检测技术与仪表 10Detection(c)5,6,7学习资料

机电类

《自动检测技术及应用》

多媒体课件

（共13章，第十章，第5、6、7节）

统一书号：ISBN978-7-111-34300-4

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2012年7月版4/19/2025110.5图像传感器及应用10.6热成像技术及应用10.7光导纤维传感器及应用第十章（下）光电传感器目录进入进入进入第十章（下）介绍CCD图像传感器、热成像技术、光导纤维的原理及应用等知识。4/19/20252第五节图像传感器及应用图像传感器可以分为CMOS和CCD两大类。它们具有光电转换、信息存储和传输等功能。CCD具有集成度高、分辨力高、动态范围大等优点。CCD图像传感器被广泛应用于军事、卫星、医疗、天文、图像识别、工业显微镜等领域。

CMOS具有价廉、集成度高，耗电量不到CCD的1/10、发热小，响应速度快、感光面积大等特点，多用于视频设备、照相机、监视器等。本多媒体课件重点介绍CCD和CMOS图像传感器在工业检测和自动控制系统中的应用。4/19/20253一、CCD图像传感器的工作原理一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、模拟移位寄存器，以及一些辅助输入、输出电路组成。CCD的光敏元实质上是一个MOS电容器,它能存储电荷。在设定的CCD积分时间内,光敏元对光信号进行短暂取样,将光的强弱转换为视界内的各光敏元的电荷量。取样结束后,各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下,转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下,将信号电荷顺次转移到视频输出端。输出信号可接到图像显示器或其他信号存储、处理设备中,并进行信号再现,或进行存储处理。4/19/20254MOS电容器组成的光敏元a）结构示意图b）CCD光敏元显微结构1－P型硅衬底2－耗尽层边界（虚线）3－SiO24－金属电极4/19/20255MOS电容器组成的光敏元的显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微照片CCD的光敏元结构及存储电荷

4/19/20256二、CCD图像传感器的分类CCD图像传感器有线阵和面阵之分。所谓线阵是指在一块硅芯片上制造了紧密排列的许多光敏元，它们排列成一条直线，感受一维方向的光强变化；所谓面阵是指将光敏元排列成二维平面矩阵，感受二维图像的光强变化，可用于数码照相机。线阵的光敏元件数目从256个到4096个或更多；而在面阵中，光敏元的数目可以是600×500个、4096×4096个以上。CCD图像传感器还有单色和彩色之分，彩色CCD可拍摄色彩逼真的图像。4/19/20257

1.线阵CCD线阵CCD由排成直线的MOS光敏元阵列、转移栅、读出移位寄存器、视频信号电路和时钟电路等组成。转移栅的作用是将光敏元中的电子包“并行”地转移到奇、偶对应的读出移位寄存器中去,然后再合二为一,恢复光生信号在线阵CCD上的原有顺序,传送到视频输出端。4/19/20258线阵CCD外形

4/19/20259

2.面阵CCD线阵CCD只能在一个方向上实现电子自扫描。为了获得二维图像，人们在1/2in（英寸）或更大尺寸上研制出了能在x、y两个方向都能实现电子自扫描的面阵CCD。面阵CCD由感光区、信号存储区和输出移位寄存器等组成，根据不同的型号，有多种结构形式的面阵CCD。4/19/2025104×4帧转移面阵CCD的结构及工作原理在光敏元曝光（或叫光积分）期间,整个感光区的所有光敏元的金属电极上都施加正电压,使光敏元俘获受光照衬底附近的光生电子。曝光结束时刻,在极短的时间内，将感光区中整帧的光电图像电子信号迅速转移到不受光照的对应编号存储区中。此后，感光区中的光敏元开始第二次光积分，而存储阵列则将它里面存储的电荷信息一位、一位地转移到输出移位寄存器。在高速时钟的驱动下，输出移位寄存器将它们按顺序输出，形成视频信号。4/19/202511三相CCD移位寄存器结构及电子包的转移过程a）侧视图b）正视图c）三相时钟的变化时序d）电子包的转移过程4/19/2025123.彩色CCD单色CCD只能得到具有灰度信号的图像。为了得到彩色图像信号，可将3个（或4个）像素一组，排列组成等边三角形或其他方式。每一个像素表面分别制作红、绿、蓝（即R、G、B）三种滤色器，形如三色跳棋盘。每个像素点只能记录一种颜色的信息，即红色、绿色或蓝色。在图像还原时，必须通过插值运算处理来生成全色图像。4/19/202513彩色CCD结构示意图4/19/202514

彩色CCD显微照片（放大7000倍）4/19/202515红绿蓝三色光谱响应曲线4/19/202516面阵CCD外形

1/2.5英寸的面阵CCD的尺寸为5.38×4.39mm；36mm×24mmCCD等效于35mm。

4/19/202517面阵CCD的画幅示意图.

4/19/202518面阵CCD外形（续）1600万像素的面阵CCD

4/19/202519面阵CCD外形（续）

4/19/202520三、CCD图像传感器的应用

线阵CCD可用于一维尺寸的测量，增加机械扫描系统，也可以用于大面积物体（如钢板、地面等）尺寸的测量和图像扫描。例如彩色图片扫描仪、卫星用的地形地貌测量等，彩色线阵CCD还可用于彩色印刷中的套色工艺的监控等。面阵CCD除了可以用于拍照外，还可以用于复杂形状物体的面积测量、图像识别（如指纹识别）、印制电路板焊点短路识别等。4/19/202521线阵CCD在图像扫描中的应用1－辉光放电管光源2－平板玻璃3－原稿4－反光镜15－反光镜26－透镜7－CCD

安装在扫描仪内部的可移动光源与光学系统、线阵CCD的扫描头一起，在步进电机的驱动下，沿y方向扫过整个原稿。4/19/202522线阵CCD在扫描仪中的应用（续）照射到原稿上的光线经反射后,穿过一个很窄的缝隙,形成形成沿x方向的光带,再经过一组反光镜,由光学透镜聚焦,照到彩色线阵CCD上,CCD将光带转换为RGB串行模拟信号,此信号又被A/D转换器转变为数字信号。扫描仪每扫一行,就得到原稿x方向一行的图像信息。随着沿y方向的移动,在计算机内部逐步形成原稿的全图。4/19/202523线阵CCD在图像扫描中的应用用于彩色印刷中的套色工艺监控

用于卫星，可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描4/19/202524线阵CCD测量钢板宽度的示意图1－泛光源2－被测带材3－成像物镜4－线阵CCD

也可以不用泛光源，改用超高亮度和平行度的大功率LED阵列线性条形光源，置于被测带材的正下方。4/19/202525线阵CCD用于字符识别4/19/202526CCD数码相机拍摄的星云照片4/19/202527CCD在印刷电路板（PCB）的故障、位置中的应用.目前，PCB向着超薄型、小元件、高密度、细间距方向快速发展。线路板上元器件组装密度提高，PCB的线宽、间距、焊盘越来越小。目前，PCB的设计、加工水平已经达到0.1～0.3mm(孔径)、两孔之间的最小间距达到0.1mm。高亮度LED高亮度LEDDC4/19/202528CCD应用于PCB的光电检测系统.图像传感器捕获电路板图像，通过图像采集卡将图像数据传到计算机系统，并进行算法分析，从而判断被检测电路板是否合格。高亮度LED高亮度LEDDC4/19/202529PCB质量的光电检测机有缺陷的孔放大图4/19/202530CCD工业显微镜可以测量零件的尺寸、形状、角度和位置，可以输出到AutoCAD，形成工程图。4/19/202531CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片4/19/202532三、CMOS图像传感器

CMOS图像传感器是采用互补金属－氧化物－半导体工艺制作的图像传感器，简称CMOS。现在市售的视频摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。虽然目前的CMOS图像传感器成像质量比CCD略低，但CMOS具有体积小、耗电量省、售价便宜的优点。随着硅晶圆加工技术的进步，CMOS的各项技术指标有望超过CCD，它在图像传感器中的应用也将日趋广泛。现在的低端数码相机大部分采用CMOS图像传感器，还大量用于手机、汽车倒车监视器等视频装备。

4/19/202533CMOS图像传感器的结构CMOS图像传感器由像素阵列、模拟信号调节电路、模拟多路选择电器、可编程增益放大器、模数转换电路和时序控制电路构成。像素阵列4/19/202534CMOS图像传感器像素的内部电路CMOS中的光探测部件和输出放大器是每个像素的一部分，积分电荷在像素内就被转为电压信号，由自带的MOS管放大，通过x-y输出线输出，图像质量较高。4/19/202535CMOS图像传感器特点

CMOS传感器经光电转换后直接产生电压信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD快得多。采用了数字/模拟信号混合设计，图像传感器所需的所有功能，如垂直位移、水平位移暂存器、传感器阵列驱动与控制系统、模数转换器（ADC）接口电路等，可以集成在一起，实现单芯片成像，因此体积小。使用单一工作电压（CCD需要三相驱动电压），因此CMOS功耗低。CMOS的暗电流和噪声比CCD大，随着CMOS工艺的改进，性能正迅速提高。4/19/202536CMOS视频摄像头

带红外LED照明的CMOS视频摄像头4/19/202537CMOS视频摄像头的外部结构

4/19/202538CMOS视频摄像头的外形及内部结构

4/19/202539用于图像记录的CMOS图像传感器4/19/202540CMOS数码照相机

数码相机简称DC，它采用CMOS作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。数码相机有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、电子快门、内置电子闪光灯、液晶显示器（LCD）。

4/19/202541三基色分离原理

CMOS数码照相机的结构4/19/202542数码相机的结构解剖图CMOS及镜头4/19/202543第六节热成像技术及应用

红外热像传感器的红外摄像功能

不同的颜色和亮度代表不同的温度

任何物体只要温度高于绝对零度，内部原子就会作无规则运动，并不断地辐射出热红外能量。红外探测器可将物体辐射的红外功率信号转换成电信号，在计算机成像系统的显示屏上，将得到与物体表面热分布相对应的热像图。

回目录4/19/202544红外热成像原理光学成像物镜对准被测目标，被测物的红外辐射能量成像在红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，一般工作在8~14μm波段上。4/19/202545人眼的视场与客观世界光辐射的比较紫外光可见光红外线紫外线可见光红外线客观世界的光辐射人眼能感知的光辐射60℃38℃4/19/202546红外热像手指的血流图狗手枪钻的发热部位4/19/202547CPU的红外热像.4/19/202548热成像仪在电力领域的使用

4/19/202549变电设备热像变电站的热像从热像中可以判断过热位置4/19/202550白天的图像与晚上的热像对比

热像4/19/202551各种输电设备的热像输电线接头过热4/19/202552各种电灯的热象4/19/202553第七节光导纤维传感器光的全反射演示

结束回目录4/19/202554各种装饰性光导纤维4/19/202555发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到塔的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。4/19/202556光的反射、折射当一束光线以一定的入射角θ1从介质1射到介质2的分界面上时,一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面,在另一介质内继续传播。

4/19/202557光线的在两种介质界面的反射与折射a）θ1＞θc时的情况b）θ1=θc时的情况c）θ1＜θc时的情况4/19/202558光的全反射当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，定义为临界角θc。当入射角小于θc时，入射光线将发生全反射。4/19/202559光纤的结构1－纤芯2－包层3－缓冲层4－加强层5－PVC外套4/19/202560光纤的结构（续）

4/19/202561光在光纤中的全反射

4/19/202562光缆的外形及光纤的拉制

4/19/202563光纤的类型

a）阶跃型b）梯度型c）单孔型型4/19/202564光纤的类型阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。典型多模光纤：50/125um、62.5/125μm（前者为纤芯直径，后者为纤芯+包层直径）4/19/202565梯度型光纤梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。4/19/202566单孔型光纤单孔型光纤的纤芯直径较小（数微米）接近于被传输光波的波长，光以电磁场“模”的原理在纤芯中传导，能量损失很小，适宜于远距离传输。

典型单模光纤直径：9/125μm（前者为纤芯直径，后者为纤芯+包层直径）4/19/202567与光纤耦合的电光与光电转换器件实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。4/19/202568与光纤耦合的电光与光电转换器件

1－发射光纤2－接收光纤光纤耦合器(Coupler)又称分歧器、连接器、适配器、法兰盘，用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路的元件。是光纤与光纤，或光纤与光源、接收器之间，进行可拆卸(活动)连接的器件，能将光路的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使其介入光链路从而对系统造成的影响减到最小。4/19/202569激光二极管的外形

激光二极管芯片4/19/202570激光二极管与发光二极管的

带宽及效率的重叠区单模光纤必须采用能发射单一光谱的激光二极管，在传导过程中的发散损耗可以较小，稳定性较高。4/19/202571光纤的损耗光纤在传输信号的过程中损耗应尽量小且稳定。在某些波长上，光纤的损耗非常小。可选择适当波长的激光管、光电转换元件(PIN)与光纤匹配。一般价格的标准单模光纤在1550nm波长的损耗系数为0.2dB/km。

4/19/202572专用的光纤连接头及光纤插座光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。4/19/202573光纤的终端放大器（光/电信号转换器）

4/19/202574光纤传感器光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件（也称作测量臂，或敏感元件），直接接收外界的被测量。被测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化，从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。光纤传感器多用于高电压、易爆等场合，不易产生电火花。4/19/202575强度调制型光纤传感器的几种形式a）反射式b）遮光式c）吸收式d）微弯式e）接收光辐射式f）荧光激励式

1－传感臂光纤2－参考臂光纤3－半反半透镜（分束镜）4－光电探测器A5－光电探测器B6－透镜7－变形器8－辐射体9－荧光体4/19/202576双路光纤干涉仪用于1－ILD（激光发生器）2－分束镜3－透镜4－参考光纤（参考臂）5－传感光纤（测量臂）6－敏感头7－干涉条纹8－光电读出器4/19/202577光纤液位测量

.4/19/202578光纤液位传感器

4/19/202579光纤液位传感器用于高压变压器

冷却油的液位检测1－鹅卵石2－冷却油3－高压变压器4－高压绝缘子5－冷却油液位指示窗口6－光纤液位传感器7－连通器4/19/202580光纤温度传感器1－感温黑色壳体2－液晶3－入射光纤4－出射光纤4/19/202581光纤高温传感器a）外观b）信号处理1－黑体腔2－蓝宝石高温光纤3－光纤耦合器4－低温耦合光纤5－滤光器6－传导光纤7－通信接口8－辐射信号处理系统及显示器9－多路输入端子4/19/202582保护管内为作为敏感元件的高温光纤低温传导光纤光纤温度传感器4/19/202583光纤混凝土应变传感器

1－入射光纤2－气隙3－出射光纤4－钢板5－混凝土6－光源光纤连接头7－传导光纤连接头4/19/202584埋入式光纤光栅应变传感器埋入式光纤光栅应变传感器是针对桥梁混凝土箱梁、大坝坝体、高层建筑及其他混凝土构件或预制件内部应力变形测量需求开发的高性能应变计。4/19/202585光纤声压传感器1－声源2－光纤线圈3－干涉镜4/19/202586光纤声压传感器拖曳线列阵声呐的监听4/19/202587光纤大电流传感器

1－大电流导线2－光纤线圈当线偏振光（见光的偏振）在光纤中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ=VBl，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向，上述现象称为法拉第效应。B4/19/202588光纤大电流传感器（续）

.4/19/202589基于法拉第电磁效应的光纤电流传感器应用于架空电缆线路的电流测量和记录.4/19/202590光纤式光电开关反射型遮断型反射镜反射型4/19/202591光纤式光电开关应用标志孔电路板标志检测

当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。光纤耦合器传输光纤出射光纤4/19/202592光纤式光电开关应用遮断型光纤光电开关出射光纤接收