumericalAperture)ArcsinNA是一個(gè)臨界角,θi>arcsinNA,光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失;θi<arcsinNA,光線才可以進(jìn)入光纖被全反射傳播。當(dāng)θr=90°的臨界狀態(tài)時(shí),折射光沿界面方向傳播,此時(shí)的入96光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1.數(shù)值孔徑(NA)2.光纖模式3.傳播損耗光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1.數(shù)值孔徑(NA)971.數(shù)值孔徑(NA)反映纖芯接收光量的多少,標(biāo)志光纖接收性能。意義:無(wú)論光源發(fā)射功率有多大,只有2θc張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。 大的數(shù)值孔徑:有利于耦合效率的提高。 但數(shù)值孔徑太大,光信號(hào)畸變也越嚴(yán)重。1.數(shù)值孔徑(NA)反映纖芯接收光量的多少,標(biāo)志光纖接收982.光纖模式光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式不同入射角的光線,在界面反射的次數(shù)不同,傳遞的光波間的干涉亦不同,即為傳播模式不同。 在光導(dǎo)纖維中傳播模式很多對(duì)信息的傳輸是不利的,導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變,因此我們希望模式數(shù)量越少越好。
2.光纖模式光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式993.傳播損耗損耗原因:光纖纖芯材料的吸收、散射,光纖彎曲處的輻射損耗等的影響傳播損耗(單位為dB)式中,I——光纖長(zhǎng)度;a——單位長(zhǎng)度的衰減;I0——光導(dǎo)纖維輸入端光強(qiáng);I——光導(dǎo)纖維輸出端光強(qiáng)。3.傳播損耗損耗原因:光纖纖芯材料的吸收、散射,光纖彎曲100光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置光受到被測(cè)量的調(diào)制,已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器,使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào),經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)得到被測(cè)量。光源光探測(cè)器光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置光101三.光纖傳感器的分類光纖傳感器按功能的不同通??煞譃楣δ苄停▊鞲行停┖头枪δ苄停▊鞴庑停?。功能型光纖傳感器既傳光又是敏感元件。利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件,被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制,使光的特性(相位、強(qiáng)度、波長(zhǎng)、偏振態(tài))發(fā)生變化,再通過解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)得到被測(cè)量。只能使用單模光纖。光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型。測(cè)溫度、壓力、位移等。三.光纖傳感器的分類102
非功能型光纖傳感器(光通訊)光纖只作為光的傳輸回路。為了得到較大的受光量和傳輸光功率,非功能型光纖傳感器采用NA較大和芯徑較大的階躍型多模光纖。多數(shù)使用多模光纖,以傳輸更多的光量。非功能型光纖傳感器(光通訊)1031.光強(qiáng)調(diào)制光纖傳感器按調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為:1.光強(qiáng)調(diào)制光纖傳感器按調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為:104光源發(fā)出的光經(jīng)入射光纖傳輸?shù)秸{(diào)制器(可動(dòng)反射調(diào)制器、可動(dòng)透射調(diào)制器、微彎調(diào)制器等),經(jīng)被測(cè)物理量調(diào)制后的光通過出射光纖傳輸?shù)焦怆娊邮掌鳌?蓜?dòng)反射調(diào)制器中出射光纖能收到多少光強(qiáng),由入射光纖射出的光斑在反射屏上形成的基圓尺寸決定,基圓尺寸由反射屏到入射光纖的距離決定,距離受待測(cè)物理量(如微位移、熱膨脹等)的控制,因此出射光纖收到的光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)代表了被測(cè)物理量的變化。光源發(fā)出的光經(jīng)入射光纖傳輸?shù)秸{(diào)制器(可動(dòng)反射調(diào)1052.相位調(diào)制將光纖的光分為兩束---干涉現(xiàn)象2.相位調(diào)制將光纖的光分為兩束---干涉現(xiàn)象106光強(qiáng)調(diào)制型光纖溫度傳感器三、光纖傳感器應(yīng)用實(shí)例光強(qiáng)調(diào)制型光纖溫度傳感器三、光纖傳感器應(yīng)用實(shí)例107光纖圖像傳感器工業(yè)用內(nèi)窺鏡光纖圖像傳感器工業(yè)用內(nèi)窺鏡108例:試計(jì)算n1=1.46,n2=1.45的階躍折射率光纖的數(shù)值孔徑值。如果光纖外部介質(zhì)的n0=1,求最大入射角的值。NA=0.17=9.8°例:試計(jì)算n1=1.46,n2=1.45的階躍折射率光纖的數(shù)109編碼器是將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的位移(模擬量)轉(zhuǎn)換成數(shù)字式電信號(hào)的傳感器。編碼器在角位移測(cè)量方面應(yīng)用廣泛,具有高精度、高分辨率、高可靠性的特點(diǎn)。光電式編碼器從結(jié)構(gòu)上可分為碼盤式和脈沖盤式兩種。9.5光電式編碼器9.5光電式編碼器110
碼盤式編碼器(絕對(duì)編碼器)碼盤式編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤(碼盤)、窄縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成。碼盤式編碼器(絕對(duì)編碼器)碼盤式編碼器主要由111六位二進(jìn)制碼盤碼盤由光學(xué)玻璃制成,其上刻有許多同心碼道,每位碼道上都有按一定編碼規(guī)律排列的透光和不透光部分,即亮區(qū)和暗區(qū)。六位二進(jìn)制碼盤碼盤由光學(xué)玻璃制成,其上刻有許多同心碼道,每112當(dāng)光源將光投射在碼盤上時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤,通過亮區(qū)的光線經(jīng)窄縫后,由光敏元件接收。光敏元件的排列與碼道一一對(duì)應(yīng),對(duì)應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號(hào)分別為“1”和“0”。當(dāng)碼盤旋至不同位置時(shí),光敏元件輸出信號(hào)的
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