信息轉(zhuǎn)換與傳輸

1、青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)谝还?jié)第一節(jié) 信息轉(zhuǎn)換信息轉(zhuǎn)換一、信息探測工程與智能傳感器一、信息探測工程與智能傳感器1 1、人類認(rèn)識事物的信息過程、人類認(rèn)識事物的信息過程 人們認(rèn)識和實踐的過程，基本上就是信息獲取、傳遞、處理、產(chǎn)生新信人們認(rèn)識和實踐的過程，基本上就是信息獲取、傳遞、處理、產(chǎn)生新信息，并以新的信息來控制對象的過程，即基本上是一個信息流通過程（又稱息，并以新的信息來控制對象的過程，即基本上是一個信息流通過程（又稱信息過程）。信息過程）。 人類認(rèn)識世界和改造世界的人類認(rèn)識世界和改造世界的一切活動中，無不牽涉到信息的交一切活動中，無不

2、牽涉到信息的交換和利用。換和利用。信息是人類認(rèn)識世界的信息是人類認(rèn)識世界的出發(fā)點出發(fā)點（事物是以什么方式在運動？（事物是以什么方式在運動？其運動狀態(tài)如何？），其運動狀態(tài)如何？），信息又是人信息又是人類改造世界的歸宿類改造世界的歸宿（希望（希望事物以什事物以什么方式運動？希望它處于怎樣的運么方式運動？希望它處于怎樣的運動狀態(tài)？）動狀態(tài)？） 正如正如WienerWiener所說：所說：“信息這個名稱的內(nèi)容，就是我們對外界進(jìn)行調(diào)節(jié)，信息這個名稱的內(nèi)容，就是我們對外界進(jìn)行調(diào)節(jié)，并使我們的調(diào)節(jié)為外界所了解時，而與外界交換來的東西。并使我們的調(diào)節(jié)為外界所了解時，而與外界交換來的東西?！鼻鄭u大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

3、青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸2 2、人類感官獲取信息的局限性、人類感官獲取信息的局限性 人類通過感覺器官直接獲取信息的實驗表明人類通過感覺器官直接獲取信息的實驗表明, ,大腦的吸收率分別為：視大腦的吸收率分別為：視覺覺83%；聽覺；聽覺11%；嗅覺；嗅覺3.5%；觸覺；觸覺1.5%；味覺；味覺1%。 人類感官獲取信息的人類感官獲取信息的局限性源于人的感官和大腦具有過濾信息的本能局限性源于人的感官和大腦具有過濾信息的本能。 （1 1）感官機(jī)能）感官機(jī)能 視覺器官只接收視覺器官只接收0.380.78m的光信號，聽覺器官只接收的光信號，聽覺器官只接收2020kHz聲

4、信號。聲信號。 （2 2）智力（或知識）結(jié)構(gòu)）智力（或知識）結(jié)構(gòu) 同一信源發(fā)出的信息，所產(chǎn)生的效果同一信源發(fā)出的信息，所產(chǎn)生的效果因人而異因人而異。與人的智力、知識結(jié)構(gòu)、職業(yè)、愛好、年齡等因素相關(guān)。與人的智力、知識結(jié)構(gòu)、職業(yè)、愛好、年齡等因素相關(guān)。 （3 3）理性作用）理性作用 人的一生，每時每刻都在接受信息。然而，接受信息的方人的一生，每時每刻都在接受信息。然而，接受信息的方式因人而異，一種是非自覺的，只單憑自身實踐；而另一種則是主動積極地思式因人而異，一種是非自覺的，只單憑自身實踐；而另一種則是主動積極地思維。例如，一個懶漢與維。例如，一個懶漢與一個立志成才的人的差異。一個立志成才的人的差

5、異。3 3、傳感系統(tǒng)的一般模型、傳感系統(tǒng)的一般模型 傳感技術(shù)（傳感技術(shù)（現(xiàn)代被稱為現(xiàn)代被稱為信息探測工程學(xué)）信息探測工程學(xué)）是研究物質(zhì)的是研究物質(zhì)的物理效應(yīng)物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)化學(xué)效應(yīng)以及以及生物效應(yīng)生物效應(yīng)，作為信息探測的實際應(yīng)用的一門科學(xué)。，作為信息探測的實際應(yīng)用的一門科學(xué)。 傳感技術(shù)的多樣性傳感技術(shù)的多樣性 信息的形式豐富多彩，要求有多種多樣的感測手段信息的形式豐富多彩，要求有多種多樣的感測手段 傳感器應(yīng)具有敏感性和選擇性傳感器應(yīng)具有敏感性和選擇性 敏感性敏感性是從信息化出發(fā)，探測微弱有用是從信息化出發(fā)，探測微弱有用信息的要求；信息的要求；選擇性選擇性是是從智能化出發(fā)，能從大量的噪聲背景中

6、提取有用信息。從智能化出發(fā)，能從大量的噪聲背景中提取有用信息。青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸( (a) ) 簡單感測系統(tǒng)模型簡單感測系統(tǒng)模型( (b) ) 復(fù)雜傳感系統(tǒng)模型復(fù)雜傳感系統(tǒng)模型 傳感系統(tǒng)的一般模型傳感系統(tǒng)的一般模型 （1 1）簡單感測系統(tǒng)簡單感測系統(tǒng) 如溫度如溫度計、風(fēng)向標(biāo)計、風(fēng)向標(biāo)（2 2）復(fù)雜傳感系統(tǒng)復(fù)雜傳感系統(tǒng) 如雷達(dá)系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)等。如雷達(dá)系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)等。為了識別信息為了識別信息4 4、傳感技術(shù)的發(fā)展、傳感技術(shù)的發(fā)展 新型固體功能材料與功能元件新型固體功能材料與功能元件的發(fā)展是的發(fā)展是新型傳感器研發(fā)的

7、新型傳感器研發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)物質(zhì)基礎(chǔ)；微微電子技術(shù)電子技術(shù)為傳感器的智能化提供了為傳感器的智能化提供了技術(shù)基礎(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ)。 傳感技術(shù)發(fā)展的兩個方向：傳感技術(shù)發(fā)展的兩個方向：擴(kuò)展擴(kuò)展感測信息的感測信息的譜域譜域和和提高提高識別信息的識別信息的智能智能（1 1）擴(kuò)展譜域擴(kuò)展譜域青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸（a）視覺與光傳感器視覺與光傳感器 常見的聲傳感器是常見的聲傳感器是鼓膜式微聲器鼓膜式微聲器，例如電容式拾音器；最近代的是，例如電容式拾音器；最近代的是光纖聲光纖聲壓傳感器壓傳感器，它利用光纖中傳輸光的特性（例如位相）變化來獲得傳感功能。，它利用光纖

8、中傳輸光的特性（例如位相）變化來獲得傳感功能。 可測頻率范圍可測頻率范圍人耳只能感知人耳只能感知2020kHz聲信號。聲信號。現(xiàn)代超聲檢測現(xiàn)代超聲檢測遠(yuǎn)遠(yuǎn)超遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這一范圍。例如，檢測固體材料斷裂時發(fā)出的聲波的聲發(fā)射檢測技術(shù)過這一范圍。例如，檢測固體材料斷裂時發(fā)出的聲波的聲發(fā)射檢測技術(shù)(AE)及研究生物（如魚類、鳥類）語言的聲檢測裝置等，及研究生物（如魚類、鳥類）語言的聲檢測裝置等，可測頻率達(dá)數(shù)兆赫茲可測頻率達(dá)數(shù)兆赫茲。性性 能能人人 眼眼光光 傳傳 感感 器器響應(yīng)譜域響應(yīng)譜域0.380.78m10-7m0.1m響應(yīng)速度響應(yīng)速度0.1s10-9s對物體大小的分辨力對物體大小的分辨力0.1 0.

9、2mm可放大可放大3030萬倍，例如激光測長儀的分萬倍，例如激光測長儀的分辨力可達(dá)辨力可達(dá)1010-7-7mmmm遠(yuǎn)視距離遠(yuǎn)視距離數(shù)千米數(shù)千米可探知宇宙空間可探知宇宙空間人眼對顏色的識別能力，對圖像的立體感覺能力，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的所有光傳感器人眼對顏色的識別能力，對圖像的立體感覺能力，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的所有光傳感器（b）聽覺與聲壓傳感器聽覺與聲壓傳感器 聽閾壓力聽閾壓力在在1000Hz條件下，人耳的聽閾壓力為條件下，人耳的聽閾壓力為210-5Pa，而高靈敏微，而高靈敏微音技術(shù)可拾取微弱的聲音信息。音技術(shù)可拾取微弱的聲音信息。青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息

10、轉(zhuǎn)換與傳輸（c）觸覺與與溫度、壓力傳感器觸覺與與溫度、壓力傳感器 測溫范圍極大測溫范圍極大現(xiàn)今，溫度傳感器的測溫范圍從接近現(xiàn)今，溫度傳感器的測溫范圍從接近絕對零度絕對零度到核融等到核融等離子體溫度（離子體溫度（約一千萬攝氏度約一千萬攝氏度）。）。 “電子鼻電子鼻”是利用半導(dǎo)體材料（是利用半導(dǎo)體材料（SnO，ZnO，F(xiàn)e2O3等）的化學(xué)效應(yīng)特性（當(dāng)?shù)龋┑幕瘜W(xué)效應(yīng)特性（當(dāng)吸收了可燃性氣體，如氫、烷、醚、醇、苯、沼氣等，會發(fā)生還原反應(yīng)），吸收了可燃性氣體，如氫、烷、醚、醇、苯、沼氣等，會發(fā)生還原反應(yīng)），來辨別氣體。此外，來辨別氣體。此外，味覺傳感器味覺傳感器用于辨別酸、甜、苦、辣，例如，甜度儀。用于

11、辨別酸、甜、苦、辣，例如，甜度儀。（d）嗅覺傳感器嗅覺傳感器 基于微電子技術(shù)基于微電子技術(shù)研發(fā)具有校正、變換、研發(fā)具有校正、變換、統(tǒng)計處理、反饋等多種功能的、具有思統(tǒng)計處理、反饋等多種功能的、具有思維、辨別能力的維、辨別能力的智能傳感器智能傳感器。 感溫靈敏度極高感溫靈敏度極高如測量極低溫的約塞夫遜效應(yīng)型熱噪聲溫度計及核四如測量極低溫的約塞夫遜效應(yīng)型熱噪聲溫度計及核四重共振吸收量子效應(yīng)型溫度計，在重共振吸收量子效應(yīng)型溫度計，在- -2630C1800C，分辨力可達(dá)到，分辨力可達(dá)到0.0010C。（2 2）智能化智能化 在信息仿生學(xué)方面，傳感技術(shù)向著信在信息仿生學(xué)方面，傳感技術(shù)向著信息化、智能化

12、、綜合化方向發(fā)展，開發(fā)息化、智能化、綜合化方向發(fā)展，開發(fā)人工信息系統(tǒng)、仿生系統(tǒng)人工信息系統(tǒng)、仿生系統(tǒng) 與微機(jī)結(jié)合，開發(fā)集信息轉(zhuǎn)換、運算與微機(jī)結(jié)合，開發(fā)集信息轉(zhuǎn)換、運算及記憶和傳輸功能于一塊硅片上的及記憶和傳輸功能于一塊硅片上的多功多功能智能傳感器能智能傳感器。青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸此外，從工程應(yīng)用的角度考察，還應(yīng)注意傳感技術(shù)的下列發(fā)展動向：此外，從工程應(yīng)用的角度考察，還應(yīng)注意傳感技術(shù)的下列發(fā)展動向： （a）動態(tài)測量）動態(tài)測量 如火箭發(fā)射、地質(zhì)勘探、振動與噪聲分析等瞬太變化物理如火箭發(fā)射、地質(zhì)勘探、振動與噪聲分析等瞬太變化物理量的測量。

13、量的測量。 （c）特殊環(huán)境下測量）特殊環(huán)境下測量 例如光纖傳感器具有不受電磁干擾、以及絕緣、耐例如光纖傳感器具有不受電磁干擾、以及絕緣、耐水性等優(yōu)良特性；核輻射傳感器不易受到油污、水汽、高溫等的影響；激光水性等優(yōu)良特性；核輻射傳感器不易受到油污、水汽、高溫等的影響；激光的高方向性、單色性測量距離、速度、加速度等不易受到環(huán)境噪聲的干擾。的高方向性、單色性測量距離、速度、加速度等不易受到環(huán)境噪聲的干擾。 （d）微觀分析）微觀分析 掃描電鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀等打開了人類對微觀世界的探測。射線衍射儀等打開了人類對微觀世界的探測。 （b b）遠(yuǎn)距離、非接觸測量）遠(yuǎn)距離、非接觸測量 如自動軋鋼過程中

14、檢測鋼板厚度的非接觸式如自動軋鋼過程中檢測鋼板厚度的非接觸式射線測厚儀，以及飛機(jī)上安裝的聲發(fā)射傳感器，在駕駛室內(nèi)可監(jiān)視飛機(jī)構(gòu)件射線測厚儀，以及飛機(jī)上安裝的聲發(fā)射傳感器，在駕駛室內(nèi)可監(jiān)視飛機(jī)構(gòu)件的工作狀況等。的工作狀況等。二、工程中的新型傳感器二、工程中的新型傳感器 “新新”體現(xiàn)的是體現(xiàn)的是20世紀(jì)世紀(jì)70年代以來，隨電子技術(shù)、新材料的發(fā)展，而發(fā)展起年代以來，隨電子技術(shù)、新材料的發(fā)展，而發(fā)展起來的傳感、檢測技術(shù)。例如，來的傳感、檢測技術(shù)。例如，激光激光（60年代）、年代）、聲發(fā)射聲發(fā)射（60年代末）年代末）光纖光纖（70年代）等。年代）等。1 1、核輻射檢測、核輻射檢測、X X射線射線原理：原理

15、：被測物質(zhì)被測物質(zhì) 被測物質(zhì)對射線的吸收、散射被測物質(zhì)對射線的吸收、散射 射線對被測物質(zhì)的電離激發(fā)、射線對被測物質(zhì)的電離激發(fā)、穿透作用穿透作用青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸 射線射線帶帶2 2個個正電荷正電荷的高速的高速 粒子流粒子流。 粒子的粒子的質(zhì)量為質(zhì)量為4.002775原子質(zhì)量原子質(zhì)量單位，單位，從原子核中從原子核中以以2104km/s的速度的速度射出射出，其初始能量達(dá)，其初始能量達(dá)(5(59)9)10106 6eVeV。 射線主要用于氣體分析，測量氣體壓力、流量等。射線主要用于氣體分析，測量氣體壓力、流量等。核輻射檢測裝置核輻射檢測

16、裝置: : 射射線線放射性物質(zhì)發(fā)生放射性物質(zhì)發(fā)生 衰變（衰變（衰變是原子核中的一個中子轉(zhuǎn)變成一個衰變是原子核中的一個中子轉(zhuǎn)變成一個質(zhì)子而放出一個電子的結(jié)果），質(zhì)子而放出一個電子的結(jié)果），所釋放出的高能量電子，所釋放出的高能量電子，其質(zhì)量為其質(zhì)量為0.000549原原子質(zhì)量單位，速度達(dá)子質(zhì)量單位，速度達(dá)2105km/s，能量，能量約約(0.13)106eV。粒子用于測量材粒子用于測量材料厚度、密度等。料厚度、密度等。 射射線線是一種電磁輻射。處于受激態(tài)的原子核常在極短的時間內(nèi)是一種電磁輻射。處于受激態(tài)的原子核常在極短的時間內(nèi)(10-14s)將自己多余能量以電磁輻射將自己多余能量以電磁輻射(光子光

17、子)形式放射出來，而使其回到基態(tài)。形式放射出來，而使其回到基態(tài)。射線射線的的波長較短波長較短(約為約為10-8 10-10 cm)，不帶電，能量約為幾十萬電子伏特。，不帶電，能量約為幾十萬電子伏特。射線射線在物在物質(zhì)中的穿透能力很強(qiáng)，能穿透幾十厘米厚的固體物質(zhì)，在氣體中射程達(dá)數(shù)百米。質(zhì)中的穿透能力很強(qiáng)，能穿透幾十厘米厚的固體物質(zhì)，在氣體中射程達(dá)數(shù)百米。射線射線廣泛應(yīng)用于金屬探傷、測大厚度等。廣泛應(yīng)用于金屬探傷、測大厚度等。 X射線射線從原子核外的內(nèi)層電子被激發(fā)放出的電磁波，波長從原子核外的內(nèi)層電子被激發(fā)放出的電磁波，波長10-210-6m一般由一般由射線源射線源、探測器探測器、電信號轉(zhuǎn)換電路電

18、信號轉(zhuǎn)換電路、顯示顯示/ /記錄裝置記錄裝置四部分組成。四部分組成。 探測器工作原理探測器工作原理基于粒子輻射對物質(zhì)的電離作用，或利用射線能使某基于粒子輻射對物質(zhì)的電離作用，或利用射線能使某些物質(zhì)產(chǎn)生熒光的性質(zhì)，再通過光電元件轉(zhuǎn)換為電信號。一般常用的有：些物質(zhì)產(chǎn)生熒光的性質(zhì)，再通過光電元件轉(zhuǎn)換為電信號。一般常用的有：比比例計數(shù)管例計數(shù)管、蓋革計數(shù)管蓋革計數(shù)管、閃爍計數(shù)管閃爍計數(shù)管、半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器等。等。青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸1) 1) 比例計數(shù)器（原理與蓋革計數(shù)器類似）比例計數(shù)器（原理與蓋革計數(shù)器類似）輸出的電壓脈沖大小輸出

19、的電壓脈沖大小 入射射線電離產(chǎn)生的電子數(shù)目入射射線電離產(chǎn)生的電子數(shù)目 入射射線的能量入射射線的能量2) 2) 蓋革計數(shù)器蓋革計數(shù)器原理：原理：根據(jù)射線能使氣體電離的性能制成。根據(jù)射線能使氣體電離的性能制成。兩端用絕緣物質(zhì)封閉的金屬管內(nèi)貯有低壓氣兩端用絕緣物質(zhì)封閉的金屬管內(nèi)貯有低壓氣體，沿管的軸線裝了金屬絲，在金屬絲和管體，沿管的軸線裝了金屬絲，在金屬絲和管壁之間用電池組產(chǎn)生一定的電壓壁之間用電池組產(chǎn)生一定的電壓( (比管內(nèi)氣比管內(nèi)氣體的擊穿電壓稍低體的擊穿電壓稍低) )，管內(nèi)沒有射線穿過時，管內(nèi)沒有射線穿過時，氣體不放電。當(dāng)某種射線的一個高速粒子進(jìn)氣體不放電。當(dāng)某種射線的一個高速粒子進(jìn)入管內(nèi)時

20、，能夠使管內(nèi)氣體原子電離，釋放入管內(nèi)時，能夠使管內(nèi)氣體原子電離，釋放出幾個自由電子，并在電壓的作用下飛向金出幾個自由電子，并在電壓的作用下飛向金屬絲。這些電子沿途又電離氣體的其它原子，屬絲。這些電子沿途又電離氣體的其它原子，釋放出更多的電子。越來越多的電子再接連釋放出更多的電子。越來越多的電子再接連電離越來越多的氣體原子，終于使管內(nèi)氣體電離越來越多的氣體原子，終于使管內(nèi)氣體成為導(dǎo)電體，在絲極與管壁之間產(chǎn)生迅速的成為導(dǎo)電體，在絲極與管壁之間產(chǎn)生迅速的氣體放電現(xiàn)象。從而有一個脈沖電流輸入放氣體放電現(xiàn)象。從而有一個脈沖電流輸入放大器，并由接于放大器輸出端的計數(shù)器接收。大器，并由接于放大器輸出端的計數(shù)

21、器接收。計數(shù)器自動地記錄下每個粒子飛入管內(nèi)時的計數(shù)器自動地記錄下每個粒子飛入管內(nèi)時的放電，由此放電，由此可檢測出粒子的數(shù)目可檢測出粒子的數(shù)目。 青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸3) 3) 閃爍計數(shù)管（由閃爍晶體和光電倍增管組成）閃爍計數(shù)管（由閃爍晶體和光電倍增管組成） 蓋革計數(shù)管的特性曲線蓋革計數(shù)管的特性曲線：圖中：圖中U為加在計數(shù)管為加在計數(shù)管上的電壓，上的電壓，I為入射的核輻射強(qiáng)度，為入射的核輻射強(qiáng)度，N為計數(shù)率為計數(shù)率(輸出脈沖數(shù)輸出脈沖數(shù))?？梢钥闯?，當(dāng)加在計數(shù)管上的電。可以看出，當(dāng)加在計數(shù)管上的電壓一定時，輻射強(qiáng)度越大，輸出脈沖數(shù)也愈

22、大；壓一定時，輻射強(qiáng)度越大，輸出脈沖數(shù)也愈大；相應(yīng)的輸出脈沖數(shù)相應(yīng)的輸出脈沖數(shù)N1也比也比N2大。蓋革計數(shù)管常用大。蓋革計數(shù)管常用于探測于探測粒子和粒子和射線。射線。 射線光子射線光子閃爍晶體閃爍晶體可見熒光可見熒光光電倍增管光電倍增管電脈沖電脈沖( (大量的電子大量的電子) )常 用 加 入 少 許 鉈常 用 加 入 少 許 鉈(Tl)(Tl)作為活化劑的作為活化劑的碘化鈉碘化鈉(NaI)(NaI)晶體晶體總增益可達(dá)總增益可達(dá)1010-7-7, ,過程所需時間不過程所需時間不到到1s閃爍計數(shù)管可以在高達(dá)閃爍計數(shù)管可以在高達(dá)105脈沖數(shù)脈沖數(shù)/s/s的速率工作，而不會有計數(shù)損失。的速率工作，而

23、不會有計數(shù)損失。青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸【工程實例【工程實例 1】軋鋼過程中檢測鋼板厚度軋鋼過程中檢測鋼板厚度特點特點：非接觸測量，：非接觸測量，不受溫度、壓力等不受溫度、壓力等影響。影響。【工程實例【工程實例 2】X射線檢測裝置射線檢測裝置輸出電壓與輸出電壓與被測厚度成被測厚度成線性關(guān)系線性關(guān)系HHF-212熱軋機(jī)鋼板厚度檢測儀框圖熱軋機(jī)鋼板厚度檢測儀框圖經(jīng)準(zhǔn)直定向的經(jīng)準(zhǔn)直定向的窄束窄束射線射線X X射線檢測裝置框圖射線檢測裝置框圖 該裝置用于該裝置用于X X射線衍射儀射線衍射儀（通過測定（通過測定X X射線在晶體表射線在晶體表面上產(chǎn)

24、生衍射光的強(qiáng)度，面上產(chǎn)生衍射光的強(qiáng)度，確定殘余應(yīng)力大?。┐_定殘余應(yīng)力大?。┗蚧騒射射線顯微分析儀線顯微分析儀（利用電子（利用電子束照射在固體表面上，激束照射在固體表面上，激發(fā)出特征發(fā)出特征X射線，通過測定射線，通過測定X射線的波長及強(qiáng)度，分析射線的波長及強(qiáng)度，分析材料的成分）。材料的成分）。青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸2 2、超聲波檢測、超聲波檢測（1 1）超聲波）超聲波 ( (和聲波一樣，都是彈性介質(zhì)的機(jī)械震動波）和聲波一樣，都是彈性介質(zhì)的機(jī)械震動波） 聲波聲波2020kHz；超聲波；超聲波 20kHz；次聲波；次聲波k2，質(zhì)點發(fā)生位移；

25、質(zhì)點發(fā)生位移；k1k2，質(zhì)點突變，彈簧斷，質(zhì)點突變，彈簧斷開，質(zhì)點振蕩，直至平衡為止。開，質(zhì)點振蕩，直至平衡為止。 影響質(zhì)點不穩(wěn)定的因素是金屬塑性形變中影響質(zhì)點不穩(wěn)定的因素是金屬塑性形變中晶格的位錯、晶界滑移、或者由于內(nèi)部裂紋晶格的位錯、晶界滑移、或者由于內(nèi)部裂紋的發(fā)生和發(fā)展等。的發(fā)生和發(fā)展等。青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸 聲發(fā)射波在到達(dá)傳感器之前，將有界面的反射、波模式變換、衰減等現(xiàn)聲發(fā)射波在到達(dá)傳感器之前，將有界面的反射、波模式變換、衰減等現(xiàn)象，其中一部分到達(dá)傳感器，一部分到達(dá)固體表面，經(jīng)表面吸收和反射，有象，其中一部分到達(dá)傳感器，一部

26、分到達(dá)固體表面，經(jīng)表面吸收和反射，有部分能量轉(zhuǎn)換為表面波。所以，部分能量轉(zhuǎn)換為表面波。所以，聲發(fā)射波到達(dá)傳感器時，應(yīng)是幾種模式的波聲發(fā)射波到達(dá)傳感器時，應(yīng)是幾種模式的波（縱波、橫波、表面波）的疊加（縱波、橫波、表面波）的疊加。 AE波波的傳輸模型的傳輸模型理想模型理想模型實際模型實際模型 理想模型理想模型：內(nèi)部的點內(nèi)部的點狀聲狀聲發(fā)射源以球面波等速向各個發(fā)射源以球面波等速向各個方向發(fā)射；方向發(fā)射；位于表面的聲發(fā)位于表面的聲發(fā)射源射源則除了球面波的形式外則除了球面波的形式外還有表面波向各方向逸散。還有表面波向各方向逸散。 實際模型實際模型：聲發(fā)射源：聲發(fā)射源不是點源不是點源，有不同的形狀；傳遞，

27、有不同的形狀；傳遞介質(zhì)又是各向異性介質(zhì)又是各向異性體體；波傳播的方向、速度不斷變化，并伴有衍射、散射、干涉和折射等。波傳播的方向、速度不斷變化，并伴有衍射、散射、干涉和折射等。 聲表面波聲表面波是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波，其傳播速度比電磁波是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波，其傳播速度比電磁波慢十萬倍慢十萬倍，在它的傳播路徑上，在它的傳播路徑上容易取樣和進(jìn)行處理。容易取樣和進(jìn)行處理。聲表面波器件聲表面波器件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理：聲表面波器件是在壓電基片上制作的基本結(jié)構(gòu)和工作原理：聲表面波器件是在壓電基片上制作兩個聲一電換能器兩個聲一電換能器叉指換能器。所謂叉指換能器，就是在壓電基片表面上形成形狀像

28、兩只手的叉指換能器。所謂叉指換能器，就是在壓電基片表面上形成形狀像兩只手的手指交叉狀的金屬圖案，它的作用是實現(xiàn)聲一電換能。聲表面波器件的工作原理是，基片左端的手指交叉狀的金屬圖案，它的作用是實現(xiàn)聲一電換能。聲表面波器件的工作原理是，基片左端的換能器（輸入換能器）通過逆壓電效應(yīng)將愉入的電信號轉(zhuǎn)變成聲信號，此聲信號沿基片表面?zhèn)鞑?，換能器（輸入換能器）通過逆壓電效應(yīng)將愉入的電信號轉(zhuǎn)變成聲信號，此聲信號沿基片表面?zhèn)鞑?，最終由基片右邊的換能器（輸出換能器）將聲信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出。整個聲表面波器件的功能最終由基片右邊的換能器（輸出換能器）將聲信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出。整個聲表面波器件的功能是通過對在壓電基片

29、上傳播的聲信號進(jìn)行各種處理，并利用聲一電換能器的特性來完成的。是通過對在壓電基片上傳播的聲信號進(jìn)行各種處理，并利用聲一電換能器的特性來完成的。 青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸 聲發(fā)射傳感器聲發(fā)射傳感器（多為壓電諧振式結(jié)構(gòu)）（多為壓電諧振式結(jié)構(gòu)） 光軸光軸z 沿該軸方向無壓電效應(yīng)沿該軸方向無壓電效應(yīng) 電軸電軸x過六角棱柱的棱而垂直于光軸的過六角棱柱的棱而垂直于光軸的軸。在垂直于此軸的平面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)軸。在垂直于此軸的平面上壓電效應(yīng)最強(qiáng). 機(jī)械軸機(jī)械軸y垂直于棱面，在電場作用下，垂直于棱面，在電場作用下，沿該軸的機(jī)械變形最明顯。沿該軸的機(jī)械變形

30、最明顯。zxyFxFx+-zxyFyFy + -zxyFyFy - +青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸 壓電諧振式聲發(fā)射傳感器壓電諧振式聲發(fā)射傳感器在聲發(fā)射波在聲發(fā)射波的激發(fā)下，壓電晶片沿的激發(fā)下，壓電晶片沿縱向極化縱向極化。聲發(fā)射傳。聲發(fā)射傳感器的工作頻帶是在感器的工作頻帶是在諧頻區(qū)諧頻區(qū)，一般為，一般為602000kHz，諧振頻率諧振頻率大小取決于傳感器殼體大小取決于傳感器殼體及壓電晶片結(jié)構(gòu)尺寸和材質(zhì)。及壓電晶片結(jié)構(gòu)尺寸和材質(zhì)。 一般聲發(fā)射信號分為連續(xù)型與突發(fā)型。一般聲發(fā)射信號分為連續(xù)型與突發(fā)型。連續(xù)型連續(xù)型與隨機(jī)噪聲相似；與隨機(jī)噪聲相似；

31、突發(fā)型突發(fā)型是一連串的脈沖衰減波，其脈沖寬度約為數(shù)微秒至數(shù)毫秒。是一連串的脈沖衰減波，其脈沖寬度約為數(shù)微秒至數(shù)毫秒。（3 3）聲發(fā)射信號的特征）聲發(fā)射信號的特征 描述描述AE信號的特征參數(shù)信號的特征參數(shù)可概括為：振鈴計數(shù)與計數(shù)率、事件計數(shù)與計可概括為：振鈴計數(shù)與計數(shù)率、事件計數(shù)與計數(shù)率、振幅與振幅分布、有效值、頻譜分析等。數(shù)率、振幅與振幅分布、有效值、頻譜分析等。 振鈴計數(shù)振鈴計數(shù)與與事件計數(shù)事件計數(shù)振鈴計數(shù)振鈴計數(shù)事件計數(shù)事件計數(shù) 振鈴計數(shù)振鈴計數(shù)當(dāng)脈沖衰減波的幅值超過當(dāng)脈沖衰減波的幅值超過閾值電平時，將產(chǎn)生一個矩形脈沖，此脈閾值電平時，將產(chǎn)生一個矩形脈沖，此脈沖即為振鈴計數(shù)觸發(fā)信號，單位時

32、間內(nèi)的沖即為振鈴計數(shù)觸發(fā)信號，單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)即為振鈴計數(shù)率。脈沖數(shù)即為振鈴計數(shù)率。 事件計數(shù)事件計數(shù)當(dāng)脈沖衰減波的包絡(luò)超過當(dāng)脈沖衰減波的包絡(luò)超過閾值電平時，將產(chǎn)生一矩形脈沖，將此脈閾值電平時，將產(chǎn)生一矩形脈沖，將此脈沖作為事件計數(shù)，單位時間內(nèi)的事件數(shù)即沖作為事件計數(shù)，單位時間內(nèi)的事件數(shù)即為事件計數(shù)率。為事件計數(shù)率。優(yōu)點優(yōu)點：低于閾值電平的信號不予計數(shù)，在一定：低于閾值電平的信號不予計數(shù)，在一定程度上抑制干擾噪聲，故稱為程度上抑制干擾噪聲，故稱為幅值剔噪法幅值剔噪法。青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸 金屬材料變形時的金屬材料變形時的AEAE信

33、號特征：信號特征：一個共同的特征：在塑性變形區(qū)的一個共同的特征：在塑性變形區(qū)的AE信號表現(xiàn)出一個駝峰。這是信號表現(xiàn)出一個駝峰。這是AE信號被作為監(jiān)測機(jī)械構(gòu)件工作狀態(tài)的重要依據(jù)。信號被作為監(jiān)測機(jī)械構(gòu)件工作狀態(tài)的重要依據(jù)。所謂所謂AE信號的預(yù)知性，就是在構(gòu)件破壞之前的峰值特征。信號的預(yù)知性，就是在構(gòu)件破壞之前的峰值特征。黃銅黃銅銅、鋁、鎂銅、鋁、鎂碳鋼碳鋼（4 4）聲發(fā)射檢測儀原理）聲發(fā)射檢測儀原理AE波波高通濾波，濾高通濾波，濾除干擾噪聲除干擾噪聲幅度鑒別，設(shè)置閾值電平，作幅值幅度鑒別，設(shè)置閾值電平，作幅值剔噪，并將信號整形為矩形脈沖剔噪，并將信號整形為矩形脈沖青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工

34、程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸4 4、光纖傳感器、光纖傳感器 光光(導(dǎo)導(dǎo))纖纖(維維)是是20世紀(jì)世紀(jì)70年代的重要年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測器發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地。光纖為人類子學(xué)的新天地。光纖為人類21世紀(jì)的信世紀(jì)的信息高速公路奠定了基礎(chǔ)，為多媒體息高速公路奠定了基礎(chǔ)，為多媒體(符符號、數(shù)字、語音、圖形和動態(tài)圖像號、數(shù)字、語音、圖形和動態(tài)圖像)通通信提供了實現(xiàn)的必需條件。把待測量與信提供了實現(xiàn)的必需條件。把待測量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來就形成光纖傳感光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起

35、來就形成光纖傳感器。光纖傳感器器。光纖傳感器始于始于1977年。年。 光纖由纖芯、包層和護(hù)層組成。光纖由纖芯、包層和護(hù)層組成。纖芯纖芯：主體材料是二氧化硅或塑料，制成：主體材料是二氧化硅或塑料，制成很細(xì)的圓柱體，直徑在很細(xì)的圓柱體，直徑在575m內(nèi)。有時在主體材料中摻人極微量的其他材內(nèi)。有時在主體材料中摻人極微量的其他材料，如二氧化鍺或五氧化二磷等，以便提高的折射率。料，如二氧化鍺或五氧化二磷等，以便提高的折射率。包層包層：可以是單層，：可以是單層，也可以是多層結(jié)構(gòu)，層數(shù)取決于光纖的應(yīng)用場所，但總直徑控制在也可以是多層結(jié)構(gòu)，層數(shù)取決于光纖的應(yīng)用場所，但總直徑控制在100200m范圍內(nèi)。包層材料

36、一般為范圍內(nèi)。包層材料一般為SiO2，也有的摻入極微量的三氧化二硼或四，也有的摻入極微量的三氧化二硼或四氧化硅。與纖芯摻雜的目的不同，包層摻雜的目的是為了降低其對光的折射氧化硅。與纖芯摻雜的目的不同，包層摻雜的目的是為了降低其對光的折射率。率。保護(hù)層保護(hù)層：包層外面涂一些涂料，以保護(hù)光纖，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。光：包層外面涂一些涂料，以保護(hù)光纖，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。光纖最外層是一層塑料保護(hù)管，其顏色用以區(qū)分光纜中各種不同的光纖。纖最外層是一層塑料保護(hù)管，其顏色用以區(qū)分光纜中各種不同的光纖。光纜光纜是內(nèi)多根光纖組成，并在光纖間填入阻水油膏以此保證光纜傳光性能。是內(nèi)多根光纖組成，并在光纖間填入阻水油

37、膏以此保證光纜傳光性能。青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸 光纖傳感器特點光纖傳感器特點：信息容量大、抗干擾性強(qiáng)、體積小、可彎曲、靈敏度：信息容量大、抗干擾性強(qiáng)、體積小、可彎曲、靈敏度高以及耐高壓、耐腐蝕、動態(tài)非接觸測量等。高以及耐高壓、耐腐蝕、動態(tài)非接觸測量等。（1 1）物性型）物性型 （原理（原理基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)）基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)） 利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖光纖( (或特殊光纖或特殊光纖) )作傳感元件，作傳感元件，將將“傳傳”和和“感感”合為一體合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光

38、作用，而且還利用光的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素纖在外界因素( (彎曲、相變彎曲、相變) )的作用下，其光學(xué)特性的作用下，其光學(xué)特性( (光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等) )的變化來實現(xiàn)的變化來實現(xiàn)“傳傳”和和“感感”的功能。因此，的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的傳感器中光纖是連續(xù)的。由于。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。 由于這種傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性進(jìn)行檢測，又稱為由于這種傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性進(jìn)行檢測，又稱為敏感元敏感元件型件型或或功能型光纖（功能型光纖（Functional Fibe

39、r)Functional Fiber)傳感器傳感器。外界應(yīng)變、壓力、電場、磁場、溫度、放射外界應(yīng)變、壓力、電場、磁場、溫度、放射性和化學(xué)作用等性和化學(xué)作用等調(diào)制調(diào)制光纖內(nèi)通過的光。光纖內(nèi)通過的光。青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸【例【例1 1】 敏感元件型光纖壓力傳感器敏感元件型光纖壓力傳感器（a）均衡壓力均衡壓力折射率、光纖形狀、尺寸變化折射率、光纖形狀、尺寸變化傳輸光的相位變化和偏振波面的旋轉(zhuǎn)。傳輸光的相位變化和偏振波面的旋轉(zhuǎn)。（b）點壓力點壓力不連續(xù)的折射率變化不連續(xù)的折射率變化傳輸光的傳輸光的散射損耗散射損耗光振幅變化。光振幅變化。(

40、(b) )( (a) )【例【例2 2】 敏感元件型聲壓傳感器敏感元件型聲壓傳感器聲光調(diào)制，產(chǎn)聲光調(diào)制，產(chǎn)生光傳輸?shù)南嗌鈧鬏數(shù)南辔蛔兓蛔兓邮諆陕饭饨邮諆陕饭飧缮嫘盘柛缮嫘盘柛鶕?jù)零差法檢波和根據(jù)零差法檢波和相位可調(diào)器，測出相位可調(diào)器，測出光相位變化光相位變化馬赫澤德馬赫澤德( (Mach-Zehnder) )干涉儀干涉儀如果用如果用1mW的的H He-Ne激光，激光，100m100m長石英玻璃光纖裸線，最小檢測聲壓為長石英玻璃光纖裸線，最小檢測聲壓為1PaPa青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸（2 2）結(jié)構(gòu)型）結(jié)構(gòu)型 由由光檢測元件光檢測元件

41、與光纖傳輸回路組成，光纖僅起傳播煤質(zhì)的作用，故又稱為與光纖傳輸回路組成，光纖僅起傳播煤質(zhì)的作用，故又稱為傳光型傳光型或或非功能型非功能型光纖傳感器。光纖傳感器?！緦嵗緦嵗? 1】 微位移或表面粗糙度測量微位移或表面粗糙度測量【實例【實例2 2】 激光多普勒效應(yīng)速度傳感器激光多普勒效應(yīng)速度傳感器vnvfffis2多普勒頻率多普勒頻率散射光頻率散射光頻率入射光頻率入射光頻率被測物體速度被測物體速度光在空氣中的波長光在空氣中的波長發(fā)生散射介質(zhì)的折射率發(fā)生散射介質(zhì)的折射率青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸5 5、固體圖像傳感器、固體圖像傳感器 固體圖象

42、傳感器固體圖象傳感器( (Solid State Imaging Sensor，縮寫縮寫SSIS) )主要有三大類主要有三大類：1 1）電荷耦合器件電荷耦合器件( (Charge Coupled Device，縮寫，縮寫CCD) )。2 2）自掃描光電二極管列自掃描光電二極管列陣陣( (Self Scanned Photodiode Array，SSPA)SSPA)。3 3）電荷注入器件電荷注入器件( (Charge Injection Device，縮寫縮寫CID) )。目前，前兩種用得比較多。目前，前兩種用得比較多。 同電子束攝像管相比，固體圖象傳感器有顯著同電子束攝像管相比，固體圖象傳感

43、器有顯著優(yōu)點優(yōu)點： (1) (1) 全固體化，體積很小，重量輕，工作電壓和功耗都很低；耐沖擊性好，全固體化，體積很小，重量輕，工作電壓和功耗都很低；耐沖擊性好，可靠性高，壽命長。可靠性高，壽命長。 (2) (2) 基本上不保留殘象基本上不保留殘象( (電子束攝象管有電子束攝象管有15152020的殘象的殘象) )，無象元燒傷、，無象元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。扭曲，不受電磁干擾。 (3) (3) 紅外敏感性。硅的紅外敏感性。硅的SSPA光譜響應(yīng)：光譜響應(yīng)：0.200.201.01.0mm；CCDCCD可作成紅外敏感可作成紅外敏感型；型；CID主要用于光譜響應(yīng)大于主要用于光譜響應(yīng)大于3 35 5

44、m的紅外敏感器件。的紅外敏感器件。 (4)(4) 象元尺寸幾何位置精度高象元尺寸幾何位置精度高( (優(yōu)于優(yōu)于1 1m) )，可用于不接觸精密尺寸測量。，可用于不接觸精密尺寸測量。 (5)(5) 視頻信號與微機(jī)接口容易。視頻信號與微機(jī)接口容易。 主要應(yīng)用領(lǐng)域主要應(yīng)用領(lǐng)域：小型化黑白小型化黑白/ /彩色彩色TV攝象機(jī)；攝象機(jī)；傳真通訊系統(tǒng)；傳真通訊系統(tǒng)；光學(xué)光學(xué)字符識別（字符識別（OCR: Optical Character Recognition）；）；工業(yè)檢測與自動控制；工業(yè)檢測與自動控制；醫(yī)療儀器；醫(yī)療儀器；多光譜機(jī)載和星載遙感；多光譜機(jī)載和星載遙感；天文應(yīng)用；天文應(yīng)用；軍事應(yīng)用。軍事應(yīng)用。

45、 固體圖像傳感器的核心是電荷耦合器件固體圖像傳感器的核心是電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸 CCD的基本單元是的基本單元是MOS（Metal-Oxide-Semiconductor 金屬金屬- -氧化物氧化物- -半半導(dǎo)體導(dǎo)體) )電容器。若在某一時刻金屬電極上加正向電壓電容器。若在某一時刻金屬電極上加正向電壓UG，p-Si中的多數(shù)載流子中的多數(shù)載流子（在此為空穴）便會受到排斥，于是，在（在此為空穴）便會受到排斥，于是，在Si表面處就會形成一個耗盡區(qū)。在一表面處就會形成一個耗盡區(qū)

46、。在一定條件下，定條件下，UG越大，耗盡區(qū)越深。這時，越大，耗盡區(qū)越深。這時，Si表面吸收少數(shù)載流子（在此是電表面吸收少數(shù)載流子（在此是電子）的勢（即表面勢子）的勢（即表面勢US）也就越大?？梢?，這時的）也就越大。可見，這時的MOS電容器所能容納的少電容器所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。據(jù)此，可以用數(shù)載流子電荷的量就越大。據(jù)此，可以用“勢阱勢阱”來比喻來比喻MOS電容器在電容器在UG作作用下存儲信號電荷的能力。習(xí)慣上，把用下存儲信號電荷的能力。習(xí)慣上，把“勢阱勢阱”想象為一個桶，把少數(shù)載流想象為一個桶，把少數(shù)載流子（信號電荷）想象為盛在桶底的液體。子（信號電荷）想象為盛在桶底的液體。UG青

47、島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸 電荷存儲：電荷存儲：在柵極在柵極G施加正偏壓之前，施加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中空穴空穴( (多數(shù)載流子多數(shù)載流子) )分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正偏壓分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正偏壓Ug( (此時此時Ug小于小于P型半導(dǎo)體的閾值電壓型半導(dǎo)體的閾值電壓Uth) )后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖( (b) )所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進(jìn)一所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸。當(dāng)步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸。當(dāng)UgUth時時, ,半導(dǎo)體與絕緣體截面上的電勢半導(dǎo)體與絕緣體截面上的

48、電勢( (常稱為表面常稱為表面勢勢, ,用用s表示表示) )變得如此之高變得如此之高, ,以至于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子以至于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子( (少數(shù)載流子少數(shù)載流子) )吸引到吸引到表面表面, ,形成一層極薄的形成一層極薄的( (約約102mm)但電荷濃度很高的反型層但電荷濃度很高的反型層, ,如圖如圖(c)。反型層反型層電荷的存在表明了電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。( (a) )( (b) )( (c) )青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸 電荷的注入電荷的注入：CCDCCD的電荷注入方法歸納起來可分為的電荷注入方法歸

49、納起來可分為光注入光注入和和電注入電注入兩類兩類CIPTAneoqQ 1) 1)光注入光注入：當(dāng)光照射到：當(dāng)光照射到CCDCCD硅片上時，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子硅片上時，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。信號電荷。CCDCCD攝像器件的光敏單元為光注入方式。光注入電荷攝像器件的光敏單元為光注入方式。光注入電荷Q QIPIP為為 2) 2)電注入：電注入：電注入是通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電流進(jìn)行采樣，然后將信電注入是通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電流進(jìn)行采樣

50、，然后將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷。號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷。材料的量子效率材料的量子效率電子電荷電子電荷入射光光子流速入射光光子流速光敏單元受光面積光敏單元受光面積光注入時間光注入時間 CCD圖像生成的原理圖像生成的原理 在半導(dǎo)體硅片上集成制造許多相互獨立的微小在半導(dǎo)體硅片上集成制造許多相互獨立的微小MOS光敏元，每個光敏元為一個光敏元，每個光敏元為一個像素像素。當(dāng)照射在這些光敏元上的是一幅光學(xué)。當(dāng)照射在這些光敏元上的是一幅光學(xué)圖像，這些光敏元就感生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像。圖像，這些光敏元就感生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像。青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第

51、四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸 CCD的電荷轉(zhuǎn)移過程的電荷轉(zhuǎn)移過程 任何可以移動的少數(shù)載流子（信號電荷）都將力任何可以移動的少數(shù)載流子（信號電荷）都將力圖堆向表面勢最大的位置。若用勢阱比喻，則它們都將流向桶的底部。圖堆向表面勢最大的位置。若用勢阱比喻，則它們都將流向桶的底部。CCD的電荷轉(zhuǎn)移過程的電荷轉(zhuǎn)移過程線陣線陣CCD面陣面陣CCD青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸 【應(yīng)用實例】【應(yīng)用實例】測量熱軋鋁板寬度測量熱軋鋁板寬度 對于對于2m寬的熱軋板，測量精度可達(dá)板寬寬的熱軋板，測量精度可達(dá)板寬的的0.025%.lm兩個傳感器的視場間距

52、兩個傳感器的視場間距l(xiāng)1，l2分別由兩個分別由兩個CCD測量測量CCD傳感器傳感器3用于測板厚，以補(bǔ)用于測板厚，以補(bǔ)償板厚變化引起的測量誤差償板厚變化引起的測量誤差青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸三、傳感器的標(biāo)定三、傳感器的標(biāo)定 傳感器標(biāo)定的傳感器標(biāo)定的目的目的實現(xiàn)科學(xué)實驗的實現(xiàn)科學(xué)實驗的定量分析定量分析。1 1、基本問題、基本問題定性分析定性分析只能解釋一些表觀現(xiàn)象。只能解釋一些表觀現(xiàn)象。定量分析定量分析才能獲得確切反映客觀事物變化的規(guī)律性。才能獲得確切反映客觀事物變化的規(guī)律性。 一般工程用傳感器，其輸入與輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，可描述為一般工程

53、用傳感器，其輸入與輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，可描述為零階零階、一一階階或或二階系統(tǒng)二階系統(tǒng)。零階系統(tǒng)：零階系統(tǒng)：例如，放大鏡、測力環(huán)等，其輸出只與即時輸入有關(guān)，可用例如，放大鏡、測力環(huán)等，其輸出只與即時輸入有關(guān)，可用代數(shù)方程代數(shù)方程描述，是非記憶系統(tǒng)或零階系統(tǒng)。描述，是非記憶系統(tǒng)或零階系統(tǒng)。一階系統(tǒng)：一階系統(tǒng)：例如，熱電偶、水銀溫度計、例如，熱電偶、水銀溫度計、RCRC低通濾波器等，用低通濾波器等，用一階微分方一階微分方程程描述。描述。二階系統(tǒng)：二階系統(tǒng)：例如，電感量頭、電阻式壓力計、電容式拾音計、壓電式加速例如，電感量頭、電阻式壓力計、電容式拾音計、壓電式加速度計等，用度計等，用二階微分方程二階微

54、分方程描述。描述。 靜態(tài)標(biāo)定與動態(tài)標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定與動態(tài)標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定：靜態(tài)標(biāo)定：包括確定定標(biāo)曲線，獲得直線性、靈敏度、滯后量、重復(fù)性等。包括確定定標(biāo)曲線，獲得直線性、靈敏度、滯后量、重復(fù)性等。零階系統(tǒng)只須進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定零階系統(tǒng)只須進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，一階、二階系統(tǒng)除靜態(tài)標(biāo)定外，一階、二階系統(tǒng)除靜態(tài)標(biāo)定外，還須進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定。還須進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定。青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸動態(tài)標(biāo)定：動態(tài)標(biāo)定：測定傳感器的動態(tài)特性，根據(jù)頻率響應(yīng)或脈沖響應(yīng)，確定傳感測定傳感器的動態(tài)特性，根據(jù)頻率響應(yīng)或脈沖響應(yīng)，確定傳感器的通頻帶、工作頻帶、諧振頻率、阻尼比和相位特性等。器的通頻

55、帶、工作頻帶、諧振頻率、阻尼比和相位特性等。工工作頻帶作頻帶傳感器靈敏度保持為常數(shù)的頻率范圍，一般在阻尼傳感器靈敏度保持為常數(shù)的頻率范圍，一般在阻尼比比=0.707=0.707時，工作頻帶的上限頻率時，工作頻帶的上限頻率max與諧振頻率與諧振頻率n的關(guān)系為的關(guān)系為max=0.58 n。信號分信號分析處理析處理 動態(tài)標(biāo)定的方法有動態(tài)標(biāo)定的方法有正弦激勵正弦激勵、沖擊力激勵沖擊力激勵、白噪聲白噪聲或或偽隨機(jī)噪聲激勵偽隨機(jī)噪聲激勵等等【動態(tài)標(biāo)定實例】【動態(tài)標(biāo)定實例】 沖擊力激勵沖擊力激勵 壓電式力傳感器，測出施壓電式力傳感器，測出施于切削測力儀上的力于切削測力儀上的力x(t)切削測力儀為切削測力儀為

56、被標(biāo)定對象，它是一被標(biāo)定對象，它是一電阻電阻應(yīng)變式力傳感器，產(chǎn)生響應(yīng)輸出應(yīng)變式力傳感器，產(chǎn)生響應(yīng)輸出y(t)青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸頻譜分析：頻譜分析： 在時域中，沖擊的延續(xù)在時域中，沖擊的延續(xù)時間為時間為2ms，在力譜圖中，在力譜圖中頻帶約為頻帶約為2kHz。在響應(yīng)譜。在響應(yīng)譜及頻響譜圖中，傳感器的及頻響譜圖中，傳感器的一階固有頻率約為一階固有頻率約為683Hz，在諧振頻率點相位角為在諧振頻率點相位角為-86.40，相干函數(shù)譜圖中，相干函數(shù)譜圖中，在在2kHz以下以下2 2xy(f)1，表，表明了輸出與輸入的線性關(guān)明了輸出與輸入的線性

57、關(guān)系。系。沖擊力譜沖擊力譜響應(yīng)譜響應(yīng)譜幅頻譜幅頻譜相頻譜相頻譜相干譜相干譜青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸（1 1）橫向靈敏度）橫向靈敏度2 2、多維傳感器的標(biāo)定、多維傳感器的標(biāo)定 所謂所謂橫向靈敏度橫向靈敏度，在多維傳感器中，又稱為，在多維傳感器中，又稱為交叉靈敏度交叉靈敏度（Cross Sensitivity）或或互干擾度互干擾度，用來衡量垂直于某方向的輸入對該方向輸出的影響，用來衡量垂直于某方向的輸入對該方向輸出的影響程度，一般用下式表示程度，一般用下式表示 為保證傳感器的測試精度，在一些傳感器性能指標(biāo)中，對于這一參數(shù)都為保證傳感器的測試

58、精度，在一些傳感器性能指標(biāo)中，對于這一參數(shù)都有明確的規(guī)定。有明確的規(guī)定。yxxxxxyFFaNax方向傳感器輸出方向傳感器輸出y向?qū)ο驅(qū)方向的干擾度，方向的干擾度，或稱標(biāo)定系數(shù)或稱標(biāo)定系數(shù)y向施加的載荷向施加的載荷x向標(biāo)定系數(shù)向標(biāo)定系數(shù)x方向施加的載荷方向施加的載荷 一般工程中應(yīng)用的傳感器，往往是一個機(jī)械系統(tǒng)，由彈性構(gòu)件組成。在一般工程中應(yīng)用的傳感器，往往是一個機(jī)械系統(tǒng)，由彈性構(gòu)件組成。在實際應(yīng)用中，受力情況很復(fù)雜。例如，測切削力的三向測力儀。實際應(yīng)用中，受力情況很復(fù)雜。例如，測切削力的三向測力儀。（2 2）多維傳感器的系統(tǒng)模型）多維傳感器的系統(tǒng)模型 對于多維傳感器，消除互干擾的問題，除了在

59、結(jié)構(gòu)設(shè)計中解決外，亦可對于多維傳感器，消除互干擾的問題，除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計中解決外，亦可通過標(biāo)定后采取補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的方法解決。通過標(biāo)定后采取補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的方法解決。青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸【實例】【實例】 切削力測量系統(tǒng)切削力測量系統(tǒng) 希望某一方向的輸出能夠真實地反映出該方向的輸入值，但由于存在干擾，希望某一方向的輸出能夠真實地反映出該方向的輸入值，但由于存在干擾，任一方向的輸入力參數(shù)，都會影響到其他方向的輸出。任一方向的輸入力參數(shù)，都會影響到其他方向的輸出。 根據(jù)線性系統(tǒng)的傳輸關(guān)系，根據(jù)線性系統(tǒng)的傳輸關(guān)系，輸出是輸入與系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積輸

60、出是輸入與系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積，則，則)()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()(666622611626622221121661221111thtxthtxthtxtythtxthtxthtxtythtxthtxthtxty青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第四章第四章 信息轉(zhuǎn)換與傳輸信息轉(zhuǎn)換與傳輸根據(jù)時域卷積定理：根據(jù)時域卷積定理：)()()()(HXthtxFT則有則有)()()()()()()()()()()()()()()(621666261262221161211621XXXHHHHHHHHHYYY或或)()()(jijiXHY頻