传感器论文

人们为了从外界获取信息，必须借助于人类特有的感官系统。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的重新定义。

现今世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

CCD图像传感器

机械量测量中有关形状和尺寸的信息以图像方式表达最为方便。目前较为实用的图像传感器为电荷耦合器件（Charge Couple Device简称CCD）。它分为线阵CCD和面阵CCD两种。前者用于尺寸和位移的测量，后者用于平面图形、文字的传递等。目前面阵CCD已作为固态摄像器用于可视电话和闭路电视等，在生产过程的监视和楼宇安保系统等领域的应用也日趋广泛。这里仅介绍线阵CCD在位移测量中的应用。

1基本工作原理

和其它大多数电子器件不同的是，电荷耦合器件CCD是以电荷作为信号，而不是以电流或者电压作为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和读出。

A 光－电转换及电荷的存储

+

金属层 CCD是由许多光敏像元组成的。每一个像元就是一

个MOS（金属－氧化物－半导体）电容器，参看图1.1。在P型硅衬底上通过氧化形成一层SiO2，再在SiO2表面蒸镀一金属层（多晶硅）作为电极。P型硅中的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电

势阱 二氧化硅 P型硅

图1.1 CCD基本结构示意图

子。当电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是，带正电荷的空穴被排斥到远离电极处，带负电荷的电子被吸引到紧靠SiO2层的表面上来。这种现象便形成了对电子而言的陷阱，电子一旦进入就不能复出，故又称为电子势阱。

当一束光线投射到MOS电容上时，光子穿过多晶硅电极及SiO2层，进入P型硅衬底，光子的能量被半导体吸收，产生电子－空穴对，这时出现的电子被吸引并储存在势阱中。射入的光线越强，势阱中收集的电子就越多，从而实现了光和电的转换。而势阱中的电子处于被储存状态，即使停止光照，一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。

B 电荷的耦合及转移

CCD除了能储存电荷之外，还具有转换图像信息电荷的能力，故又称为动态移位寄存器。为了实现信号电荷的转移，首先必须使MOS电容阵列的排列足够的紧密（间隔小于3m），以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。其次，根据加在MOS电容上的电压越高，产生的势阱越深的原理，通过控制相邻MOS电容栅极电压的高低来调节势阱的深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深的地方。此外还必须指出，在CCD中，电荷的转移必须按照确定的方向进行。为此，在MOS阵列上所加的各路电压脉冲（即时钟脉冲）必须严格满足相位的要求，使得任何时刻势阱的变化总是朝着一个方向。例如，电荷是向右转移，则任何时刻当存有信号的势阱抬起时，在

t1 t2 t3 t4 它右边的势阱总比左边的深，这样就保证了电荷

始终向右转移。

φ1 为了实现这种定向转移，在CCD的MOS

阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的

φ无限循环结构。每一单元称为一位。将每一位中的电容栅极分别接到各自共同电极上，此共同电φ3 极称为相线。例如，把MOS线阵电容划分成相邻三个为一单元，其中第1，4等电容的栅极(a) 三相转移电压 连接到同一根相线上，第2，5连接到第二根

φ1 φ2 共同相线上，第3，6连接到第三根共同相线上。如图1.2 所示。显然，一位CCD中含的电

2 3 4 5 1 容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。通常CCD有二

相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟t = t1 脉冲也分别为二相、三相、四相。二相脉冲的两种脉冲相位差为180；三相脉冲及四相脉冲的相t = t2 位差分别为120和90。当这种时序脉冲加到

CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的t = t3 定向转移。

图1.2所示为三相CCD中的两位。如果在每t = t4 一位的三个电极上都加上图6.26（a）所示的脉

冲电压，则可实现电荷的转移。具体工作过程如t = t5 图6.26（b）所示。图中取表面势增加的方向向

t = t6

(b) 电荷转移过程

6 图1.2 CCD的工作原理

下。在t = t1时，φ1处于高电平，而φ2、φ3处于低电平。由于φ1电极上的栅压大于开启电压，故在φ1电极下形成势阱。假设此时有外来的电荷注入，则电荷将积聚到φ1电极下；当t = t2时，φ1、φ2同时处于高电平，φ3处于低电平。故在φ1、φ2电极下都形成势阱。由于这两个电极靠得很近，电荷就从φ1电极下耦合到φ2电极下；当t = t3时，φ1上的栅压小于φ2上的栅压。故φ1电极下的势阱变“浅”，电荷更多地流向φ2电极下；当t = t4时，φ1、φ3都处于低电平，只有φ2处于高电平。故电荷全部聚集到φ2的电极下，实现了电荷从电极φ1到φ2下的转换；经过同样的过程，当t = t5时，电荷包又耦合到φ3电极下；依次类推。因此，CCD在时钟脉冲的控制下，势阱的位置可以定向移动，信号电荷也就随之转移。

C 电荷的读出

通常CCD信号电荷的读出采用选通电荷积分器结构。以三相CCD为例，其电荷读出原理如图6.27 所示。

信号电荷包在外加驱动脉冲的作用下，在CCD移位寄存器中按顺序传送到输出级。当电荷包进入最后一个势阱（φ3下面）中时，复位脉冲φR为正，场效应管T1导通，输出二极管D处于很强的反向偏置之下，其结电容CS被充电到一个固定的直流电平上，于是源极跟随器T2的输出电平被复位到一个固定的且略低于VCC的电平上，此电平称为复位电平。当φR正脉冲结束后，T1截止，由于T1存在一定的漏电流，这漏电流在T1上产生一个小的管压降，使输出电压有一个下跳，其下跳值称为馈通电压。当φR为正时，φ3也处于高电位，信号电荷被转移到φ3势阱中，由于输出栅压VOG是一个比φ3低的正电位，因此信号电荷仍被保存在φ3势阱中，但随着φR正脉冲结束，并变得低于VOG时，这时信号电荷进入CS后，立即使A点电位下降到一个于信号电荷量成正比的电位上，即信号电荷越多，A点电位下降越多。与此响应，T2输出电平Vo也跟随下降，其下降幅度才是真正的信号电压，CCD输出信号波形如图6.27（b）所示。

123OGRADCsT1T2VosVcc3RVo0vabdcRLa-复位电平 b-馈通电压c-参考电平 d-信号电压(a) 电路结构 (b) 输出信号波形图图6.27 CCD输出电路结构与输出信号波形图

6.2.4.3 线阵CCD应用举例

下面给出一 例用线阵CCD来在线测量棒状物尺寸的应用：

所谓棒状物在这里指的是尺寸为厘米级的圆柱体。工业生产中常常需要对它们的长度、直径等参数进行非接触式精密在线测量。例如卷烟生产过程中卷烟长度、直径的测量；机械加工和精密注塑过程中各种棒状物长度的在线测量等。测量过的信号经处理后由计算机显示并打印输出，以便进行在线质量监测，或作为被调参数进行控制。

棒状物长度的非接触式精密在线测量，是用平行光源照射后将被测物投影在CCD像传感器上。CCD像传感器的输出信号经过二值化处理后，再由单片机进行数据采集及信号处理，最后由计算机提供屏幕显示。整个测量系统如图6.30所示。

计算机 单片机 二值化 屏幕显示 数据采集 处理 CCD

平行光源

h1 h 基准面 棒状物 ho



图6.30 棒状物长度测量系统

图6.30中，平行光源、棒状物参比端及CCD像传感器必须置于同一个基准面上。棒状物被测端、平行光中心轴线和CCD 像传感器的中心点要位于同一直线上。

平行光源的作用是产生一束高平行度的光线，以便使棒状物经平行光照射后在CCD上都能形成1:1的高精度成像。平行光源为本系统中一个极其关键的设备。平行光源采用高亮度白炽灯作为点光源，经组合透镜后形成平行光束。它具有结构简单、平行度高及亮度均匀等特点。 CCD 的型号为TCD141C，像点尺寸为7，共平行光源  基准面 5000个像点，测量长度范围为棒状物  35mm。由平行光源、CCD像

被测端 CCD 传感器及棒状物构成的成像系

 统以及CCD视频输出信号的

φSH 波形如图6.31所示。

t

t OS1

OS2 φO t

h1 t

图6.31 棒状物成像系统及CCD输出波形

t

图中，棒状物挡住了部分平行光，未挡住的平行光在CCD上成像。OS1、OS2分别为CCD奇数位和偶数位像点的脉冲输出波形。奇、偶位像点脉冲有一个相位差。利用这个相位差可以很方便地对成像信号进行二值化处理。φSH为周期扫描信号脉冲，利用φSH可以作为计数的定位脉冲。

信号处理电路的任务是将CCD的成像信号处理成与实际棒状物长度相对应的数值。

信号处理的第一步是对CCD成像信号进行二值化处理。二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。在平行光的照射下，CCD成像电平在对应于棒状物被测端应有明显急剧的电平变化。通过二值化处理就可以把CCD视频信号中对应的图像尺寸边界分离出来。

实际的CCD视频信号二值化处理方法由硬件电路完成，其框图如图6.32所示。

比较器1 反向器1 OS1 放大 φO

阈值 与门

比较器2 反向器2 OS2 放大

图6.32 CCD视频信号二值化处理电路框图

图中CCD像传感器的奇数位和偶数位输出信号OS1和OS2经各自放大后分别送入比较器1和2，并和同一个阈值电平进行比较。然后根据这两路视频信号脉冲相位错迭的特点，通过逻辑电路合成一个方波φO输出，该方波前沿代表了棒状物被测端的位置(图6.30中的h1 )。实践证明，只要选取适当的阈值，就能

完全满足测量精度的要求。

单片机实现两个功能：首先完成对棒状物参与CCD成像部分长度h1的定时计数功能。由图6.31所示，从φSH脉冲的下降沿开始计数、至φO方波的前沿（下降沿）为止的计数值代表了h1的大小。其次完成棒状物整个长度h=h1+h0的数据转换，并送至计算机处理。这里h0为代表棒状物未参与CCD成像部分的固定长度。它应与相应的给定脉冲数相对应。

棒状物实际长度测量时需要预先进行标定。标定是用一个标准长度的棒状物作为基准。经标定后的棒状物长度测量误差不超过0.05 mm，完全满足生产工艺的要求。

当需要同时测量圆棒状物的直径时，必须使用另一个CCD，单片机能根据该CCD成像信号的特点能自动识别长度和直径信号并加以处理。