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光學(xué)傳感技術(shù)范文第1篇

關(guān)鍵詞：Proteus；仿真；光電傳感器；教學(xué)

作者簡(jiǎn)介：劉丹（1976-），男，湖南長(zhǎng)沙人，湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信系，講師。（湖南 長(zhǎng)沙 410205）

基金項(xiàng)目：本文系高等職業(yè)學(xué)校專業(yè)骨干教師國家級(jí)培訓(xùn)項(xiàng)目電氣自動(dòng)化技術(shù)企業(yè)頂崗培訓(xùn)（項(xiàng)目編號(hào)：18122302）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）30-0130-02

光電傳感器是傳感器與檢測(cè)技術(shù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，廣泛應(yīng)用于各種光控電路。光電傳感器能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，利用一些特定材料的光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)。由于是對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)，光電傳感器在教學(xué)中搭建實(shí)物試驗(yàn)比較困難，內(nèi)容顯得較為抽象，有一定的教學(xué)難度，學(xué)生學(xué)習(xí)也有難度。筆者經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過Proteus軟件，搭建光電傳感器虛擬實(shí)驗(yàn)，取得了較好的教學(xué)效果。

一、Proteus仿真教學(xué)簡(jiǎn)介

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。使用Proteus 軟件進(jìn)行傳感器及其檢測(cè)電路設(shè)計(jì)是虛擬仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)相結(jié)合的綜合運(yùn)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力及仿真軟件的操作能力；在教學(xué)實(shí)踐中，通過使用 Proteus 軟件對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，在不需要硬件投入的條件下，學(xué)生普遍反映對(duì)傳感器的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書本知識(shí)更容易接受，更容易提高。實(shí)踐證明，使用 Proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進(jìn)行實(shí)際制作能極大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。

二、光電效應(yīng)及光電器件的Proteus仿真

1.光電效應(yīng)

光可以認(rèn)為是一種能量傳遞的方式，它是由一定能量的粒子組成，這種粒子叫做光子。光的頻率越高，光子的能量越大，用光照射物體，可以看做是光子對(duì)該物體的一系列撞擊，物體的粒子接受光子的撞擊后獲得能量，產(chǎn)生的電效應(yīng)就是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。光照射在某一物體上，使電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電現(xiàn)象，也叫做光電發(fā)射。當(dāng)光照射于某一物體上，使物體的導(dǎo)電能力發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，也叫做光電導(dǎo)現(xiàn)象。利用內(nèi)光電效應(yīng)可以制成光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等光電轉(zhuǎn)換器件，這些都是常見的光電傳感器。

2.光電器件的Proteus仿真

利用光電效應(yīng)可以制作出各種類型的光電轉(zhuǎn)換器件，即光電傳感器。常見的光電器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池、光電管等。

（1）光敏電阻。光敏電阻是基于內(nèi)光電效應(yīng)的光敏傳感器，當(dāng)有光照射時(shí)，其電阻值降低；光照越強(qiáng)，阻值越小。其暗電阻一般為1MΩ，其亮電阻（當(dāng)光照為10lX時(shí)）一般為幾百歐姆到幾千歐姆。光敏電阻一般是將半導(dǎo)體材料粉末燒結(jié)在陶瓷襯底上面，形成一層膜，用兩個(gè)引線引出。有的在外部用防潮材料或者玻璃外殼將其密封，起到保護(hù)作用。按照光譜特性及其工作波長(zhǎng)，光敏電阻可分為紫外光、紅外光和可見光光敏電阻。通過Proteus提供的光電元件，搭建的光敏電阻電路如圖1所示，可以通過調(diào)節(jié)圖中模擬的燈照強(qiáng)度來仿真光照的強(qiáng)度，箭頭向上調(diào)節(jié)是光照加強(qiáng)，向下調(diào)節(jié)是光照減弱。通過調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度可以在LDR1中獲得一個(gè)隨光照變化的電流，加上電阻分壓電路，就可以構(gòu)成一個(gè)光電電阻的仿真模型。當(dāng)光照強(qiáng)度越大時(shí)，電流越大，電阻越小。此電路中，電流經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換成電壓，光照越強(qiáng)，輸出電壓越大。

（2）光敏二極管和光敏三極管。光敏二極管是一種利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光敏傳感器，與一般的二極管不同的是，PN結(jié)上裝有透明的外殼，用來接受光照。光敏三極管與普通三極管一樣，有PNP和NPN兩種類型，有兩個(gè)PN結(jié)，其中集電結(jié)具有光敏特性，相當(dāng)于一個(gè)光敏二極管。在應(yīng)用時(shí)，集電結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)正偏，在光照的影響下可以等效看成是光敏二極管產(chǎn)生的光電流在三極管中進(jìn)行放大，其光電流比光敏二極管的光電流要大很多，也就是光敏三極管的靈敏度比光敏二極管要高。光敏三極管常用的材料一般是硅，一般只引出集電結(jié)和發(fā)射結(jié)，外形和發(fā)光二極管相同。光敏三極管的Proteus仿真電路如圖2所示，光敏三極管跟光敏二極管類似，一般只有E和C極，沒有光照時(shí)暗電流非常小，有光照時(shí)，電流隨著光照強(qiáng)度增大而增大。在本電路中，發(fā)光二極管與光敏三極管是成對(duì)出現(xiàn)的，通過RV1來調(diào)節(jié)發(fā)光二極管中的電流，從而達(dá)到模擬調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度的目的。電流越大，說明光照越強(qiáng)。光敏三極管感受發(fā)光二極管中的光照強(qiáng)度變化，E極和C極間的電流隨著光照強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)變化，通過調(diào)節(jié)RV1就可以調(diào)節(jié)光敏三極管的輸出電流。

三、光電傳感器的應(yīng)用仿真

光電傳感器的應(yīng)用非常廣泛，直接影響被測(cè)對(duì)象的光量變化的參數(shù)都可以直接檢測(cè)，而現(xiàn)實(shí)中引起光亮變化的因素有很多，可以是光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可以把其他被測(cè)的非電量參數(shù)轉(zhuǎn)換成光量變化來進(jìn)行檢測(cè)，這些參數(shù)可以是零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度。光電傳感器還可以應(yīng)用于物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得了廣泛應(yīng)用。

上面已經(jīng)搭建好了光敏電阻和光敏三極管兩個(gè)光敏器件的仿真模型，利用這兩個(gè)光敏器件再設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)碾娐肪涂梢灾谱鞒龉饷魝鞲衅鞯膽?yīng)用電路。在實(shí)際教學(xué)中，通過分析兩個(gè)光控電路實(shí)例可以加深對(duì)光敏傳感器的理解，掌握被測(cè)參數(shù)怎樣轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)掌握光敏器件的使用、光電傳感器的實(shí)際應(yīng)用、掌握光控電路的設(shè)計(jì)方法都有很大的幫助，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步設(shè)計(jì)和制作出光電傳感器應(yīng)用的實(shí)際產(chǎn)品。

1.光電報(bào)警電路

很多場(chǎng)合需要根據(jù)光照的實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)不同控制，完成不同的工作。本實(shí)例是利用光敏電阻設(shè)計(jì)一個(gè)弱光報(bào)警電路，可以根據(jù)光線的強(qiáng)度發(fā)出報(bào)警信號(hào)。如圖3所示，LDR1為光敏電阻，可以通過調(diào)節(jié)強(qiáng)、弱按鈕來調(diào)節(jié)光照的強(qiáng)度，同時(shí)調(diào)節(jié)光敏電阻內(nèi)電流的大小。LDR1、RV1、R1構(gòu)成了光電測(cè)量電路，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。Q1、Q2組成的是開關(guān)電路，控制下一級(jí)自激振蕩電路，Q3、Q4是自激振蕩電路，輸出脈沖信號(hào)。當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻內(nèi)的電流較大，經(jīng)過電阻RV1轉(zhuǎn)換為電壓后，輸出的電壓較?。妷号c光照強(qiáng)度成反比），此時(shí)三極管Q1、Q2截止，Q3、Q4電路不工作。當(dāng)光照變?nèi)酰敵龅碾妷鹤兇?，在該電路中，電壓約為2.1V，三極管Q1、Q2導(dǎo)通，Q3、Q4電路工作。Q3、Q4電路為自激振蕩電路，電路工作時(shí)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，如圖4所示，此信號(hào)加載在揚(yáng)聲器上，發(fā)出“滴滴”的報(bào)警聲音。這樣就實(shí)現(xiàn)了光照較弱時(shí)自動(dòng)報(bào)警的功能。

2.光電路燈控制電路

利用光敏三極管來實(shí)現(xiàn)路燈的控制，白天光線較強(qiáng)，路燈熄滅，晚上光照弱，路燈亮。該電路也可以采用光敏二極管來實(shí)現(xiàn)，光敏二極管和光敏三極管在應(yīng)用上除了光電流不同之外，其應(yīng)用的電路的結(jié)構(gòu)基本是一樣的。不管是光敏二極管還是光敏三極管都是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流，其檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)應(yīng)該是將電流轉(zhuǎn)換成電壓，利用電壓來控制相應(yīng)的電路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的。電路設(shè)計(jì)如圖5所示，U1（OPTOCOUPLER-NPN）為光電耦合型NPN三極管模型，可以通過調(diào)節(jié)輸入電流模擬光照強(qiáng)度的變化來控制光敏三極管的輸出電流。RV1、U1組成光電檢測(cè)電路，通過RV1來調(diào)節(jié)光電三極管的輸入電流，模擬光照變化。U2（施密特非門40106）、三極管Q1構(gòu)成開關(guān)電路，直流繼電器LR1是驅(qū)動(dòng)電路，作用是驅(qū)動(dòng)路燈D2。

電路工作原理分析：在白天，光照較強(qiáng)，光敏三極管輸出的電流較大，轉(zhuǎn)換成電壓后輸出的電壓比較高，經(jīng)過40106這個(gè)施密特非門，變成低電平加在三極管的基極，此時(shí)三極管截止，路燈不亮。在晚上，光照較弱，光敏傳感器輸出地電壓較低，經(jīng)40106非門后變成高電平加在三極管基極，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，路燈被點(diǎn)亮。

四、小結(jié)

光敏傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，在實(shí)際教學(xué)中，實(shí)物實(shí)驗(yàn)搭建比較困難，學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象，不易理解。通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，用Proteus軟件設(shè)計(jì)光電器件的模型，模擬其將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程，能夠很好地理解光電傳感器的性能及其工作原理。在兩個(gè)實(shí)例電路的分析中，光電傳感器的使用方法、光控電路的設(shè)計(jì)、電路參數(shù)的調(diào)節(jié)、變化規(guī)律都很直觀。通過教學(xué)實(shí)踐證明，在光電傳感器的教學(xué)中采用Proteus仿真教學(xué)能夠降低教學(xué)難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果有較大提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]百度百科. Protues[EB/OL]. http：///link？url=Xrw

bqeAcGIFvVyMirQD6cgjGNIGJXh6QQLCGzibiHKPor_RcESzQdEBUMwb

TPqIKwg309D2dJ5koAH-cAsymB_.

[2]馮成龍，劉洪恩.傳感器應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目化教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

光學(xué)傳感技術(shù)范文第2篇

【關(guān)鍵詞】電力設(shè)備；檢測(cè)技術(shù)；應(yīng)用；分析

科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步再加上電力事業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)中所占有的重要地位決定著我們必須對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行定期或者不定期的檢測(cè)，而由于各種檢測(cè)技術(shù)所具有的不同特點(diǎn)，所以有必要對(duì)其在實(shí)踐中的應(yīng)用加以比較分析。目前，比較常見和實(shí)用的電力設(shè)備檢測(cè)技術(shù)主要有紅外拼接技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和紅外熱電視技術(shù)四種。不過，在對(duì)光纖傳感技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用、RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用以及紅外熱電視技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用這幾個(gè)問題進(jìn)行分析之前，我們先來了解一下紅外拼接技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 紅外拼接技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用

紅外拼接技術(shù)是紅外圖像拼接技術(shù)的核心，它具有抗干擾性、穿透性以及強(qiáng)識(shí)別性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)可以保證我們獲得較為高清的圖像。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電力系統(tǒng)出現(xiàn)的故障中有七成以上都是由高壓輸變電設(shè)備所引起的，嚴(yán)重影響著電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定，將紅外拼接技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備的檢測(cè)過程中，可以有效快速診斷出電力設(shè)備的內(nèi)部與外部故障，并為故障的及時(shí)解決提供可靠依據(jù)?？傮w來看，紅外拼接技術(shù)在電力設(shè)備中的運(yùn)用流程主要有圖像預(yù)處理、圖像配準(zhǔn)以及圖像合成等三個(gè)方面，其具體的檢測(cè)方法主要有表面溫度判斷法、熱譜圖分析法、同類比較法、相對(duì)溫差判斷法以及檔案分析法等幾種，各種方法的適用條件是不同的，比如表面溫度判斷法適用范圍較狹窄，僅能判斷一部分情況下的設(shè)備故障，同類比較法在設(shè)備均出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)造成誤判，熱譜圖分析法只能在設(shè)備處于正常狀態(tài)時(shí)才能進(jìn)行檢測(cè)，檔案分析法需要結(jié)合各個(gè)時(shí)期的溫度場(chǎng)與變換情況進(jìn)行檢測(cè)。將紅外拼接技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備的檢測(cè)中，可以有效提高設(shè)備檢測(cè)的準(zhǔn)確性，不過在具體的應(yīng)用過程中，可能會(huì)因現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及紅外熱像儀成像等因素而導(dǎo)致紅外圖像只顯示部分目標(biāo)的現(xiàn)象，在實(shí)踐中要加以注意。

2 光纖傳感技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用

所謂光纖傳感技術(shù)就是指利用光纖對(duì)一些物理量的特性加以把握，并將外部的物理量轉(zhuǎn)化為直接可測(cè)量信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。光纖具有很多的功能和優(yōu)點(diǎn)，因此在電力設(shè)備檢測(cè)甚至是其它領(lǐng)域中都有比較廣泛的應(yīng)用。從整體上來看，光纖傳感技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用主要有兩種方式，即功能光纖方式和非功能光纖方式。首先，功能光纖方式。所謂功能光纖方式就是利用光纖本身所具備的測(cè)量功能來對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于涉及到相位、偏振等與物理光學(xué)概念有關(guān)的測(cè)量，可以采用單模光纖，這樣可以取得更好的效果；其次，非功能光纖方式。非功能光纖方式在實(shí)際中的應(yīng)用比較廣泛，也比較成熟，這種方式對(duì)涉及光量等與光學(xué)概念有關(guān)的測(cè)量時(shí)，所采用的是傳輸量較大的多模光纖。不過，無論采用何種方式，都必須結(jié)合具體的電力設(shè)備特點(diǎn)與情況加以確定與分析。

3 RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用

RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)采用的是內(nèi)嵌RFID讀寫頭和便攜式PDA為核查終端的，與傳統(tǒng)的設(shè)備檢測(cè)技術(shù)相比，RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、分類性好等特點(diǎn)，可以在提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)信息共享，從而大大提高設(shè)備檢測(cè)工作的效率。在電力設(shè)備的檢測(cè)過程中，RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)主要是由三個(gè)部分構(gòu)成的，即現(xiàn)場(chǎng)的RFID電子標(biāo)簽、數(shù)據(jù)核查終端和后臺(tái)服務(wù)器管理系統(tǒng)。一般來說，RFID電子標(biāo)簽主要是對(duì)詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息等進(jìn)行存儲(chǔ)與核查的，數(shù)據(jù)核查終端主要是為電力設(shè)備上的RFID電子標(biāo)簽提供檢測(cè)與核查服務(wù)的，而后臺(tái)服務(wù)器管理系統(tǒng)則主要是通過現(xiàn)場(chǎng)掃描的方式，對(duì)電力設(shè)備上的電子標(biāo)簽信息進(jìn)行識(shí)別，以更好的獲取電力設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的原始信息數(shù)據(jù)。從總體上來看，將 RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)以下功能：其一，對(duì)電力設(shè)備的基本數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行準(zhǔn)確錄入，以保證后期查詢、修改等的方便；其二，對(duì)電力設(shè)備的圖片信息加以存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)查詢每個(gè)電力設(shè)備圖片信息的目的；其三，通過對(duì)RFID電子標(biāo)簽的打印與統(tǒng)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的有效管理，幫助掌握有效信息。

4 紅外熱電視技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用

由于大多數(shù)電力設(shè)備都處于露天環(huán)境下，而且常年處于高電壓、大電流的運(yùn)行狀態(tài)下，很容易出現(xiàn)斷線、設(shè)備爆炸等故障，不僅造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，而且也給人們的生命安全帶來了一定的威脅。將紅外熱電視技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備的檢測(cè)中可以在很大程度上減少甚至是避免這些問題的出現(xiàn)。紅外熱電視是一種能顯示紅外熱圖像以及溫度的便攜式儀器，具有很多特點(diǎn)，比如在自然界中普遍存在、不為人的肉眼所見、只能透過一些光能透過的介質(zhì)以及其輻射功率隨物體表面溫度的增減而增減等。紅外熱電視技術(shù)將紅外線技術(shù)與攝像機(jī)技術(shù)相結(jié)合，基本上是由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、信號(hào)放大與處理以及顯示器等幾個(gè)部分組成。紅外熱電視技術(shù)可以對(duì)電力設(shè)備的具體部位進(jìn)行有效檢測(cè)，以更好的發(fā)現(xiàn)問題，并及時(shí)制定出詳細(xì)的解決方案。

5 結(jié)語

在現(xiàn)代社會(huì)，人們的用電需求不斷加大，對(duì)供電的安全性與穩(wěn)定性也提出了更高的要求。鑒于電力事業(yè)與人們生產(chǎn)生活的緊密聯(lián)系，我們需要盡量避免其運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的故障，對(duì)此比較有效的方法就是加強(qiáng)對(duì)電力設(shè)備的及時(shí)檢測(cè)與維修。本文從紅外拼接技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用、光纖傳感技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用、RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用以及紅外熱電視技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用等幾個(gè)方面進(jìn)行了分析與闡述，希望可以為以后的相關(guān)研究和實(shí)踐提供某些有價(jià)值的參考和借鑒。在具體進(jìn)行闡述的過程中，由于各種各樣的原因，可能還存在著這樣那樣的問題，在以后的研究和實(shí)踐中要加以規(guī)避。

參考文獻(xiàn)：

[1]王改香.紅外拼接技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（11）.

[2]熊新榮，樊孝喜.光纖傳感技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用[J].新疆職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（3）.

[3]白雪鵬，劉華譜.RFID自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)信息管理中的應(yīng)用[J].科技廣場(chǎng)，2009（3）.

[4]林笑玫.阻抗在線測(cè)量方法及其在電力設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2012（2）.

光學(xué)傳感技術(shù)范文第3篇

本文介紹了一種基于分布式光纖傳感原理的石油石化罐體及輸油管線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過測(cè)溫主機(jī)對(duì)輸油管道、儲(chǔ)油罐、閥門等進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)輸油管線的凝結(jié)、滲漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？梢约皶r(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏，迅速采取措施，從而大大減少生產(chǎn)事故發(fā)生，減少損失，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：石油石化 儲(chǔ)油罐體 輸油管道 分布式光纖測(cè)溫

隨著我國石油工業(yè)的發(fā)展，原油、成品油儲(chǔ)量的增加，國內(nèi)大型油庫、油罐區(qū)越來越多。這些石油和石化行業(yè)中大型的儲(chǔ)油罐和儲(chǔ)氣罐往往大量集中布置，一旦發(fā)生事故將造成巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。溫度作為反映油罐區(qū)狀態(tài)的重要參數(shù)，可以說直接關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。

由于油罐數(shù)量較多，需控制的設(shè)備、閥門數(shù)量較多，操作時(shí)間長(zhǎng)，且流程復(fù)雜，原始的手動(dòng)操作極易發(fā)生誤操作，油罐區(qū)的安全難以保證。因此人們需要一種性價(jià)比高、使用方便且測(cè)量準(zhǔn)確的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。隨著傳感技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的廣泛普及，油罐區(qū)自動(dòng)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用也成為現(xiàn)代化生產(chǎn)的必然結(jié)果。

火災(zāi)事故大部分是由于溫度過高引起的，油罐區(qū)是重大工業(yè)危險(xiǎn)源，大型儲(chǔ)油罐溫度過高會(huì)引起油品揮發(fā)、火災(zāi)、甚至爆炸，將會(huì)造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。分布式光纖感溫火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠起到一般在火災(zāi)未發(fā)生時(shí)進(jìn)行溫度檢測(cè)，發(fā)出預(yù)警，使現(xiàn)場(chǎng)操作人員具有充分的時(shí)間采取相應(yīng)的措施，避免發(fā)生事故或引起火災(zāi)尤為重要，同時(shí)也能有效提升企業(yè)安全管理自動(dòng)化水平。

一、系統(tǒng)原理

分布式光纖傳感系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“DTS”）工作依據(jù)是光時(shí)域反射[1]原理（OTDR）和光纖的背向拉曼散射（RAMAN SCATFORING[2]）溫度效應(yīng)。該系統(tǒng)利用先進(jìn)的OTDR技術(shù)進(jìn)行定位，利用拉曼散射[3]效應(yīng)進(jìn)行測(cè)溫。當(dāng)光源向光纖注入光脈沖[4]后，會(huì)產(chǎn)生拉曼自發(fā)拉曼散射光，自發(fā)拉曼散射光包括斯托克斯[5]光和反斯托克斯光，其中部分自發(fā)拉曼散射光會(huì)沿光纖反射[6]回來，這部分自發(fā)拉曼散射光與溫度有著密切的關(guān)系，經(jīng)算法分析得出光纖測(cè)量溫度。

二、系統(tǒng)主要功能

可根據(jù)用戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際組件式[7]構(gòu)圖，直觀顯示監(jiān)測(cè)對(duì)象，支持多屏多站分布式[8-10]構(gòu)圖。

可對(duì)罐體、管道、閥門的歷史溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查詢及數(shù)據(jù)分析

可設(shè)置多種類型的報(bào)警規(guī)則，防凝低溫[11]報(bào)警、防爆高溫報(bào)警、節(jié)能報(bào)警、防護(hù)安全報(bào)警。

支持對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并可對(duì)報(bào)警歷史進(jìn)行查詢。

對(duì)（罐體、管道、閥門）歷史溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并以EXCEL格式輸出。

支持多臺(tái)測(cè)溫主機(jī)組網(wǎng)[12]監(jiān)控，便于集中管理。

三、油罐光纜敷設(shè)

在油氣領(lǐng)域，以油罐為例，合理的線路鋪設(shè)能夠準(zhǔn)確、完整、實(shí)時(shí)的測(cè)量油罐的罐體[13，14]溫度，對(duì)火災(zāi)及溫度變化能夠做到有效監(jiān)控。在工程中。

按照上圖所示敷設(shè)方式，使用DTS單個(gè)或多個(gè)通道傳感光纜鋪設(shè)至油罐表面，通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)圖[15]的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)罐體表面溫度的分布式測(cè)量。DTS主機(jī)放置在消防控制室，同時(shí)原始溫度數(shù)據(jù)可以在本機(jī)或遠(yuǎn)程提取與查看。DTS主機(jī)通過多種輸出方式將所探測(cè)的油罐溫度信號(hào)反饋給油罐控制中心，油罐上的探測(cè)光纜可以進(jìn)行分區(qū)，分別設(shè)置報(bào)警溫度。

根據(jù)油罐的大小和油罐間的間距可以選擇單通道[16]或多通道，每個(gè)通道將若干個(gè)油罐串聯(lián)在一起同時(shí)監(jiān)測(cè)，可根據(jù)油罐的大小及分布，選用不同探測(cè)距離及通道的DTS設(shè)備。

光纜固定夾具安裝說明

1.使用“Z”型固定夾具固定探測(cè)光纜，固定夾具[17]的上沿壓緊光纜，下沿開孔套入進(jìn)M10螺栓內(nèi)，再使用M10螺母壓緊

2.固定夾具材質(zhì)使用1.2mm不銹鋼板

另外，光纜敷設(shè)應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)

光纜的敷設(shè)要符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，不得強(qiáng)拉硬拽，不得打硬彎。光纜敷設(shè)后要對(duì)光纜頭做保護(hù)。

光纜的敷設(shè)必須現(xiàn)場(chǎng)勘察清楚，對(duì)敷設(shè)長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，編制敷設(shè)表，確定敷設(shè)順序，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)光纜分布情況和敷設(shè)表，按先遠(yuǎn)后近，先集中后分散的原則，安排敷設(shè)順序。

光纜敷設(shè)前應(yīng)檢查其型號(hào)、規(guī)格、長(zhǎng)度是否符合設(shè)計(jì)要求，外觀是否良好，其保護(hù)層不得有破損。

施工前必須辦理相關(guān)的作業(yè)票，光纜、敷設(shè)時(shí)，須有專人統(tǒng)一指揮。

敷設(shè)完畢應(yīng)及時(shí)加蓋好蓋板，回添開挖的地溝，清理工作現(xiàn)場(chǎng)，避免造機(jī)械損傷和燒傷。

四、結(jié)語

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)的傳感系統(tǒng)，在系統(tǒng)中光纖既是傳輸媒體也是傳感媒體。具有防爆、抗腐蝕、抗電磁干擾[18]、實(shí)時(shí)快速測(cè)溫并準(zhǔn)確定位，系統(tǒng)具有自檢功能（包括：儀器故障、光纖斷裂），是集光機(jī)電、計(jì)算機(jī)一體化最先進(jìn)的火災(zāi)報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

分布式光纖感溫火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在油罐上的應(yīng)用，能很好的預(yù)防油罐溫度升高可能造成的火災(zāi)隱患，使監(jiān)控人員能實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度變化，有時(shí)間處理存在的隱患，能最大限度的減少火災(zāi)的發(fā)生。是繼FBG點(diǎn)式油罐溫度監(jiān)測(cè)向連續(xù)無縫隙溫度檢測(cè)方向發(fā)展的又一技術(shù)突破。

參考文獻(xiàn)

[1]江毅. 高級(jí)光纖傳感技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009.2.

（2） Ahangrani M.Gogolla T. Spontaneous Raman scattering in optical fibers with modulated temperature remote sensing [J]. Journal of Light wave Technology， 1999， 17（8）：1379-1391 .

[3]羅小強(qiáng)， 馮捷順. 廣州港新港碼頭10KV供配電系統(tǒng)保護(hù)定制征訂探討[J]. 港口科技（港口電氣）. 2011， 5：31-33.

[4]丁書文.變電站綜合自動(dòng)化技術(shù) 中國電力出版社，2005-1-1.

[5]程明等.無人值班變電站監(jiān)控技術(shù) 中國電力出版社，1998-11-25.

[6]孫圣和 王廷云 徐影.光纖測(cè)量與傳感技術(shù)（第二版） 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2002-8-1.

[7]王緯，周邦全，等.分布型光纖拉曼光子溫度傳感器系統(tǒng)的測(cè)溫精度[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19（1）：100-105.

[8]肖世杰.構(gòu)建中國智能電網(wǎng)技術(shù)思考[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33 （9）：1-4.

[9]任培祥，朱中耀，李鑫，等。三維全景智能電網(wǎng)支撐平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2009（4）： 51-56.

[10]畢衛(wèi)紅，張燕君，齊躍峰，等.光纖通信與傳感技術(shù) [M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[11]曹立軍.分布式光纖溫度測(cè)量及數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006：4-5.

[12]彭超，趙健康，苗付貴.分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在線監(jiān)測(cè)電纜溫度[J].高電壓技術(shù)，2006，32（8）：43-45.

[13]趙子巖，劉建明，張凱穗.電力系統(tǒng)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)通信，2003，24（2）：1-4.

[14]趙凱華，鐘錫華.光學(xué)，下冊(cè)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011：254-257.

[15]姚啟鈞.光學(xué)教程，第三版[M].高等教育出版社，2002：382-384.

光學(xué)傳感技術(shù)范文第4篇

[關(guān)鍵詞] 管道運(yùn)輸；監(jiān)控系統(tǒng)；光纖傳感

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2015. 05. 081

[中圖分類號(hào)] TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2015）05- 0166- 02

石油是一種重要的戰(zhàn)略物資，在國家經(jīng)濟(jì)中起到舉足輕重的作用。伴隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速騰飛和石油工業(yè)的蓬勃發(fā)展，目前中國油氣骨干管道里程已突破7萬千米。管道運(yùn)輸作為五大運(yùn)輸方式之一，具有安全、經(jīng)濟(jì)、保質(zhì)、無污染等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為油氣運(yùn)輸?shù)闹匾緩?，承?dān)著我國70%的原油和99%的天然氣的運(yùn)輸任務(wù)。到2020年，我國油氣管網(wǎng)里程將達(dá)到20萬千米，基本實(shí)現(xiàn)全國骨干管線聯(lián)網(wǎng)。管道輸送具有占地少、損耗少、成本低、輸量大、快捷方便等優(yōu)點(diǎn)，但也有管線長(zhǎng)、跨區(qū)域多、沿途地質(zhì)狀況和自然環(huán)境復(fù)雜多變等缺點(diǎn)，還有對(duì)監(jiān)控水平、安全保障性要求高等特點(diǎn)。且隨著國際原油價(jià)格的攀升，在利益的驅(qū)使下，盜油分子不惜以身試法，瘋狂地盜竊原油，同時(shí)肆無忌彈地破壞油田設(shè)備，對(duì)油田的正常生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響并對(duì)周邊環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。

石油管線作為石油資源輸送的重要途徑，受犯罪分子破壞嚴(yán)重，對(duì)于通常的入侵、破壞等犯罪，安防部門已經(jīng)建立了多種防范技術(shù)，如音頻探測(cè)報(bào)警器、視頻監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)、主動(dòng)紅外入侵探測(cè)器等。但傳統(tǒng)的安防監(jiān)控方式受環(huán)境因素影響較為嚴(yán)重，存在誤報(bào)率高、特殊天氣條件下監(jiān)控效果差，被動(dòng)防御等缺點(diǎn)，我們需要一種能有效地識(shí)別非法入侵與接近的全天候的監(jiān)控技術(shù)，來滿足油田各單位的輸油管安防需求。

1 油田輸油管道安防中的難點(diǎn)問題

1.1 特殊天氣條件下監(jiān)控困難的問題

由于油田生產(chǎn)的特點(diǎn)，輸油管道大都分布在野外，而輸油管的連續(xù)傳輸又與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)，對(duì)輸油管道工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控一直是生產(chǎn)作業(yè)單位一項(xiàng)重要且困難的內(nèi)容。隨著近年來打擊力度的加強(qiáng)，打孔盜油分子的囂張氣焰已經(jīng)得到了有效地遏制，但目前偷盜油案件已經(jīng)有了新的動(dòng)向，即偷油分子選擇天氣條件惡略、能見度較低的時(shí)間段進(jìn)行偷盜油犯罪，在此種天氣條件下傳統(tǒng)的監(jiān)控方式無法發(fā)揮有效作用。

1.2 輸油管道距離長(zhǎng)、監(jiān)控范圍廣的問題

油田范圍內(nèi)分布著大量的輸油管線，由于許多井場(chǎng)和大站間距離較遠(yuǎn)，又由于管道運(yùn)行過程的復(fù)雜性和周邊環(huán)境的多樣性，因此現(xiàn)有的各種管線安全監(jiān)控系統(tǒng)難以達(dá)到令人滿意的監(jiān)控效果。

1.3 監(jiān)控實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性問題

傳統(tǒng)的輸油管道防盜油技術(shù)均屬于事后防范技術(shù)，只能查找泄漏、破裂等意外事件的定位，不能提前感知威脅來防范于未然，從而制止盜竊、破壞事件的發(fā)生。同時(shí)定位精度較低，且難以實(shí)時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)。

理想的油氣管線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)能運(yùn)用單套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全天候長(zhǎng)距離監(jiān)控，便于維修管理。能在各種威脅發(fā)生前預(yù)警，從而采取有效措施避免破壞發(fā)生。意外發(fā)生時(shí)，能在第一時(shí)間準(zhǔn)確地對(duì)事故定位，便于維護(hù)人員迅速開展工作，減少損失。

鑒于光纖傳感技術(shù)具有可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離分布式監(jiān)控、可定位、耐腐蝕、能源依賴性小等優(yōu)點(diǎn)，正符合我們的需求。傳統(tǒng)的管道檢測(cè)技術(shù)主要依靠管道起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)采集的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行泄漏判別，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)管道中段的檢測(cè)，而光纖傳感技術(shù)則利用隨管道鋪設(shè)的光纖作為傳感單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸油管道的全程監(jiān)控，滿足長(zhǎng)路由輸油管線的漏油定位報(bào)警需求。并且隨輸油管道鋪設(shè)的光纜可對(duì)輸油管附近的異常震動(dòng)作出判斷，實(shí)現(xiàn)預(yù)判功能，提高管道監(jiān)控安全性。同時(shí)，由于光纜的物理特性決定其使用年限長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)便、費(fèi)用低等特點(diǎn)，因此利用光纖傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離輸油管道的防漏、防盜檢測(cè)越來越受到重視。

2 光纖傳感器技術(shù)原理

光纖傳感器是以光學(xué)量轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，以光信號(hào)為變換和傳輸?shù)妮d體，利用光導(dǎo)纖維輸送光信號(hào)的一種傳感器。光纖傳感器主要由光源、光導(dǎo)纖維（簡(jiǎn)稱光纖）、光檢測(cè)器和附加裝置等組成。光源種類很多，常用光源有鎢絲燈、激光器和發(fā)光二極管等。光纖很細(xì)、較柔軟、可彎曲，是一種透明的能導(dǎo)光的纖維。光纖之所以能進(jìn)行光信息的傳輸，是因?yàn)槔昧斯鈱W(xué)上的全反射原理，即入射角大于全反射的臨界角的光都能在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，反射光仍以同樣的角度向?qū)γ娴慕缑嫒肷?，這樣光將在光纖的界面之間反復(fù)地發(fā)生全反射而進(jìn)行傳輸。由于挖掘、盜油等行為會(huì)引起布放在輸油管道附近的光纜震動(dòng)，使得光纜的直射率發(fā)生變化，進(jìn)而引起光波的相位和波形的變化，我們可以此作為依據(jù)來判定輸油管道周圍的環(huán)境變化、所在位置及變化原因。正常狀態(tài)下的光路波形見

3 光纖油氣管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

目前，大港油田管線眾多，輸送介質(zhì)繁多，管線型號(hào)各異，大致有7 244條管線，總長(zhǎng)度約2 261千米。

管道沿線有多處在建廠房、橋梁、公路和樓群等，管道多次穿越公路及河流，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜。慣例的檢測(cè)方法是派工作人員沿管線巡查，也有采用一些傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，但實(shí)踐證明效果不佳，且原有的探測(cè)、檢測(cè)技術(shù)也不十分可靠。

光纖傳感技術(shù)通過埋設(shè)在管道旁的光纖來感受管線周圍的震動(dòng)，對(duì)于由于車輛等對(duì)地面沖擊形成的振動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)分析后自動(dòng)屏蔽。對(duì)于挖掘、敲打等形成的振動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)則會(huì)發(fā)出準(zhǔn)確報(bào)警，并將報(bào)警信號(hào)傳輸給監(jiān)控主機(jī)告知值班人員管線出現(xiàn)事故的區(qū)域。各種振動(dòng)形成的光路波形見圖3。

4 總 結(jié)

光纖傳感技術(shù)具有連續(xù)監(jiān)測(cè)、本質(zhì)安全、戶外無源、無輻射、抗干擾、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高、能耗低等優(yōu)勢(shì)，具體如下：

（1）監(jiān)控路由中采用無源設(shè)計(jì)，降低功耗的同時(shí)提高了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

（2）實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)油氣管線光纖干線監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍長(zhǎng)達(dá)60千米。

（3）定位精度高，在判斷有破壞行為發(fā)生時(shí)，可以實(shí)時(shí)對(duì)破壞行為發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行定位。在監(jiān)控距離內(nèi)，實(shí)現(xiàn)定位精度最高達(dá)到±200米。

（4）采集小波降噪、信號(hào)特征提取算法、模式識(shí)別等算法，降低工程應(yīng)用的誤報(bào)率。

（5）適應(yīng)性強(qiáng)，其戶外環(huán)境溫度適應(yīng)性在-50℃～80℃，光纜可埋設(shè)在潮濕的環(huán)境中長(zhǎng)期使用。

5 結(jié)論

綜上所訴，我們不難發(fā)現(xiàn)光纖管道監(jiān)控技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的輸油管道監(jiān)控技術(shù)有較大的優(yōu)勢(shì)，如果在油田推廣必將大幅提高油田輸油管線安防水平，為油田生產(chǎn)的現(xiàn)代化建設(shè)做出巨大貢獻(xiàn)。

主要參考文獻(xiàn)

[1] 陳逢春，光纖傳感安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2004.

[2] 文靜.油罐區(qū)的光纖安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探討[EB/OL].[2008-07-31].湖北安全生

產(chǎn)信息網(wǎng).

光學(xué)傳感技術(shù)范文第5篇

在信息社會(huì)，人類所利用的信息種類繁多，如語言、音樂信息、圖像信息、指令信息、控制信息、顯示信息等等。在這些五花八門的信息中，圖像信息是信息量最大的一種，尤其是在數(shù)字化以后，即使采用高比例的壓縮技術(shù)，圖像信息的數(shù)據(jù)量仍然十分龐大。因而要想充分利用圖像信息，人們必須在相關(guān)信息的獲取（傳感）、存儲(chǔ)、傳輸、處理、重放、顯示以及人對(duì)信息的感覺等諸多領(lǐng)域進(jìn)行研究開發(fā)，以期達(dá)到預(yù)期的實(shí)用效果。在數(shù)字技術(shù)中，與圖像信息相比，其它信息，如語言、音樂、指令、控制、顯示等等所有信息的總和也不到圖像信息的幾分之一。因而在按照某種規(guī)格編排成的數(shù)據(jù)包中，只要能放進(jìn)必需的圖像信息，其它信息當(dāng)然不在話下。因此在數(shù)字化時(shí)代，IT技術(shù)的研究核心就是圖像信息技術(shù)。而這里所說的圖像媒體通常包括存儲(chǔ)媒體（磁帶、ID卡、光盤、硬盤等）、傳輸媒體（有線、無線、光傳輸）、變換媒體（傳感、顯示、重放等）。

為了適應(yīng)數(shù)字化時(shí)代信息市場(chǎng)的需求，近年來世界各大公司的研發(fā)機(jī)構(gòu)，在圖像信息的傳感、顯示、重放、傳輸、編碼、處理以及輸入輸出等方面進(jìn)行了大量工作，現(xiàn)借《電子世界》一方寶地分期向廣大讀者介紹各方面的最新進(jìn)展。

信息傳感技術(shù)

近年來信息傳感技術(shù)的發(fā)展成果顯著。傳感器和攝像機(jī)等就是典型的代表。

本文就最近二年間信息傳感技術(shù)的研發(fā)動(dòng)向，依次介紹CCD、CMOS傳感器、攝像機(jī)、不可見光攝像技術(shù)、與傳感有關(guān)的技術(shù)、線性傳感技術(shù)等。

1.CCD攝像元件

在CCD攝像元件中，靜止圖像用的CCD攝像元件從300萬像素向著400萬、600萬像素等多像素方向發(fā)展，現(xiàn)在500萬、600萬像素的CCD攝像元件已經(jīng)商品化了。靜止圖像用的CCD攝像元件的像素傳感，與CCD攝像元件的技術(shù)革新一起，也向著小型化方向發(fā)展，正在開發(fā)像素為3.125μm見方的小型化產(chǎn)品。圖像尺寸（對(duì)角線長(zhǎng)）與增加像素?cái)?shù)的同時(shí)，有逐漸大型化的趨勢(shì)。但是，這種圖像尺寸的大型化只是暫時(shí)的，由于最尖端的圖像技術(shù)的反饋特征，往往又回到多像素化以前的圖像尺寸。

與靜止圖像用的CCD攝像元件對(duì)應(yīng)的活動(dòng)圖像攝像元件也正在開發(fā)。例如，在1/1.7型330萬像素蜂窩狀CCD攝像元件中，為了使其能適應(yīng)相當(dāng)于30fps VGA的活動(dòng)圖像讀出，在VCCD和HCCD之間配置了行存儲(chǔ)器，并將VCCD改進(jìn)為13電極，HCCD改進(jìn)為8相驅(qū)動(dòng)。因?yàn)閷CCD做成8個(gè)電極，故實(shí)現(xiàn)了300萬像素FT-CCD的水平方向同色相加。

最近，不僅是小型攝像機(jī)，就連APS（高級(jí)照相系統(tǒng)）和35mm膠片的單反相機(jī)也配置了CCD攝像元件。為了用CCD攝像元件置換單反相機(jī)的膠片，在提高CCD攝像元件像素?cái)?shù)的同時(shí)，還必須解決與膠片相機(jī)相比，CCD元件動(dòng)態(tài)范圍小的問題。作為一個(gè)例子，可以舉出APS尺寸600萬像素的CCD 攝像元件。這種CCD攝像元件，因?yàn)橛跋窬褪茿PS大小，即使增加到600萬像素，像素尺寸也可以大到7.8μm見方。另外，動(dòng)態(tài)范圍等基本特性也可以提高。

關(guān)于活動(dòng)圖像用的CCD攝像元件，過去其技術(shù)開發(fā)主要是以縮小影像尺寸為目標(biāo)，但是，最近像素?cái)?shù)已經(jīng)增加到100萬像素量級(jí)。同靜止圖像的融合也有進(jìn)展。例如，裝有總像素?cái)?shù)155萬的CCD攝像元件，可進(jìn)行97萬有效像素的攝像（活動(dòng)圖像），同時(shí)又能進(jìn)行139萬有效像素靜像攝影的DV攝像機(jī)已經(jīng)商品化了。

監(jiān)控?cái)z像機(jī)必須要有更高的靈敏度和更寬的動(dòng)態(tài)范圍。與此相對(duì)應(yīng)，為了提高黑白條件下的靈敏度，必須提高光敏器件在縱深方向的厚度，所謂EXview構(gòu)造的CCD攝像元件和由于在信號(hào)處理上采取措施而擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍的Hyper-D方式的監(jiān)控?cái)z像機(jī)已經(jīng)商品化。另外，將Hyper-D方式應(yīng)用于民用單板彩色攝像機(jī)的場(chǎng)合，圖像質(zhì)量也得到了改進(jìn)。

最近，帶有攝像功能的手機(jī)等攜帶式機(jī)器的新市場(chǎng)已建立起來。因攜帶式機(jī)器必須使用低耗電的小型電池，故大多采用CMOS傳感器。但是，目前CMOS傳感器在靈敏度和S/N方面還不及CCD攝像元件。因此，應(yīng)當(dāng)研究如何將比CMOS傳感器畫質(zhì)高的CCD用于攜帶式機(jī)器。為了在沒有機(jī)械快門功能的攜帶式攝像機(jī)和PC攝像機(jī)上裝入CCD攝像元件，必須要用小型的順序掃描式CCD攝像元件。因此，開發(fā)了1/6型VGA格式順序掃描式CCD攝像元件。并且為了小型化而采用了薄片級(jí)芯片尺寸封裝（WL-CSP）。

此外，為了提高幀速率，還開發(fā)了多通道并行讀出等技術(shù)。而且，為了達(dá)到更高幀速率，還開發(fā)了像素周圍記錄技術(shù)，即對(duì)每個(gè)像素裝入多個(gè)存儲(chǔ)器，所有像素并行同時(shí)記錄圖像信號(hào)。

2.CMOS傳感器

最近CMOS圖像傳感器的性能顯著提高，已在廣泛領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)用化推廣。使CMOS傳感器的性能得以提高的重要技術(shù)，就是埋入型光電二極管的開發(fā)，這是日本各制造廠的中心課題，采用這種技術(shù)的單反相機(jī)用325萬像素的元件也正在開發(fā)。在一般的3晶體管像素電路中，為了降低噪聲，在像素部分的復(fù)位動(dòng)作中采用有源反饋的方法，并提出了降低復(fù)位噪聲方法的建議。將這種方法應(yīng)用于4M像素的CMOS圖像傳感器，就得到了25電子以下的隨機(jī)噪聲水平。另外，在CMOS傳感器中為了降低讀出噪聲，正在研究利用高增益陣列放大器（column amp）的方法。還開發(fā)了一種引人注目的方法，即不用濾色器，而在一個(gè)像素中，對(duì)應(yīng)RGB 3個(gè)波長(zhǎng)，用具有最大靈敏度的光電二極管豎向疊置結(jié)構(gòu)形成的CMOS圖像傳感器，從而使解像度提高。

還開發(fā)了有效利用CMOS特征的耗電極小的圖像傳感器。像素?cái)?shù)為176×144，工作電壓為單電源1.5V550μW，可以30fps的速率攝像。實(shí)現(xiàn)了僅有電源、GND和串行輸出3腳的接口。

高速圖像傳感器的性能也因CMOS化而大大提高。在像素?cái)?shù)為4M（2352×1728），能以240fps速率攝像的CMOS圖像傳感器中，內(nèi)裝的10bit的陣列并行A/D變換器的數(shù)據(jù)率達(dá)到9Gbps。以10bit×16針并行輸出。作為最高速的產(chǎn)品，開發(fā)了最大1024×1024像素、1000fps、可以分段讀出、在512×512像素時(shí)能以3800fps速率高速攝像的CMOS圖像傳感器。作為內(nèi)裝A/D變換器的高速圖像傳感器，1280×1024像素、500fps的CMOS已經(jīng)有產(chǎn)品出售。其它的，768×1024像素、1000fps、將像素錯(cuò)開的產(chǎn)品中，有等效解像度相當(dāng)于1536×1024像素的高速CMOS圖像傳感器等。

增加像素?cái)?shù)的開發(fā)工作進(jìn)展顯著。在3.25M像素、適應(yīng)APS-C（Advanced Photo System-Classic：高級(jí)照片系統(tǒng)－典型）的CMOS圖像傳感器中，采用在像素處埋入光電二極管的辦法，可以將60℃時(shí)的無光照電流抑制到40pA/cm2，實(shí)現(xiàn)270μVrms的隨機(jī)噪聲。電源電壓用5V單電源，耗電250mW，這與相同像素?cái)?shù)的APS-C用CCD圖像傳感器相比，僅約相當(dāng)于其耗電的1/5。在采用CMOS的HDTV用（1936×1086像素）圖像傳感器中，適應(yīng)于2/3英寸光學(xué)系統(tǒng)，可以進(jìn)行30Hz的逐行讀出和60Hz的隔行讀出。內(nèi)裝0～24dB的可編程增益放大器和12bit的A/D變換器。在多像素競(jìng)爭(zhēng)的意義上，作為像素?cái)?shù)最多的CMOS圖像傳感器，開發(fā)了6.6M像素（3170×2120像素）的產(chǎn)品。以檢查印刷板為目的，像素間距也大到11.4μm見方，整體大小也達(dá)到24×36mm2。

近來發(fā)表了集中了多種功能優(yōu)點(diǎn)的CMOS哭件，有將A/D變換器置于像素內(nèi)，并能以10000fps以上的速率高速攝像的CMOS圖像傳感器。在采用0，18 um先進(jìn)工藝的產(chǎn)品中，已經(jīng)可以將備有8bit A/D變換器功能的37只晶體管的像素電路放入9.4μm見方的硅片中，圖像格式為CIF（352×288）。還試制了在像素內(nèi)每4幀的模擬存儲(chǔ)器具有1bit的 A/D變換器，裝入基于光切斷法的狹縫光位置檢出功能的CMOS圖像傳感器。用狹縫光的30Hz掃描速度可以實(shí)時(shí)生成192×124像素的距離圖像。還開發(fā)了將存儲(chǔ)器分離，提高解像度的產(chǎn)品。作為按照立體電視需要進(jìn)行距離圖像測(cè)量用的CMOS圖像傳感器，正在開發(fā)在一個(gè)芯片上具有2只眼的傳感器。設(shè)想主要用于印刷板上的元件組裝檢查。

3.攝像機(jī)

（1） 高清晰度攝像機(jī) 2000年12月，日本開始了BS（廣播衛(wèi)星）數(shù)字廣播，高清晰度攝像機(jī)在廣播領(lǐng)域開始廣泛應(yīng)用。在廣播領(lǐng)域，出現(xiàn)了靈敏度較原來提高近1倍的VTR一體型高清晰度攝像機(jī)。以前，高清晰度攝像機(jī)的靈敏度為2000lx.F8，由于利用層內(nèi)透鏡提高了像素的聚焦度，以及利用數(shù)字處理技術(shù)提高了增益，現(xiàn)在達(dá)到了和SDTV攝像機(jī)同等的靈敏度2000lx.F10。另外，為使宇航員能從航天飛機(jī)上用高清晰度攝像機(jī)拍攝地球，進(jìn)行了耐放射線CCD的開發(fā)研究。正在開發(fā)的有為了弄清發(fā)生“白色缺陷”的原因和用信號(hào)處理方法消去缺陷的裝置。

以更高清晰度為目標(biāo)的產(chǎn)品，采用800萬像素（有效像素?cái)?shù)：4046×2048）的CCD的3板式攝像實(shí)驗(yàn)裝置也正在開發(fā)中。這種CCD被分割成16個(gè)區(qū)域，各個(gè)區(qū)域并行處理信號(hào)。這時(shí)利用無信號(hào)期間的黑基準(zhǔn)和取決于參考光的白基準(zhǔn)，對(duì)各區(qū)域間的增益和失調(diào)（偏差）成分進(jìn)行補(bǔ)償。

（2）其它攝像機(jī) 為了創(chuàng)造出以前沒有的新的影像，人們正在開發(fā)可以獲得各種影像信息的各種攝像機(jī)。正在試制可同時(shí)檢出2維圖像信息和到被攝物的距離信息，圖像獲取部分和距離檢出部分做成一體的攝像機(jī)。還有無須進(jìn)行復(fù)雜的像素運(yùn)算和光掃描而能同時(shí)得到圖像及深度信息的攝像機(jī)。還了將這樣的功能擴(kuò)展到3維，在CMOS傳感器上裝有距離檢出功能的單片3維視覺傳感器。另外，還報(bào)告了利用內(nèi)裝存儲(chǔ)器型斜行直線CCD能將時(shí)間分辨率大大提高的超高速攝像機(jī)（100萬幅/秒）；為了提高色重現(xiàn)性的多分光攝像機(jī)（multy-spectral camera）;在從紫外光到可見光范圍內(nèi)可得到非常狹窄波段光信息的超級(jí)分光攝像機(jī)（Hyper-spectral camera）；以及使大口徑的LL和CCD組合，可實(shí)現(xiàn)為通常CCD攝像機(jī)3000倍靈敏度的超高靈敏度HDTV攝像機(jī)等。

另一方面，適應(yīng)IT時(shí)代，為網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（network camera）和手機(jī)用的CCD攝像機(jī)組件等，作為信息終端的傳感器、攝像機(jī)的開發(fā)也很活躍。

（3）攝像管及其攝像機(jī) 除了占主流地位的用CCD和CMOS傳感器的攝像機(jī)外，在要求在低照度下攝影的領(lǐng)域，超高靈敏度攝像管以及采用這種攝像管的攝像機(jī)也很活躍。在利用雪崩倍增現(xiàn)象的超高靈敏度新Super-HARP（超級(jí)-高增益雪崩型非晶態(tài)光電導(dǎo)靶）攝像管中，展示了耐熱性優(yōu)良的新Super-HARP膜結(jié)構(gòu)，以及在強(qiáng)烈的輝光入射時(shí)防止膜發(fā)生缺陷的工作條件。由此，可以將光電生成的電荷倍增到200倍的超高靈敏度新Super-HARP管，以及適用此種管子的高清晰度新Super-HARP輕便攝像機(jī)（65lx.F8）就實(shí)用化了。這種攝像機(jī)不僅作廣播用，還用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在用這種攝像機(jī)的眼科手術(shù)中，可以減輕患者視網(wǎng)膜的負(fù)擔(dān)，一般認(rèn)為，只用相當(dāng)于通常光的20%～30%的照明就能進(jìn)行手術(shù)。另外在用于X射線微血管造影系統(tǒng)時(shí)，對(duì)于早期發(fā)現(xiàn)惡性腫瘤和循環(huán)系統(tǒng)障礙是有效的。這樣，HARP攝像管作為可同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高靈敏度和高畫質(zhì)的攝像器件，起著重要的作用。

以減小體積減輕重量為目標(biāo)，在HARP膜上組合進(jìn)電場(chǎng)放電陰極陣列的冷陰極HARP攝像板的研究正在進(jìn)行。已試制了厚約10mm的像素?cái)?shù)128×96的小型攝像板，攝像實(shí)驗(yàn)初步證實(shí)可得到穩(wěn)定的圖像。

4.不可見光攝像技術(shù)

（1）紅外線攝像 紅外線攝像元件有以輻射熱計(jì)為代表的熱式和QWIP、InSb、MCT等量子式，兩種型式都向著改良的方向開展研究。因?yàn)闊崾侥茉诔叵鹿ぷ?，不需要大?guī)模的冷卻設(shè)備，故可以實(shí)現(xiàn)小型、廉價(jià)的10μm波段的攝像機(jī)。作為輻射熱計(jì)的材料，在建議的VOx中，達(dá)到了0.1K以下的NETD（等效噪聲溫度差），后來，這種熱式產(chǎn)品特別引人注目。當(dāng)初輻射熱計(jì)的像素大小為50μm，不過，在以高解像度為目標(biāo)的640×512像素的攝像元件中已經(jīng)減小到25μm見方。

以廉價(jià)為目標(biāo)，探索比VOx制造工藝更簡(jiǎn)單的輻射熱計(jì)的材料也在進(jìn)行中。以非晶態(tài)硅（α-Si）為輻射熱計(jì)材料的320×240像素的攝像元件和以YBaCuO為材料的320×240像素的攝像元件都正在開發(fā)中。而且，作為輻射熱計(jì)以外的新的嘗試，還有雙金屬型266×194像素的攝像元件。在量子型攝像元件中，以前的MCT和InSb研究仍在進(jìn)行。以降低價(jià)格為目的，直接將PbTe用異質(zhì)襯底外延生長(zhǎng)法在〈111〉面方向的硅片上生長(zhǎng)成的96×128像素的攝像元件也已制成。在QWIP的研究中，10～16μm和寬帶的640×512像素的攝像元件正在開發(fā)。

從應(yīng)用方面看，正在開發(fā)用紅外線讀取單色條碼的系統(tǒng)。熱電堆型傳感器也在開發(fā)中，應(yīng)用于汽車后視鏡死角內(nèi)行人警告系統(tǒng)。

（2）X射線攝像 X射線檢出圖像的方法原來廣泛采用成像板，不過因?yàn)檫@種方法用膠片，故也受到制約。因此，正在研究利用CCD等攝像元件的X射線檢出技術(shù)。其中，有將X射線直接照射到CCD上的直接變換方式，和利用圖像倍增器和熒光膜等將X射線變換成可見光的間接變換方式。

在直接變換方式中，α-Se的研究開發(fā)原來就很活躍。在需要較大面積的醫(yī)療用途方面，有利用α-Si檢出X射線的研究、還有利用CdTe單晶的核輻射線檢出器的研究，以用于計(jì)量γ射線。

在間接變換方式中，圖像的數(shù)字化正在取代膠片。正在研究的有：測(cè)量由X射線范圍的偏振現(xiàn)象引起的對(duì)比像的X射線偏振顯微鏡；各放大倍數(shù)在10～200倍范圍內(nèi)連續(xù)可變、光電面的分辨率為0.5μm的X射線電子顯微鏡。

在X射線的應(yīng)用方面，利用大型輻射光設(shè)備SPring-8的輻射光的研究也在進(jìn)行，例如，利用8和11μm的X射線觀察微血管腫瘤。

5.與傳感相關(guān)的技術(shù)

（1）材料、裝置 在材料和裝置方面，具有可實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高畫質(zhì)的倍增功能的材料，以非晶態(tài)硒（α-Se）為主要材料的HARP靶的改良正在積極進(jìn)行中。而且，為了實(shí)現(xiàn)高畫質(zhì)，作為下一代攝像器件的研究，提出了α-Si系的PIN光電二極管等。另外，除倍增功能外還作為具有波長(zhǎng)選擇功能的光電變換膜，已經(jīng)了的有硅（Si）納米晶體膜等。在硅納米晶體膜中，可以根據(jù)硅晶體顆粒的結(jié)晶大小改變受光波長(zhǎng)，而且，因?yàn)槭菃尉w，故可期待硅晶體具有的電荷倍增效果。還有，作為紅外線傳感器，將以電場(chǎng)方式從PZT薄膜材料發(fā)射出的電子形成圖像的研究也正在進(jìn)行中。

（2）光學(xué)系統(tǒng)、攝像機(jī) 在光學(xué)系統(tǒng)中，與數(shù)字?jǐn)z像機(jī)普及的同時(shí)，正在開發(fā)考慮攝像元件性能的透鏡系統(tǒng)。從攝像機(jī)的光學(xué)功能方面，高畫質(zhì)而且補(bǔ)償范圍出色的光學(xué)手振補(bǔ)償技術(shù)的開發(fā)也在進(jìn)行。就透鏡本身的高性能化而言，在可見光波長(zhǎng)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)透鏡衍射率均一化的疊層型衍射光學(xué)元件的研究工作也在進(jìn)行中。

從攝像機(jī)方面看，除了CCD的高解像度外，更高畫質(zhì)的研究也在熱火朝天地進(jìn)行。特別熱衷于研究增大攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和提高解像度，通過傳感器和信號(hào)處理的組合來提高畫質(zhì)。

為了實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)范圍，有將長(zhǎng)時(shí)間曝光和短時(shí)間曝光的光電二極管信號(hào)用圖像處理方法合成的Hyper-D方式，和將長(zhǎng)時(shí)間曝光和短時(shí)間曝光信號(hào)并用的方式，據(jù)此開發(fā)出也可適用于移動(dòng)物體的攝像方式。另外，還有在保存照明光局部對(duì)比度的條件下壓縮動(dòng)態(tài)范圍的方法等。

6.與線性傳感器有關(guān)的技術(shù)

利用以彩色掃描儀為代表的線性傳感器的圖像讀取裝置，正在向著降低價(jià)格、提高解像度和多功能方面發(fā)展，正在從辦公室普及到個(gè)人用途。與此同時(shí)，線性傳感器的開發(fā)也很活躍。

在彩色掃描儀中，最高解像度在近二年間從1200dpi（每英寸點(diǎn)）提高到2400dpi。在2400dpi場(chǎng)合，也同原來一樣，用備有3列像素（裝有RGB濾波器）的CCD線性傳感器，圖像縮小成像在傳感器上。在2400dpi時(shí)，因?yàn)楦鞣N顏色的像素?cái)?shù)增加到1200dpi的2倍，像素排列呈鋸齒狀，抑制了傳感器長(zhǎng)度的增大。

緊貼圖像在傳感器上等倍成像的緊貼型傳感器，因?yàn)槟苁棺x取裝置小型化，而被一部分機(jī)種所采用。在緊貼型傳感器中，在進(jìn)行提高解像度的工作，這二年間，最高解像度從600dpi提高到1200dpi。傳感器中，將8個(gè)CCD傳感器成直線狀排列構(gòu)成。

在復(fù)印機(jī)方面，這二年來，數(shù)字化也迅速普及，A3原稿600dpi（7500像素）為主流，主要使用黑白或3排的彩色CCD線性傳感器。它比掃描儀更要求高速化，以1色20MHz的數(shù)據(jù)率驅(qū)動(dòng)。作為高速用，已了1通道40MHz、4通道160MHz的傳感器。

最近市場(chǎng)的特征是，同時(shí)具有掃描儀、傳真機(jī)、打印機(jī)多種功能的所謂“復(fù)合機(jī)”（MFP：Multifunction Peripheral，多功能外設(shè)）正以小規(guī)模辦公等為中心迅速普及。解像度以600dpi為中心，傳感器采用和掃描儀同樣的CCD傳感器或緊貼型傳感器，但速度比掃描用的要高（約10MHz）。在“復(fù)合機(jī)”或復(fù)印機(jī)中，也有一部分要求具有同時(shí)讀取彩色和黑白的功能，因而也有彩色傳感器和黑白傳感器作成一體的CCD線性傳感器。

作為攜帶信息機(jī)器用的傳感器，有條碼讀出器用小型緊貼式傳感器組件。但尚未達(dá)到普及，今后的市場(chǎng)動(dòng)向值得關(guān)注。

在掃描儀方面，提高解像度的潮流已持續(xù)很久（大約到4800dpi左右），與此對(duì)應(yīng)，有必要開發(fā)增多像素的技術(shù)。讀取裝置已漸漸不再是掃描儀和復(fù)印機(jī)發(fā)展的障礙，適應(yīng)復(fù)合化的功能大概會(huì)成為傳感器的研究課題。請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注攜帶信息機(jī)器用的小型傳感器的開發(fā)動(dòng)向。

7.結(jié)束語

以上介紹了從實(shí)用化期間的最新技術(shù)到面向下一代的基板技術(shù)，由此可見有關(guān)信息傳感技術(shù)的研發(fā)狀況。