智能傳感與檢測技術(shù) 教案 10-1 10.1智能傳感器概述10.2 智能圖像傳感器

《智能傳感與檢測技術(shù)》課程教案授課章節(jié)第10章智能傳感器10.1智能傳感器概述10.2智能圖像傳感器建議課時2授課方式理論知識講授+提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學(xué)目標(biāo)1.理解智能傳感器的概念、功能、實現(xiàn)方式2.掌握CCD圖像傳感器的工作原理3.理解CMOS圖像傳感器組成與技術(shù)參數(shù)4.了解CIS圖像傳感器5.了解圖像傳感器的應(yīng)用教學(xué)重點1.智能傳感器的概念、功能、實現(xiàn)方式2.CCD圖像傳感器的工作原理3.CMOS圖像傳感器組成與技術(shù)參數(shù)教學(xué)難點1.CCD圖像傳感器的工作原理2.CMOS圖像傳感器組成與技術(shù)參數(shù)參考教材《智能傳感與檢測技術(shù)》徐小華主編機(jī)械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學(xué)內(nèi)容『新課導(dǎo)入』智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)。智能傳感器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動作，結(jié)合長期以來智能測試技術(shù)的研究和實際經(jīng)驗而提出來的。傳感器智能化的發(fā)展有兩個方向：一個方向是傳感器與微處理器相結(jié)合；另一個方向是傳感器與人工智能技術(shù)相結(jié)合?！菏谡n內(nèi)容』10.1智能傳感器概述10.1.1智能傳感器的概念智能傳感器的概念及雛形是美國宇航局在開發(fā)宇宙飛船的過程中形成的。宇宙飛船需要大量的傳感器檢測飛船的狀態(tài)（如溫濕度、氣壓、速度、加速度和姿態(tài)等）。人類大腦根據(jù)積累的知識、經(jīng)驗對環(huán)境進(jìn)行推理判斷，做出相應(yīng)反應(yīng)，如圖10-1所示。智能傳感器與人類智能相類似，其傳感器相當(dāng)于人類的感知器官，其微處理器相當(dāng)于人類大腦，可進(jìn)行信息處理、邏輯思維與推理判斷，存儲設(shè)備存儲“知識、經(jīng)驗”與采集的有用數(shù)據(jù)，如圖10-2所示為智能傳感器的結(jié)構(gòu)。10.1.2智能傳感器的功能智能傳感器引入了微處理器進(jìn)行信息處理、邏輯思維、推理判斷，使其除了具有傳統(tǒng)傳感器的檢測功能外，還具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信等功能，其功能已經(jīng)延伸至儀器的領(lǐng)域。10.1.3智能傳感器的實現(xiàn)方式智能傳感器也種類繁多，如智能溫度傳感器、智能壓力傳感器、智能流量傳感器等。盡管各種智能傳感器功能各不相同，但是智能傳感器有著相類似的實現(xiàn)方式，具體分為以下3種實現(xiàn)方式。模塊化方式集成化方式混合方式10.1.4智能傳感與檢測技術(shù)10.2智能圖像傳感器10.2.1CCD圖像傳感器1.CCD的工作原理電荷耦合器件的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。所以CCD的的基本功能是存儲和轉(zhuǎn)移電荷。它存儲由光或電激勵產(chǎn)生的信號電荷，當(dāng)對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸。CCD工作過程中的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生（將光轉(zhuǎn)換成信號電荷）、存儲（存儲信號電荷）、傳輸（轉(zhuǎn)移信號電荷）和檢測（將信號電荷轉(zhuǎn)換成電信號）。CCD的工作原理如圖10-7所示。2.CCD的分類按照像素排列方式的不同，CCD又可分為線陣（Linear）與面陣（Area）兩大類，如圖10-11所示。其中線陣應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機(jī)上，而面陣主要應(yīng)用于工業(yè)相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等多項影像輸入產(chǎn)品上。1）線陣CCD2）面陣CCD3.CCD圖像傳感器的性能指標(biāo)衡量CCD好壞的指標(biāo)很多，如像素數(shù)、幀率、靶面尺寸、感光度、電子快門和信噪比等。其中，像素數(shù)和靶面尺寸是重要的指標(biāo)。10.2.2CMOS圖像傳感器1.CMOS的組成CNOS的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。像敏單元陣列由光電二極管陣列構(gòu)成。圖10-15所示的像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個像敏單元都有它在X、Y方向上的地址，并可分別由兩個方向的地址譯碼器進(jìn)行選擇，輸出信號送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號輸出。2.CMOS的技術(shù)參數(shù)了解CCD和CMOS芯片的成像原理和主要參數(shù)對產(chǎn)品的選型非常重要。同樣，相同的芯片經(jīng)過不同的設(shè)計制造出的相機(jī)，性能也可能有所不同。3.CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器的區(qū)別10.2.3CIS圖像傳感器除了CCD和CMOS圖像傳感器外，還有一種常用的圖像傳感器，叫接觸式圖像傳感器（CIS)。CIS圖像傳感器被用在掃描儀中，是將感光單元緊密排列，直接收集被掃描稿件反射的光線信息，由于本身造價低廉，又不需要透鏡組，所以可以制作出結(jié)構(gòu)更為緊湊的掃描儀，使成本大大降低。但是，由于是接觸式掃描（必須與原稿保持很近的距離）只能使用LED光源，分辨率以及色彩表現(xiàn)目前都趕不上CCD感光器件。掃描儀外形圖如圖10-17所示。掃描儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖10-18所示。10.2.4圖像傳感器的應(yīng)用1.CCD圖像傳感器在數(shù)碼速印機(jī)的應(yīng)用2.CMOS圖像傳感器的應(yīng)用【多媒體演示】多媒體課件見教材配套教學(xué)PPT『課堂小結(jié)』CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的。CCD圖像像傳感器與CMOS圖像傳感器器的主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲煌?。CCD圖像傳感器中每一行中每一個像素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個像素中，由最底端部