傳感器技術(shù)與應(yīng)用 第5版 課件 第5、6章 圖像傳感器、霍爾傳感器及其他磁傳感器

第5章圖像傳感器

5.1CCD圖像傳感器

5.2CMOS圖像傳感器

5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例

5.4實(shí)訓(xùn)5.1CCD圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDevice）圖像傳感器由CCD電荷耦合器件制成，是固態(tài)圖像傳感器的一種，是貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的新型半導(dǎo)體傳感器。它是在MOS集成電路基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，能進(jìn)行圖像信息光電轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、延時(shí)和按順序傳送。它的集成度高、功耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐沖擊、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定，因而被廣泛應(yīng)用。5.1.1CCD

CCD(電荷耦合器件)是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）電容器組成的陣列，其構(gòu)造如圖5-1所示。圖5-1CCD構(gòu)造

在P型或N型硅襯底上生長(zhǎng)一層很薄（約1200A）的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅形成電極，稱為柵極。該柵極和P型或N型硅襯底形成了規(guī)則的MOS電容器陣列。加上兩端的輸入及輸出二極管構(gòu)成了CCD電荷耦合器件芯片。

每一個(gè)MOS電容器實(shí)際上就是一個(gè)光敏元件。當(dāng)光照射到MOS電容器的P型硅襯底上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)（光生電荷），電子被柵極吸引存儲(chǔ)在陷阱中。入射光強(qiáng)，則光生電荷多，入射光弱，則光生電荷少。無(wú)光照的MOS電容器則無(wú)光生電荷。

若停止光照，由于陷阱的作用，電荷在一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)消失，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光照的記憶。

MOS電容器可以被設(shè)計(jì)成線陣或面陣。一維的線陣接收一條光線的照射。

二維的面陣接收一個(gè)平面的光線的照射。

CCD攝像機(jī)、照相機(jī)光電轉(zhuǎn)換如圖5-2所示。景物CCD面陣存儲(chǔ)顯示透鏡濾光片放大器圖5-2面陣MOS電容器的光電轉(zhuǎn)換

CCD的集成度很高，在一塊硅片上制造了緊密排列的許多MOS電容器光敏元件。線陣的光敏元件數(shù)目從256個(gè)到4096個(gè)或更多。面陣的光敏元件的數(shù)目可以是500×500個(gè)（25萬(wàn)個(gè)），甚至2048×2048個(gè)（約400萬(wàn)個(gè)）以上，現(xiàn)在已出現(xiàn)1200萬(wàn)以上的面陣。

在CCD芯片上同時(shí)集成有掃描電路，它們能在外加時(shí)鐘脈沖的控制下，產(chǎn)生三相時(shí)序脈沖信號(hào)，

由左到右，由上到下，將存儲(chǔ)在整個(gè)面陣的光敏元件下面的電荷逐位、逐行快速地以串行模擬脈沖信號(hào)輸出。5.1.2CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)及原理

MOS電容器實(shí)質(zhì)上是一種光敏元件與移位寄存器合而為一的結(jié)構(gòu)，稱為光積蓄式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單。但是因光生電荷的積蓄時(shí)間比轉(zhuǎn)移時(shí)間長(zhǎng)得多，所以再生圖像往往產(chǎn)生“拖尾”，圖像容易模糊不清。另外，直接采用MOS電容器感光雖然有不少優(yōu)點(diǎn)，但它對(duì)藍(lán)光的透過(guò)率差，靈敏度低。

現(xiàn)在更多地在CCD圖像傳感器上使用的是：

光敏元件與移位寄存器分離式的結(jié)構(gòu)，如圖5-3所示。

(a)單讀示（b）雙讀示圖5-3光敏元器件與移位寄存器分離式結(jié)構(gòu)

采用光電二極管陣列作為感光元件，在受到光照時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷。經(jīng)過(guò)電注入法將這些電荷引入CCD電容器陣列的陷阱中，成為用光電二極管感光的CCD圖像傳感器。特點(diǎn)是靈敏度極高，在低照度下也能獲得清晰的圖像，在強(qiáng)光下也不會(huì)燒傷感光面。

CCD電容器陣列只起移位寄存器作用。圖5-4為分離式的2048位MOS電容器線陣CCD電荷耦合器件示意圖。模擬信號(hào)傳輸移位寄存器

奇數(shù)傳輸門(mén)

偶數(shù)傳輸門(mén)

模擬信號(hào)傳輸移位寄存器視頻信號(hào)放大器視頻輸出信號(hào)GND時(shí)鐘信號(hào)+Ucc

20482047光電元件陣列21圖5-4分離式2048位線陣CCD內(nèi)部框圖

圖5-4中移位寄存器被分別配置在光敏元件線陣的兩側(cè)，奇、偶數(shù)號(hào)位的光敏元件分別與兩側(cè)的移位寄存器的相應(yīng)小單元對(duì)應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)為雙讀式結(jié)構(gòu)，它與長(zhǎng)度相同的分離式相比較，可以獲得高出兩倍的分辨率。

因?yàn)镃CD移位寄存器的級(jí)數(shù)僅為光敏單元數(shù)的一半，可以使CCD特有的電荷轉(zhuǎn)移損失大為減少，較好地解決了因轉(zhuǎn)移損失造成的分辨率降低的問(wèn)題。面陣固態(tài)圖像傳感器由雙讀式結(jié)構(gòu)線陣構(gòu)成，它有多種類型。常見(jiàn)的有行轉(zhuǎn)移（LT）、幀轉(zhuǎn)移（FT）和行間轉(zhuǎn)移（ILT）方式。5.1.3CCD圖像傳感器的應(yīng)用

CCD電荷耦合器件單位面積光敏元件位數(shù)很多、一個(gè)光敏元件形成一個(gè)像素，成像分辨率高、信噪比大、動(dòng)態(tài)范圍大，可以在微光下工作。彩色圖像傳感器采用三個(gè)光電二極管組成一個(gè)像素的方法。

被測(cè)景物的圖像的每一個(gè)光點(diǎn)由彩色矩陣濾光片分解為紅、綠、藍(lán)三個(gè)光點(diǎn)，

分別照射到每一個(gè)像素的三個(gè)光電二極管上，

各自產(chǎn)生的光生電荷分別代表該像素的紅、綠、藍(lán)三個(gè)光點(diǎn)的亮度。經(jīng)輸出和傳輸后，可在顯示器上重新組合，顯示出每一個(gè)像素的原始彩色。

固態(tài)圖像傳感器輸出信號(hào)特點(diǎn)：(1)與光像位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間先后性，即能輸出時(shí)間系列信號(hào)；(2)串行的各個(gè)脈沖可以表示不同信號(hào)，即能輸出模擬信號(hào)；(3)能夠精確反映焦點(diǎn)面信息，即能輸出焦點(diǎn)面信號(hào)。

將不同的光源或光學(xué)透鏡、光導(dǎo)纖維、濾光片及反射鏡等光學(xué)元件靈活地與這三個(gè)特點(diǎn)組合，

可以獲得固態(tài)圖象傳感器的各個(gè)用途。

如圖5-5所示。

中介物

模擬信號(hào)

時(shí)間系列信號(hào)焦點(diǎn)面信號(hào)1234色濃淡位置形狀距離

可測(cè)對(duì)象固態(tài)圖象傳感器的輸出特點(diǎn)

圖5-5固態(tài)圖象傳感器的用途1—濾光片；2—光導(dǎo)纖維；3—平行光；4—透鏡(1)組成測(cè)試儀器可測(cè)量物位、尺寸、工件損傷等；(2)作為光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)。例如：用于傳真技術(shù)、光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)以及圖象識(shí)別技術(shù)、傳真、攝像等方面；(3)作自動(dòng)流水線裝置中的敏感器件。

例如：可用于機(jī)床、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)搬運(yùn)車(chē)以及自動(dòng)監(jiān)視裝置等方面；(4)作為機(jī)器人的視覺(jué)，監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行。5.2CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的互補(bǔ)型金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）組成的陣列。5.2.1CMOS型光電轉(zhuǎn)換器件以E型NMOS場(chǎng)效應(yīng)管V1作為共源放大管，

以E型PMOS場(chǎng)效應(yīng)管V2、V3構(gòu)成的鏡像電流源作為有源負(fù)載。

構(gòu)成了CMOS型放大器。圖5-6CMOS型放大器由圖5-6可見(jiàn)，CMOS型放大器是由NMOS場(chǎng)效應(yīng)管和PMOS場(chǎng)效應(yīng)管組合而成的互補(bǔ)放大電路，CMOS就叫互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體。CMOS型光電變換器件原理如圖5-7所示。與CMOS型放大器源極相連的P型半導(dǎo)體襯底充當(dāng)光電變換器的感光部分。當(dāng)CMOS型放大器的柵源電壓uGS=0時(shí)，CMOS型放大器處于關(guān)閉狀態(tài)，即iD=0。圖5-7CMOS型光電變換器件的工作原理CMOS型放大器的P型襯底受光信號(hào)照射產(chǎn)生并積蓄光生電荷，

可見(jiàn)CMOS型光電變換器件同樣有存儲(chǔ)電荷的功能。當(dāng)積蓄過(guò)程結(jié)束，柵源之間加上開(kāi)啟電壓時(shí)，源極通過(guò)漏極負(fù)載電阻對(duì)外接電容充電形成電流。

即為光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的輸出。5.2.2CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)及原理利用CMOS型光電變換器件可以做成CMOS圖像傳感器。由CMOS襯底直接受光信號(hào)照射產(chǎn)生并積蓄光生電荷的方式不大采用。現(xiàn)在更多地在CMOS圖像傳感器上使用的是：光敏元件與CMOS型放大器分離式的結(jié)構(gòu)。圖5-8CMOS線型圖像傳感器結(jié)構(gòu)

由圖5－8可見(jiàn)，CMOS線型圖像傳感器由光電二極管和CMOS型放大器陣列以及掃描電路集成在一塊芯片上制成。一個(gè)光電二極管和一個(gè)CMOS型放大器組成一個(gè)像素。

光電二極管陣列在受到光照時(shí)，便產(chǎn)生相應(yīng)于入射光量的電荷。

掃描電路以時(shí)鐘脈沖的時(shí)間間隔輪流給CMOS型放大器陣列的各個(gè)柵極加上電壓，CMOS型放大器輪流進(jìn)入放大狀態(tài)，將光電二極管陣列產(chǎn)生的光生電荷放大輸出。CMOS面型圖像傳感器則是由光電敏二極管和CMOS型放大器組成的二維像素矩陣，分別設(shè)有X－Y水平與垂直選址掃描電路。水平與垂直選址掃描電路發(fā)出的掃描脈沖電壓。

由左到右，由上到下進(jìn)行掃描，分別使各個(gè)像素的CMOS型放大器處于放大狀態(tài)。二維像素矩陣面上各個(gè)像素的光電敏二極管光生和積蓄的電荷依次放大輸出。5.2.3CMOS圖像傳感器的應(yīng)用

CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器一樣，可用于自動(dòng)控制、自動(dòng)測(cè)量、攝影攝像、圖像識(shí)別等各個(gè)領(lǐng)域。

CMOS針對(duì)CCD最主要的優(yōu)勢(shì)就是非常省電。

CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右。CMOS主要問(wèn)題是在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過(guò)于頻繁而過(guò)熱。暗電流如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)噪點(diǎn)。因此，CMOS傳感器對(duì)光源的要求高一些，分辨率也沒(méi)有CCD傳感器高。。

新型背照式CMOS是將傳統(tǒng)CMOS表面的電子電路布線層移到感光面的背部。

使感光面前移接近微型透鏡，能獲得約兩倍于傳統(tǒng)正照式CMOS的光通量。

從而使CMOS傳感器可在低光照環(huán)境下、夜視環(huán)境下使用，低光照對(duì)焦能力也大大提高。5.3CCD和CMOS圖像傳感器應(yīng)用實(shí)例5.3.1證件自動(dòng)打印機(jī)

用CCD圖像傳感器可以做成證件自動(dòng)打印機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖5-9所示。

顧客按照固定的格式填寫(xiě)好申請(qǐng)單，送入證件自動(dòng)打印機(jī)。

在傳送的過(guò)程中，CCD線型固態(tài)圖像傳感器將申請(qǐng)單以圖像的方式轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，自動(dòng)謄寫(xiě)機(jī)謄寫(xiě)為證件式樣送打印機(jī)打印。CCD線型固態(tài)圖像傳感器有日本生產(chǎn)的OPA128等型號(hào)。

顧客還可以將照片與申請(qǐng)單一起送入證件自動(dòng)打印機(jī)，由CCD線型固態(tài)圖像傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在打印證件的同時(shí)打印頭像。顧客申請(qǐng)單光源CCD線型圖像傳感器放大器自動(dòng)謄寫(xiě)機(jī)紙打印機(jī)證件鏡頭圖5-9證件自動(dòng)打印機(jī)結(jié)構(gòu)組成5.3.2數(shù)字?jǐn)z像機(jī)現(xiàn)在市場(chǎng)上數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的品種已經(jīng)很多了，它大多是用CCD彩色圖像傳感器做成的，

可以是線型圖像傳感器，也可以是面型圖像傳感器。

其基本結(jié)構(gòu)如圖5-10所示。景物CCD彩色圖像傳感器掃描電路放大器A/D轉(zhuǎn)換器壓縮編碼電動(dòng)機(jī)磁帶存儲(chǔ)卡鏡頭分色鏡圖5-10數(shù)字?jǐn)z像機(jī)基本結(jié)構(gòu)RGB

對(duì)變化的外界景物連續(xù)拍攝圖片，只要拍攝速度超過(guò)24幅／秒，則按同樣的速度播放這些圖片，可以重現(xiàn)變化的外界景物，

這是利用了人的眼睛的視覺(jué)暫留原理。

CCD彩色圖像傳感器在掃描電路的控制下，可將變化的外界景物以25幅／秒圖像的速度轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號(hào)輸出。

早期的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)使用2/3in57萬(wàn)像素（攝像區(qū)域?yàn)?3萬(wàn)像素）的CCD彩色圖像傳感器芯片。

后改進(jìn)為使用3片CCD各采集1種基色信號(hào)，3基色共有100萬(wàn)像素。

隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在許多攝像機(jī)型采用耗電較少的CMOS傳感器，大部分機(jī)型都有800萬(wàn)像素，900萬(wàn)像素的高清攝像機(jī)也已出現(xiàn)。5.3.3數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)拍攝的是靜止圖像。數(shù)碼相機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖5-11所示。

數(shù)碼相機(jī)的工作過(guò)程為1.打開(kāi)數(shù)碼相機(jī)電源開(kāi)關(guān)，主控CPU開(kāi)始檢查相機(jī)的各部件是否處于可工作狀態(tài)。如有故障，則在顯示屏上顯示故障信息。圖5-11數(shù)碼相機(jī)基本結(jié)構(gòu)2.若一切正常，則打開(kāi)取景器電路，讓外界景物通過(guò)鏡頭照射到CCD彩色圖像傳感器上，轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號(hào)輸出，經(jīng)放大和A／D轉(zhuǎn)換后，送液晶顯示器顯示。

當(dāng)感覺(jué)滿意的圖像出現(xiàn)時(shí)，半按快門(mén)，主控CPU開(kāi)始計(jì)算對(duì)焦距離，快門(mén)速度和光圈大小，由ASIC集成電路發(fā)出信號(hào)給取景器電路進(jìn)行自動(dòng)聚焦和快門(mén)、光圈調(diào)整。3.全按下快門(mén)，ASIC集成電路發(fā)出信號(hào)給取景器電路進(jìn)行信號(hào)鎖定.CCD彩色圖像傳感器將景物圖像轉(zhuǎn)換為串行模擬脈沖信號(hào)輸出，經(jīng)放大和A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)ASIC集成電路壓縮后，存儲(chǔ)在PCMCIA卡上。4.存儲(chǔ)卡上的圖像數(shù)據(jù)可送微型計(jì)算機(jī)顯示和保存。

壓縮的數(shù)字圖像信號(hào)也可由串行口直接送微型計(jì)算機(jī)顯示和保存。5.按下查看鍵，將存儲(chǔ)卡上的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)ASIC集成電路解壓縮，送液晶顯示器顯示，供回放查看。

一般高端數(shù)碼相機(jī)采用2／3英寸CCD芯片830萬(wàn)像素（有效像素為3,264×2,448），可輸出300dpi（每英寸點(diǎn)數(shù)）的10.88英寸×8.16英寸幅面的相片，對(duì)一般照相而言，清晰度已足夠。

目前的高端數(shù)碼相機(jī)像素普遍在1600萬(wàn)以上，單反數(shù)碼相機(jī)像素在2000萬(wàn)以上，問(wèn)題是占用存儲(chǔ)空間太多。5.3.4平板電腦和手機(jī)攝像頭CMOS彩色圖像傳感器也用在了平板電腦和手機(jī)上。平板電腦和手機(jī)大多有兩個(gè)攝像頭，一個(gè)在前面，與液晶屏幕同一方向，用于上網(wǎng)視頻聊天和視頻通話，也可以進(jìn)行拍照片；另一個(gè)在背面用于拍照片，這時(shí)液晶屏幕作為取景顯示。

平板電腦和手機(jī)攝像、拍照電路組成如圖5-12所示。

前面攝像頭的像素一般為120萬(wàn)～200萬(wàn)。背面攝像頭的像素為800萬(wàn)以上。攝像、拍照和瀏覽回放操作過(guò)程如同數(shù)碼相機(jī)。

隨著智能手機(jī)的不斷更新?lián)Q代，現(xiàn)在采用背照式CMOS傳感器4800萬(wàn)像素?cái)z像頭的機(jī)型已很多。

最新的6400萬(wàn)像素?cái)z像頭即將使用，其在暗光線下采用4合1電平處理，能達(dá)到1600萬(wàn)像素。圖5-12平板電腦和手機(jī)拍照和攝像電路框圖

點(diǎn)擊發(fā)送菜單，可將照片或攝像的壓縮數(shù)字圖像信號(hào)送基帶數(shù)字信號(hào)處理電路，與語(yǔ)音基帶信號(hào)混合，再由RF射頻信號(hào)處理器（4G、5G或WIFI網(wǎng)卡）調(diào)制到射頻信號(hào)上，由天線向空中發(fā)送，或進(jìn)入Internet傳輸。WIFI（WirelessFidelity）為無(wú)線保真技術(shù)，又稱IEEE．802.11b標(biāo)準(zhǔn)。IEEE．802.11b標(biāo)準(zhǔn)的WIFI網(wǎng)速最高達(dá)11Mb/s，可自動(dòng)調(diào)整為5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb/s。

載波頻率為2.4GHz，發(fā)射功率不超過(guò)100毫瓦，傳輸距離可達(dá)150m～300m。

其后使用IEEE.802.11g標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)速最高達(dá)55Mbit/s,可自動(dòng)調(diào)整為6Mbit/s，9Mbit/s，12Mbit/s，18Mbit/s，24Mbit/s，36Mbit/s，48Mbit/s，55Mbit/s。載波頻率為5GHz。

隨著WiFi應(yīng)用場(chǎng)合的增加，現(xiàn)已出現(xiàn)雙頻WiFi模塊，集成了2.5GHz和5GHz雙芯片，同時(shí)符合IEEE.802.11a/b/g/n/ac標(biāo)準(zhǔn)，雙頻支持733Mbit/s數(shù)據(jù)速率。

硬件上，WIFI是由AP(AccessPoint)和無(wú)線網(wǎng)卡組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。AP一般稱為網(wǎng)絡(luò)橋接器，無(wú)線網(wǎng)卡是負(fù)責(zé)接收由AP所發(fā)射信號(hào)的CLIENT（客戶）端設(shè)備。

廠商只要在辦公室、機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、咖啡店、圖書(shū)館等人員較密集的地方設(shè)置AP，并通過(guò)高速線路（寬帶）接入Internet。

配有無(wú)線網(wǎng)卡的筆記本電腦、平板電腦和手機(jī)等拿到該區(qū)域內(nèi)，均可上網(wǎng)分享Internet網(wǎng)絡(luò)資源。5.3.5車(chē)輛牌照自動(dòng)識(shí)別CMOS攝像機(jī)拍攝車(chē)輛進(jìn)入的動(dòng)態(tài)視頻或靜態(tài)圖像，計(jì)算機(jī)利用車(chē)牌定位算法、字符分割算法和光學(xué)字符識(shí)別算法等軟件，進(jìn)行車(chē)輛牌照號(hào)碼的自動(dòng)識(shí)別。

車(chē)牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)包括觸發(fā)設(shè)備、照明設(shè)備、攝像設(shè)備、圖像采集設(shè)備、PC計(jì)算機(jī)或微處理器處理設(shè)備、顯示設(shè)備、輔助設(shè)備等，如圖5-13所示。觸發(fā)設(shè)備攝像設(shè)備照明設(shè)備號(hào)碼識(shí)別計(jì)算機(jī)顯示設(shè)備輔助設(shè)備圖像采集設(shè)備存儲(chǔ)器

車(chē)輛進(jìn)入車(chē)輛通過(guò)圖5-13車(chē)牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)車(chē)牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)照明、攝像和顯示設(shè)備

觸發(fā)設(shè)備為車(chē)道埋地線圈。

識(shí)別的過(guò)程為：（1）車(chē)輛進(jìn)入車(chē)道，在線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電流，觸發(fā)照明、攝像、圖像采集設(shè)備工作；（2）CMOS攝像機(jī)攝制車(chē)輛視頻圖像；（3）圖像采集設(shè)備對(duì)視頻圖像幀進(jìn)行垂直方向采樣，采樣值數(shù)字化后提供給計(jì)算機(jī)；（4）計(jì)算機(jī)從視頻圖像幀中采集車(chē)輛圖像，在車(chē)輛圖像上定位牌照區(qū)域；（5）在牌照區(qū)域定位字符間隔，按間隔分割各字符；（6）把分隔出的字符與存儲(chǔ)器模板中的字符進(jìn)行匹配識(shí)別，或者運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征提取法進(jìn)行字符識(shí)別；（7）由識(shí)別的字符組成車(chē)牌號(hào)碼，調(diào)出存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的該車(chē)輛信息，計(jì)算車(chē)輛應(yīng)收費(fèi)金額進(jìn)行收費(fèi)。入口只存儲(chǔ)信息不收費(fèi)；（8）計(jì)算機(jī)發(fā)指令通知輔助設(shè)施進(jìn)行后續(xù)工作，點(diǎn)亮通行綠燈，揚(yáng)聲器發(fā)出通行聲音信號(hào)，啟動(dòng)車(chē)道控制設(shè)備讓車(chē)輛通過(guò)。還可用于識(shí)別車(chē)輛牌照顏色、車(chē)型、車(chē)顏色、車(chē)流量等車(chē)輛和交通信息。5.3.6光纖內(nèi)窺鏡科研生產(chǎn)單位和醫(yī)院在進(jìn)行盲區(qū)檢測(cè)和檢查時(shí)需要用到光纖內(nèi)窺鏡。光纖內(nèi)窺鏡設(shè)備由光源、傳光束、物鏡、傳像束、目鏡或CCD圖像顯示器組成。圖5-14光纖內(nèi)窺鏡設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

使用時(shí)，將檢測(cè)探頭放入系統(tǒng)內(nèi)部或病人腸胃器官內(nèi)，光源發(fā)出的光由傳光光纖束傳輸，照亮被測(cè)對(duì)象，由物鏡成像到傳像束的物鏡端，傳像束把被測(cè)對(duì)象的像素傳送到目鏡端。傳像束由玻璃光纖按陣列排列而成，

一根傳像束一般由幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)條直徑為10～20μm的光纖組成，每一條光纖傳送一個(gè)像素的信息。傳送到傳像束目鏡端的像素可以通過(guò)目鏡成像，供人觀察，或送顯示器顯示。5.3.7二維碼與識(shí)讀設(shè)備

二維碼(dimensionalbarcode)是在一維條形碼的基礎(chǔ)上擴(kuò)展出的可表示更多資訊的條碼，在廣告推送、網(wǎng)站鏈接、商品交易、電子憑證等現(xiàn)代商業(yè)活動(dòng)中應(yīng)用十分廣泛。

二維碼有兩種，一種是堆疊式二維碼，是在一維碼基礎(chǔ)上堆疊3～90行而成的二維碼，如圖5-15所示。堆疊式二維碼印刷和識(shí)讀設(shè)備與一維碼技術(shù)兼容。圖5-15堆疊式二維碼

另一種是矩陣式二維碼，又稱棋盤(pán)式二維碼，如圖5-16所示。

它是在一個(gè)矩形空間通過(guò)黑、白像素（模塊）的不同分布進(jìn)行編碼。

在矩陣元素位置上，用點(diǎn)的出現(xiàn)表示二進(jìn)制“1”，點(diǎn)的不出現(xiàn)表示二進(jìn)制“0”，可以是方點(diǎn)、圓點(diǎn)或其他形狀點(diǎn)。

不同“1”和“0”的組合，表示不同的字符，實(shí)現(xiàn)資訊編碼。圖5-16矩陣式二維碼（版本1）

矩陣式二維碼是建立在計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)、組合編碼原理等基礎(chǔ)上的一種圖形符號(hào)自動(dòng)識(shí)讀處理碼制，采用面陣式CCD或CMOS攝像頭將二維碼圖像攝取后，交由計(jì)算機(jī)圖形處理程序進(jìn)行分析和解碼。QR碼是常見(jiàn)的一種二維碼，QR碼呈正方形，只有黑白兩色。矩陣元素符號(hào)規(guī)格從21×21模塊（版本1）到177×177模塊（版本40），共40個(gè)版本，

每高一規(guī)格每邊增加4個(gè)模塊。最高版本40-L可表示數(shù)字字符7089個(gè)，或漢字字符1817個(gè)，編碼信息量最大。L為糾錯(cuò)等級(jí)。QR碼有L、M、Q、H共4個(gè)糾錯(cuò)等級(jí)，分別具有7%、15%、25%、30%的字碼糾錯(cuò)能力。

在矩陣的3個(gè)角落有像“回”字的正方圖案，連接左右兩個(gè)“回”字最下邊一橫和上下兩個(gè)“回”字最右邊一豎，為黑、白元素相間的兩條模塊。

它們都是幫助解碼軟件尋像和定位用的。從而，不同行的信息能自動(dòng)識(shí)別，能應(yīng)對(duì)圖形旋轉(zhuǎn)變化。

使用者不需要對(duì)準(zhǔn)，無(wú)論以任何角度攝取，資料仍可正確被讀取。

其他模塊為數(shù)據(jù)碼和校驗(yàn)碼。糾錯(cuò)等級(jí)高的校驗(yàn)碼占有模塊要多一些。QR碼屬于開(kāi)放式的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)格公開(kāi)，很多網(wǎng)站提供有為用戶編制二維碼的服務(wù)。

用戶只要點(diǎn)開(kāi)網(wǎng)頁(yè)，輸入所需文本和數(shù)據(jù)內(nèi)容，點(diǎn)擊生成二維碼，就可以獲得編好的二維碼，尺寸大小可選，還可以在二維碼中間位置嵌入Logo（標(biāo)識(shí)）。5.4實(shí)訓(xùn)5.4.1工作現(xiàn)場(chǎng)圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)安裝與調(diào)試1.查閱智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、計(jì)算機(jī)攝像頭用戶手冊(cè)。2.用數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)拍攝照片輸入筆記本電腦或臺(tái)式計(jì)算機(jī)，或用平板電腦直接拍攝照片，做成幻燈片，配上音樂(lè)。3.用分離式計(jì)算機(jī)攝像頭、數(shù)碼相機(jī)、USB接口傳輸線、微型計(jì)算機(jī)、顯示器等組成工作現(xiàn)場(chǎng)圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)攝像頭數(shù)碼相機(jī)USB接口USB接口微型計(jì)算機(jī)顯示器圖5-17工作現(xiàn)場(chǎng)圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)5.4.2汽車(chē)倒車(chē)提醒和后視電路裝配與調(diào)試

音調(diào)解碼器LM567的5、6腳外接元件形成振蕩，振蕩頻率f＝40kHz。

振蕩信號(hào)經(jīng)經(jīng)VT2放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器S2向外發(fā)射40kHz超聲波信號(hào)。

當(dāng)有物體反射時(shí)，由S1接收反射回來(lái)的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為40kHz電信號(hào)，與原振蕩頻率比較。

相等，即接通語(yǔ)音集成電路和攝像頭電源，發(fā)出提醒聲并顯示物體圖像。a）超聲波探測(cè)電路

b）后視和提醒電路（1）備齊元件，在多功能電路板上裝配、調(diào)試該電路。（2）S1可用電容式傳聲器，S2可用高頻響應(yīng)好的揚(yáng)聲器代用。（3）攝像頭和顯示器可以選用專用設(shè)備，也可以用計(jì)算機(jī)攝像頭和筆記本電腦代用。此時(shí)USB傳輸線的＋5V電源線另接，繼電器K控制攝像頭接口＋5V電源。（4）試驗(yàn)該電路性能。（5）考慮將該電路改為可視門(mén)鈴電路。第6章霍爾傳感器及其他磁傳感器

6.1霍爾傳感器工作原理

6.2霍爾傳感器

6.3其他磁傳感器

6.4霍爾傳感器及其他磁傳感器應(yīng)用實(shí)例

6.5實(shí)訓(xùn)6.1霍爾傳感器工作原理6.1.1霍爾效應(yīng)在置于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流，若電流與磁場(chǎng)垂直，則在與磁場(chǎng)和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

如圖6-1所示，長(zhǎng)、寛、高分別為L(zhǎng)、W、H的N型半導(dǎo)體薄片的相對(duì)兩側(cè)a、b通以控制電流，在薄片垂直方向加以磁場(chǎng)B。在圖示方向磁場(chǎng)的作用下，電子將受到一個(gè)由c側(cè)指向d側(cè)方向力的作用，這個(gè)力就是洛侖茲力，大小為FL=qvB

圖6-1霍爾效應(yīng)與霍爾元件（a）霍爾效應(yīng)（b）霍爾元件結(jié)構(gòu)（c）圖形符號(hào)（d）外形

c、d兩端面因電荷積累而建立了一個(gè)電場(chǎng)EH

，稱為霍爾電場(chǎng)。該電場(chǎng)對(duì)電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，即阻止電荷的繼續(xù)積累。當(dāng)電場(chǎng)力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)有qEH

=qvB

霍爾電場(chǎng)的強(qiáng)度為EH=vB

在c與d兩側(cè)面間建立的電勢(shì)差稱為霍爾電壓：UH=EHW或UH=vBW

當(dāng)材料中的電子濃度為n時(shí)，，

電子速度為得：設(shè)：得霍爾電壓：設(shè)：得：

式中RH為霍爾系數(shù)，它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱;KH為霍爾靈敏度，它表示一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小?？梢钥闯觯魻栯妷篣H大?。?）與材料的性質(zhì)有關(guān)。（2）與元件的尺寸有關(guān)。（3）與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。6.1.2霍爾元器件的主要技術(shù)參數(shù)利用霍爾效應(yīng)制成的磁電轉(zhuǎn)換元件稱為霍爾元件?；魻栐苫魻柶?、引線和殼體組成?；魻柶蔷匦伟雽?dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1′兩根引線加激勵(lì)電流，稱為激勵(lì)電極；2、2′引線為霍爾電壓輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成。霍爾元件（c）外型結(jié)構(gòu)示意圖（d）圖形符號(hào)霍爾元件主要技術(shù)參數(shù)為：

1.輸入電阻RIN和輸出電阻ROUT；

2.額定控制電流IC；

3.不等位電勢(shì)U0，即未加磁場(chǎng)時(shí)的輸出電壓，一般小于1mV；

4.霍爾電壓UH；

5.霍爾電壓的溫度特性。6.2霍爾傳感器6.2.1霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器是利用霍爾元件與集成電路技術(shù)制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開(kāi)關(guān)信號(hào)形式輸出。圖6-2所示為內(nèi)部組成框圖。當(dāng)有磁場(chǎng)作用在霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器上時(shí)，霍爾元件輸出霍爾電壓UH。一次磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，使傳感器完成一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

圖6-2霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器內(nèi)部框圖

具有使用壽命長(zhǎng)，無(wú)觸點(diǎn)磨損，無(wú)火花干擾，無(wú)轉(zhuǎn)換抖動(dòng)，工作頻率高，溫度特性好，能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)型號(hào)有UGN-3020,UGN-3030,UGN-3075。工作電壓為4.5～25V，輸出低電平<0.04mV。常用于：點(diǎn)火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速測(cè)量、里程測(cè)量、機(jī)械設(shè)備限位開(kāi)關(guān)、按鈕開(kāi)關(guān)、電流的測(cè)量和控制、位置及角度的檢測(cè)，等等。6.2.2霍爾線性集成傳感器霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性比例關(guān)系。一般由霍爾元件和放大器組成，

當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，霍爾元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性的霍爾電壓，經(jīng)放大器放大后輸出?；魻柧€性集成傳感器有單端輸出型和雙端輸出型兩種，

典型產(chǎn)品分別為SL3501T和SL3501M兩種。

圖6-3為SL3501T，單端輸出型，工作電壓8～12V，輸出電壓2.5～5V，靈敏度3500～7000mV/mA·T。

圖6-3單端輸出型傳感器的電路結(jié)構(gòu)

圖6-4為SL3501M，雙端輸出型，兩個(gè)輸出端輸出正、負(fù)差分信號(hào)，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。工作電壓8～16V，輸出電壓0～3.6V，靈敏度700～1400mV/mA·T?；魻柧€性集成傳感器常用于：位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量和控制。圖6-4雙端輸出型傳感器的電路結(jié)構(gòu)

6.3其他磁傳感器6.3.1磁阻元器件當(dāng)霍爾元件受到與電流方向垂直的磁場(chǎng)作用時(shí)，不僅會(huì)出現(xiàn)霍爾效應(yīng)，而且還會(huì)出現(xiàn)半導(dǎo)體電阻率增大的現(xiàn)象，稱為磁阻效應(yīng)。利用磁阻效應(yīng)做成的電路元件，叫磁阻元器件。1.基本工作原理在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，磁阻元件的電流密度矢量，如圖6-5(a)所示。當(dāng)磁場(chǎng)垂直作用在磁阻元件表面上時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，使得電流密度矢量偏移電場(chǎng)方向某個(gè)霍爾角θ，如圖6-5(b)所示。這使電流流通的途徑變長(zhǎng)，導(dǎo)致元件兩端金屬電極間的電阻值增大。

(a)在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)

(b)有磁場(chǎng)作用時(shí)圖6-5磁阻元器件工作原理示意圖

2.磁阻元器件的基本特性1）B-R特性磁阻元器件的B-R特性，用無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的電阻R0和磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻RB來(lái)表示。2）靈敏度K

磁阻元器件的靈敏度K，可由下式表示，即

K=R3/R0一般來(lái)說(shuō)，磁阻元件的靈敏度

K≥2.7

3）溫度系數(shù)磁阻元器件的溫度系數(shù)約為‐2%/℃，是比較大的。可以用兩個(gè)磁敏元件串聯(lián)起來(lái)，采取分壓輸出，可以大大改善元件的溫度特性。3.磁阻元器件的應(yīng)用磁阻元器件阻抗低、阻值隨磁場(chǎng)變化率大、可以非接觸式測(cè)量、頻率響應(yīng)好、動(dòng)態(tài)范圍廣及噪聲小，可廣泛應(yīng)用于：無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器、角度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等場(chǎng)合。6.3.2磁敏二極管可以將磁信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)快、無(wú)觸點(diǎn)、輸出功率大及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。它可廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)的檢測(cè)、磁力探傷、轉(zhuǎn)速測(cè)量、位移測(cè)量、電流測(cè)量、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、無(wú)刷直流電機(jī)等許多領(lǐng)域。1、磁敏二極管的基本結(jié)構(gòu)及工作原理如圖6-6所示。它是平面P+-i-N+型結(jié)構(gòu)的二極管。在高純度半導(dǎo)體鍺的兩端摻高雜P型區(qū)和N型區(qū)。

i區(qū)是高純空間電荷區(qū)，i區(qū)的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于載流子擴(kuò)散的長(zhǎng)度。在i區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，再做一個(gè)高復(fù)合區(qū)r，在r區(qū)域，載流子的復(fù)合速率較大。圖6-6磁敏二極管的結(jié)構(gòu)

在電路連接時(shí)，P+區(qū)接正電壓，N+區(qū)接負(fù)電壓。在沒(méi)有外加磁場(chǎng)情況下，大部分空穴和電子分別流入N區(qū)和P

區(qū)而產(chǎn)生電流，只有很少部分載流子在r區(qū)復(fù)合，如圖6-7(a)所示。若給磁敏二極管外加一個(gè)磁場(chǎng)B，在正向磁場(chǎng)的作用下，空穴和電子受洛侖茲力的作用偏向r區(qū)，如圖6-7(b)所示。圖6-7磁敏二極管的工作原理

由于空穴和電子在r區(qū)的復(fù)合速率大，此時(shí)磁敏二極管正向電流減小，電阻增大。當(dāng)在磁敏二極管上加一個(gè)反向磁場(chǎng)B時(shí)，載流子在洛侖磁力的作用下，均偏離復(fù)合區(qū)r，見(jiàn)圖6-7(c)所示。此時(shí)磁敏二極管正向電流增大，電阻減小。2.磁敏二極管的主要技術(shù)參數(shù)和特性(1)靈敏度當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B為±0.1T時(shí)，輸出端電壓增量與電流增量之比稱為靈敏度。(2)工作電壓U0和工作電流I0

在零磁場(chǎng)時(shí)加在磁敏二極管兩端的電壓、電流值。(3)磁電特性在弱磁場(chǎng)及一定的工作電流下，輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系為線性關(guān)系。在強(qiáng)磁場(chǎng)下則成非線性關(guān)系。(4)伏安特性在負(fù)向磁場(chǎng)作用下，磁敏二極管電阻小，電流大；在正向磁場(chǎng)作用下，磁敏二極管電阻大，電流小。如圖6-8所示。圖6-8磁敏二極管的伏安特性

6.3.3磁敏晶體管磁敏晶體管是一種新型的磁電轉(zhuǎn)換器件,該器件的靈敏度比霍爾元件高得多，同樣具有無(wú)觸點(diǎn)、輸出功率大、響應(yīng)快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。其在磁力探測(cè)、無(wú)損探傷、位移測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。1.磁敏晶體管的基本結(jié)構(gòu)及工作原理圖6-9（a）是無(wú)外磁場(chǎng)作用情況。

由于i區(qū)較長(zhǎng)，在橫向電場(chǎng)作用下，發(fā)射極電流大部分形成基極電流，小部分形成集電極電流。圖6-9（b）是有外部正向磁場(chǎng)B+作用的情況，電子向復(fù)合區(qū)偏轉(zhuǎn)。圖6-9磁敏晶體管工作原理示意圖

圖6-9（c）是有外部反向磁場(chǎng)B-作用的情況，電子偏離復(fù)合區(qū)。會(huì)引起集電極電流的減少或增加。因此，可以用磁場(chǎng)方向控制集電極電流的增加或減少，

用磁場(chǎng)的強(qiáng)弱控制集電極電流增加或減少的變化量。2.磁敏晶體管的主要技術(shù)特性1）磁靈敏度h±

指當(dāng)基極電流恒定，外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0時(shí)的集電極電流ICO與外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B=±0.1T時(shí)的集電極電流IC±相對(duì)變化值，即：2）磁電特性在基極電流恒定時(shí)，集電極電流與外加磁場(chǎng)的關(guān)系。在弱磁場(chǎng)作用下，特性接近線性。3）溫度特性集電極電流的溫度特性具有負(fù)的溫度系數(shù)。對(duì)溫度較敏感，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

6.4霍爾傳感器及

其他磁傳感器應(yīng)用實(shí)例6.4.1霍爾汽車(chē)無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火器

如圖6-10所示，磁輪鼓代替了傳統(tǒng)的凸輪及白金觸點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)主軸帶動(dòng)磁輪鼓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾器件感受的磁場(chǎng)極性交替改變，輸出一連串與汽缸活塞運(yùn)動(dòng)同步的脈沖信號(hào)去觸發(fā)晶體管功率開(kāi)關(guān)，點(diǎn)火線圈兩端產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，使火花塞產(chǎn)生火花放電，完成汽缸點(diǎn)火過(guò)程。

圖6-10霍爾點(diǎn)火裝置示意圖1-磁輪鼓2-開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路3-晶體管功率開(kāi)關(guān)4-點(diǎn)火線圈5-火花塞

6.4.2霍爾無(wú)刷直流電機(jī)

如圖6-11所示，在定子上安有12只霍爾元器件，直流電流加在霍爾元器件上。

轉(zhuǎn)子由永久磁鐵做成，其磁場(chǎng)作用于霍爾元器件。

霍爾元器件輸出霍爾電壓激勵(lì)12只電樞線圈，電樞線圈安排放置在定子槽中，使其產(chǎn)生的磁場(chǎng)超前于永久磁鐵轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)30°。

轉(zhuǎn)子受超前的磁場(chǎng)吸引，轉(zhuǎn)到下一個(gè)霍爾元器件位置，又產(chǎn)生新的超前磁場(chǎng)和被吸引轉(zhuǎn)動(dòng)。如此持續(xù)不斷，就產(chǎn)生了電動(dòng)機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

改變直流電流大小可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，速度-轉(zhuǎn)矩的線性度好，調(diào)速平穩(wěn)，但電流不能太大。

由于不存在電刷磨損問(wèn)題，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高。

圖6-11霍爾無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

1軸2外殼3電路4定子5線圈6霍爾元件7永磁轉(zhuǎn)子

6.4.3磁卡及磁卡閱讀器

磁卡（包括帶磁條的銀行存折）一般作為識(shí)別卡用。

所謂識(shí)別卡，是指一種標(biāo)識(shí)其持卡人和發(fā)行者的卡，卡上載有進(jìn)行該卡預(yù)期應(yīng)用所要求輸入的數(shù)據(jù)。

一般將磁條貼在磁卡的背面，磁條可讀表面厚度0～0.038mm。

磁條上記錄的信息采用調(diào)頻制編碼，1個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)應(yīng)1個(gè)二進(jìn)制數(shù)位。

在每個(gè)時(shí)鐘周期的開(kāi)始，磁通都要變化一次。

在時(shí)鐘周期的中間另有磁通變化則表示二進(jìn)制數(shù)“1”，若無(wú)變化則為二進(jìn)制數(shù)“0”，如圖6-12所示。圖6-12磁條信息調(diào)頻制編碼示意圖

磁條中有3條編碼磁道，磁道之間有間隔。離磁卡邊最近的是1磁道。

磁道1和磁道2是只讀磁道，磁道3是讀寫(xiě)磁道。

各磁道的編碼信息有主帳號(hào)、國(guó)家、持卡人