機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)3-2

CCD的應(yīng)用（CCD固態(tài)圖像傳感器）

CCD固態(tài)圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。感光部分是指在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的由若干光敏單元組成的陣列元件，光敏單元簡稱“像素”。固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號“圖像”，即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成正比的、大小不等的電荷包空間分布，然后利用移位寄存器的移位功能將電信號“圖像”傳送，經(jīng)輸出放大器輸出。根據(jù)光敏元件排列形式的不同，CCD固態(tài)圖像傳感器可分為線型和面型兩種。（1）線型CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器是由一列MOS光敏單元和一列CCD移位寄存器構(gòu)成的，光敏單元與移位寄存器之間有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵，基本結(jié)構(gòu)如圖所示。轉(zhuǎn)移控制柵控制光電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移，一般使信號轉(zhuǎn)移時(shí)間遠(yuǎn)小于光積分時(shí)間。在光積分周期里，各個(gè)光敏元中所積累的光電荷與該光敏元上所接收的光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比，光電荷存儲(chǔ)于光敏單元的勢阱中。當(dāng)轉(zhuǎn)移控制柵開啟時(shí)，各光敏單元收集的信號電荷并行地轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器的相應(yīng)單元。當(dāng)轉(zhuǎn)移控制柵關(guān)閉時(shí)，MOS光敏元陣列又開始下一行的光電荷積累。同時(shí)，在移位寄存器上施加時(shí)鐘脈沖，將已轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器內(nèi)的上一行的信號電荷由移位寄存器串行輸出，如此重復(fù)上述過程。線型CCD圖像傳感器（a）單行結(jié)構(gòu)；（b）雙行結(jié)構(gòu)圖（b）為CCD的雙行結(jié)構(gòu)圖。光敏元中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移到上下方的移位寄存器中，然后在時(shí)鐘脈沖的作用下向終端移動(dòng)，在輸出端交替合并輸出。這種結(jié)構(gòu)與長度相同的單行結(jié)構(gòu)相比較，可以獲得高出兩倍的分辨率；同時(shí)由于轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，使CCD電荷轉(zhuǎn)移損失大為減少；雙行結(jié)構(gòu)在獲得相同效果情況下，又可縮短器件尺寸。由于這些優(yōu)點(diǎn)，雙行結(jié)構(gòu)已發(fā)展成為線型CCD圖像傳感器的主要結(jié)構(gòu)形式。線型CCD圖像傳感器可以直接接收一維光信息，不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號輸出，為了得到整個(gè)二維圖像的視頻信號，就必須用掃描的方法。線型CCD圖像傳感器主要用于測試、傳真和光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)等方面。

聲發(fā)射檢測傳感器案例：材料斷裂等結(jié)構(gòu)監(jiān)測超聲波傳感器原理超聲波發(fā)射原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，發(fā)射出超聲波.接收原理是當(dāng)超聲波作用在磁滯材料上時(shí)，使磁滯材料磁場變化，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢輸出。壓電式超聲波傳感器壓電式超聲波傳感器主要由超聲波發(fā)射器(或稱發(fā)射探頭)和超聲波接收器(或稱接收探頭)兩部分組成,它們都是利用壓電材料(如石英,壓電陶瓷等)的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的.利用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng),產(chǎn)生超聲波,以此作為超聲波的發(fā)射器.而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號,以此作為超聲波的接收器.在實(shí)際應(yīng)用中,壓電式超聲波傳感器的發(fā)射器和接收器合成為一體,由一個(gè)壓電元件作為"發(fā)射"和"接收"兼用,其工作原理為:將脈沖交流電壓加在壓電元件上,使其向被測介質(zhì)發(fā)射超聲波,同時(shí)又利用它接收從該介質(zhì)中反射回來的超聲波,并將反射波轉(zhuǎn)換為電信號輸出.因此,壓電式超聲波傳感器實(shí)質(zhì)上是一種壓電式傳感器.機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播過程叫做波，人耳能夠感受到頻率高于16赫茲，低于20000赫茲的彈性波，所以在這個(gè)頻率范圍內(nèi)的彈性波又叫聲波。頻率小于20赫茲的彈性波又叫次聲波，頻率高于20000赫茲的彈性波叫做超聲波。次聲波和超聲波人耳都不能感受。超聲波的特點(diǎn)：1、超聲波聲束能集中在特定的方向上，在介質(zhì)中沿直線傳播，具有良好的指向性。2、超聲波在介質(zhì)中傳播過程中，會(huì)發(fā)生衰減和散射。3、超聲波在異種介質(zhì)的界面上將產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換。利用這些特性，可以獲得從缺陷界面反射回來的反射波，從而達(dá)到探測缺陷的目的。4、超聲波的能量比聲波大得多。5、超聲波在固體中的傳輸損失很小，探測深度大，由于超聲波在異質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生反射、折射等現(xiàn)象，尤其是不能通過氣體固體界面。如果金屬中有氣孔、裂紋、分層等缺陷（缺陷中有氣體）或夾雜，超聲波傳播到金屬與缺陷的界面處時(shí)，就會(huì)全部或部分反射。反射回來的超聲波被探頭接收，通過儀器內(nèi)部的電路處理，在儀器的熒光屏上就會(huì)顯示出不同高度和有一定間距的波形?？梢愿鶕?jù)波形的變化特征判斷缺陷在工件重的深度、位置和形狀。超聲波探傷優(yōu)點(diǎn)是檢測厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對人體無害，能對缺陷進(jìn)行定位和定量。超聲波探傷對缺陷的顯示不直觀，探傷技術(shù)難度大，容易受到主客觀因素影響，以及探傷結(jié)果不便于保存，超聲波檢測對工作表面要求平滑，要求富有經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)人員才能辨別缺陷種類、適合于厚度較大的零件檢驗(yàn)，使超聲波探傷也具有其局限性。機(jī)器魚自動(dòng)避障模塊設(shè)計(jì)對于自動(dòng)避障，本項(xiàng)目通過一個(gè)超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲傳感器（收發(fā)一體化TR）發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收，然后將這一接收信號放大后送入單片機(jī)。

次聲波是頻率低于20赫茲的聲波，人耳聽不到，但可與人體器官發(fā)生共振，7~8Hz的次聲波會(huì)引起人的恐怖感，動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。產(chǎn)生次聲波的聲源是相當(dāng)廣泛的，現(xiàn)在人們已經(jīng)知道的次聲源有：火山爆發(fā)、墜入大氣層中的流星、極光、地震、海嘯、臺(tái)風(fēng)、雷暴、龍卷風(fēng)、電離層擾動(dòng)，等等。利用人工的方法也能產(chǎn)生次聲波，例如核爆炸、火箭發(fā)射、化學(xué)爆炸，等等。大面積瞬間殺人于無形的次聲波武器1.次聲波

魚群探測器

把這種探測器放在海里，它就會(huì)向水底發(fā)射聲波，如果有魚群通過，魚群吐出的大量水泡會(huì)使聲波反射回來，并通過壓電陶瓷接收聲波，變成電訊號，人們就可以從儀器上知道魚群的位置。用同樣的方法，也可以探測到海底暗礁，偵察在海洋里活動(dòng)的敵人的潛水艇。對高頻超聲波，由于它的波長短，不易產(chǎn)生繞射，碰到雜質(zhì)或分界面就會(huì)有明顯的反射，而且方向性好，能成為射線而定向傳播；在液體、固體中衰減小，穿透本領(lǐng)大。這些特性使得超聲波成為無損探傷方面的重要工具。案例1.超聲波探傷(1)穿透法探傷穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后的能量變化狀況，來判別工件內(nèi)部質(zhì)量的方法。穿透法用兩個(gè)探頭，置于工件相對面，一個(gè)發(fā)射超聲波，一個(gè)接收超聲波。發(fā)射波可以是連續(xù)波，也可以是脈沖。在探測中，當(dāng)工件內(nèi)無缺陷時(shí)，接收能量大，儀表指示值大；當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時(shí)，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個(gè)變化，就可以把工件內(nèi)部缺陷檢測出來。穿透法探傷示意圖(2)反射法探傷反射法探傷是以超聲波在工件中反射情況的不同，來探測缺陷的方法。下面以縱波一次脈沖反射為例，說明檢測原理。反射法探傷示意圖高頻脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖(發(fā)射波)加在探頭上，激勵(lì)壓電晶體振蕩，使之產(chǎn)生超聲波。超聲波以一定的速度向工件內(nèi)部傳播。一部分超聲波遇到缺陷F時(shí)反射回來；另一部分超聲波繼續(xù)傳至工件底面B，也反射回來。由缺陷及底面反射回來的超聲波被探頭接收時(shí)，又變?yōu)殡娒}沖。發(fā)射波T、缺陷波F及底波B經(jīng)放大后，在顯示器熒光屏上顯示出來。熒光屏上的水平亮線為掃描線(時(shí)間基準(zhǔn))，其長度與時(shí)間成正比。由發(fā)射波、缺陷波及底波在掃描線的位置，可求出缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判斷缺陷大?。挥扇毕莶ǖ男螤?，可分析缺陷的性質(zhì)。當(dāng)缺陷面積大于聲束截面時(shí)，聲波全部由缺陷處反射回來，熒光屏上只有T、F波，沒有B波。當(dāng)工件無缺陷時(shí)，熒光屏上只有T、B波，沒有F波。無損探傷

材料的缺陷人們在使用各種材料（尤其是金屬材料）的長期實(shí)踐中，觀察到大量的斷裂現(xiàn)象，它曾給人類帶來許多災(zāi)難事故，涉及艦船、飛機(jī)、軸類、壓力容器、宇航器、核設(shè)備等。

路軌斷裂事故無損探傷的方法

對缺陷的檢測手段有破壞性試驗(yàn)和無損探傷。由于無損探傷以不損壞被檢驗(yàn)對象為前提，所以得到廣泛應(yīng)用。無損檢測的方法有磁粉檢測法、電渦流法、熒光染色滲透法、放射線（x光、中子）照相檢測法、超聲波探傷法、霍爾元件探傷法等。

超聲波探傷

超聲波探傷是目前應(yīng)用十分廣泛的無損探傷手段。它既可檢測材料表面的缺陷，又可檢測內(nèi)部幾米深的缺陷，這是x光探傷所達(dá)不到的深度。A型超聲探傷反射波形裂紋(1)零件的識(shí)別與定位領(lǐng)域：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天、軍事等1、工業(yè)檢測例：雙目立體視覺檢測系統(tǒng)——簡單視覺的機(jī)器人系統(tǒng)■自動(dòng)連接引線、對準(zhǔn)芯片和封裝；■自動(dòng)安裝部件，自動(dòng)焊接或自動(dòng)切割加工、自動(dòng)澆注系統(tǒng)等。光電式與光導(dǎo)式傳感器應(yīng)用(2)零件尺寸的在線測量(3)零件外觀及內(nèi)部缺陷檢測芯片定位芯片管腳檢測鋼板厚度的在線測量

木料檢測原理例：木料檢測：缺陷、體積

(4)產(chǎn)品分類、分組(5)產(chǎn)品標(biāo)識(shí)、編碼識(shí)別蘋果分級、分色、配色商品條碼、印鑒、標(biāo)簽“手-眼”定位：兩個(gè)攝像機(jī)---兩幅平面圖像---三維場景信息用于：目標(biāo)識(shí)別、道路識(shí)別、障礙物判斷、主動(dòng)導(dǎo)航、自動(dòng)視覺導(dǎo)航無人駕駛汽車、無人駕駛飛機(jī)、無人戰(zhàn)車、探測機(jī)器人實(shí)例：美國Sojourner系列和Rocky系列火星探測移動(dòng)機(jī)器人2、機(jī)器人導(dǎo)航“機(jī)遇”號火星車拍攝火星土壤的顯微照片

“勇氣”號火星車發(fā)回的彩色照片美國勇氣號和機(jī)遇號火星探測移動(dòng)機(jī)器人3、生物醫(yī)學(xué)圖像分析（1）醫(yī)學(xué)臨床診斷：X射線、B超、CT、核磁共振（MRI）醫(yī)學(xué)影像融合分析細(xì)胞個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)

CT圖像自動(dòng)檢測：染色體切片、癌細(xì)胞切片、超聲波圖象三維人體掃描（2）生物圖像分析：形狀、組織切片、染色體配對、細(xì)菌、病毒、病原體外形尺寸檢測、顏色識(shí)別、表面損傷檢測以及組織分析葉片細(xì)胞顯微放大圖片

轉(zhuǎn)基因大豆孢子例：水果分類；發(fā)芽土豆；雜草識(shí)別4、遙感圖像分析：衛(wèi)星遙感圖像---氣象衛(wèi)星（紅外成象---云圖---氣象狀況）資源衛(wèi)星（多光譜成象----地質(zhì)、礦藏、森林、災(zāi)害）海洋衛(wèi)星（合成孔徑雷達(dá)成象---海洋、海浪、海灘）航空攝影圖像---（多目成象---大地測量、測繪）交通---車輛識(shí)別、牌照識(shí)別、車型判斷、車輛監(jiān)視、交通流量檢測安全---指紋判別與匹配、面孔與眼底識(shí)別、安全檢查（飛機(jī)、海關(guān)）監(jiān)視---超市、商店防盜、銀行監(jiān)控，停車場、電梯閉路電視6、軍事與國防：5、監(jiān)控、安防、交通管理：超低空雷達(dá)、超視距雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、導(dǎo)彈導(dǎo)航、地形匹配、單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)、戰(zhàn)場遙測、夜視儀、聲納成象7、辦公與家電：辦公設(shè)備---數(shù)碼復(fù)印機(jī)、掃描儀、傳真機(jī)、繪圖儀家用電器---數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、可視電話、可視門鈴第一節(jié)光電效應(yīng)與光電器件

一、外光電效應(yīng)特點(diǎn)：速度快---從光照射到釋放電子時(shí)間不超過10-9秒。需足夠光能---光子能量>表面溢出功A0原理：光→物體表面→光電子發(fā)射

光電傳感器的物理基礎(chǔ)就是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。愛因斯坦光電效應(yīng)方程1、不同物質(zhì)具有不同的逸出功，即每個(gè)物體都有一個(gè)對應(yīng)的光頻閥值，稱為紅限頻率或波長限。2、入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)度成正比。光強(qiáng)越大，入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。3、光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能，因此即使沒有外加電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生。1.模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性,其光通量是隨被測量而變,光電流就成為被測量的函數(shù),故又稱為光電傳感器的函數(shù)運(yùn)用狀態(tài)光電傳感器。這一類光電傳感器有如下幾種工作方式。被測物體位于恒定光源與光電元件之間,根據(jù)被測物對光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測定被測參數(shù)。如測量液體、氣體的透明度、混濁度,對氣體進(jìn)行成分分析,測定液體中某種物質(zhì)的含量等。恒定光源發(fā)出的光投射到被測物體上,被測物體把部分光通量反射到光電元件上,根據(jù)反射的光通量多少測定被測物表面狀態(tài)和性質(zhì)。例如測量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。被測物體位于恒定光源與光電元件之間,光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物遮去其一部分,使作用在光電元件上的光通量減弱,減弱的程度與被測物在光學(xué)通路中的位置有關(guān)。利用這一原理可以測量長度、厚度、線位移、角位移、振動(dòng)等。被測物體本身就是輻射源，它可以直接照射在光電元件上，也可以經(jīng)過一定的光路后作用在光電元件上。光電高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、紅外偵察和紅外遙感等均屬于這一類。這種方式也可以用于防火報(bào)警和構(gòu)成光照度計(jì)等。請同學(xué)們回答下面問題：解釋外光電效應(yīng)？內(nèi)光電效應(yīng)？光生伏打效應(yīng)？光電池的種類？應(yīng)用最廣泛的是？光電元件有哪些？真空管的光電特性？哪種光電管有良好的線性度？何謂光電管的伏安特性？常用的光敏電阻？光敏電阻的主要特征參數(shù)？光電傳感器的應(yīng)用？請同學(xué)們理解案例：1.冷軋鋼帶跑偏監(jiān)測2.光電轉(zhuǎn)速計(jì)紅外傳感器1.紅外輻射的基本定律紅外輻射:紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.5μm～103μm，紅外線在電磁波譜中的位置如圖1所示。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。圖1電磁波譜圖(1)基爾霍夫定律：處于同一溫度下的各種物體的輻射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng)，即M=dM0

M0，表示輻射本領(lǐng)，物體在單位時(shí)間內(nèi)單位面積輻射的能量d－－吸收系數(shù) M0－－同一溫度下黑體的輻射本領(lǐng)(2)斯戒藩一玻耳茲曼定律：物體溫度越高，其輻射的能量越多。M為某物體在絕對溫度T時(shí)單位面積和單位時(shí)間內(nèi)輻射的總能量，則:M=T4其中斯戒藩一玻耳茲曼常數(shù)；為比輻射率，值<1(3)維思位移定律。物體熱輻射的能量包括各種波長的電磁波。物體的峰值輻射波長m與物體自身的絕對溫度T成反比，即m＝0.2987/T1.基本定律紅外探測器的類型紅外傳感器（也稱為紅外探測器）是利用紅外輻射與物質(zhì)