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篇1：二氧化碳传感器TGS4160的原理及应用
二氧化碳传感器TGS4160的原理及应用
摘要：TGS4160是FIGARO（弗加逻）公司生产的一种固态电化学型二氧化碳（CO2）传感器，该器件除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性外，同时还具有耐高湿和耐低温等特点。因而可广泛用于自动通风换气系统或CO2气体的长期监测等应用场合。文中叙述了该传感器的内部结构和工作原理，给出了一个用TGS4160设计的专用模块的基本应用电路原理图。关键词：TGS4160；单片机；传感器；二氧化碳
1 概述
TGS4160二氧化碳传感器是FIGARO（弗加罗）公司生产的固态电化学型气体敏感元件。这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性?可广泛用于自动通风换气系统或是CO2气体的长期监测等应用场合。但是，由于TGS4160的预热时间较长（一般为2小时），所以，该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。此外，为了方便客户使用，FI-GARO公司还专门设计了带温度补偿的传感器处理模块AM－4。该模块采用微处理器进行控制，CO2气体浓度的输出信号电平为0．0～3．0V，相当于0～3000ppm的浓度，并有中继转接控制口，可输出高、低两种门限信号以供外接控制使用。TGS4160传感器的主要技术参数如下：(本网网收集整理)
●测量范围：0～5000ppm；
●使用寿命：2000天；
●加热器电压：5．0±0．2VDC；
●加热器电流：250mA；
●加热器功耗：1．25W；
●内部热敏电阻（补偿用）：100kΩ±5％；
●使用温度：－10～＋50℃?
●使用湿度?5～95％RH；
●产品尺寸：最大外径Φ24mm，高24mm，引脚长5．8mm。
2 内部结构
TGS4160二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式CO2敏感元件。该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成，而阳极只是镀金材料。该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装。元件的内层采用100目双层不锈钢网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。其外层顶盖上又罩上了一层60目的不锈钢网。为了达到降低干扰气体影响的目的`，TGS4160在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料（沸石）。传感器的6个引脚通过0．1mm的箔导线与内部相连。其等效的内部结构见图1所示。图中，阳极与传感器的第3脚S（＋）相连，阴极与传感器的第4脚S（－）相连，Pt加热器与传感器的第1，6脚相连，内部热敏电阻与传感器的第2，5脚相连。内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。
3 工作原理
TGS4160型CO2传感器是一种电化学型气体的敏感元件，当该元件暴露在CO2气体环境中时，就会产生电化学反应。其反应式如下：
阴极反应方程：
4Li＋＋2 CO2＋O2＋4e－＝2Li2CO3
阳极反应方程：
4Na＋＋O2 ＋4e－＝2Na2O
总的化学反应方程：
Li2CO3＋2Na＋＝Na2O＋2Li＋＋CO2
作为电化学反应的结果，根据耐斯特方程（Nernst），该过程将产生如下电势（EMF）：
EMF＝Ec－（RF）／（2F）ln（PCO2 ）
式中：PCO2 为CO2的分压；Ec为常数；R是气体常数； T为温度值（K）；F是法拉第常数。
从上式看出，通过监测S（＋）、S（－）两个电极之间所产生的电势值EMF，就可以测量CO2的浓度值。为了使该传感器保持在最敏感的温度上，一般需要给加热器提供加热电压进行加热，但加热电压的变化将直接影响传感器的稳定性，因此加热电压必须稳定，其范围应在5．0±0．2VDC之内。为了保证CO2的准确测量，除了保证加热电压稳定及对环境温度的变化进行温度补偿外，更主要的是要测量两电极之间变化的电势值ΔEMF，而不是绝对电势值EMF，因为ΔEMF与CO2浓度变化之间有一个较好的线性关系。虽然EMF绝对值随环境温度的上升而上升，ΔEMF却保持常量，而且它在－10℃～＋50℃温度范围内，基本不受温度的影响。
图2
ΔEMF值可由下式求得：
ΔEMF＝EMF1－EMF2
其中，EMF1为350ppm的CO2中的EMF值；EMF2为所测量的CO2的EMF值。
在温度为20℃±2℃、湿度为65±5％RH、加热电压为5．0±0．05VDC、预热时间为7天或大于7天的条件下，测得传感器在浓度为350ppm中的EMF值是220～490mV，而ΔEMF在350～3500ppm的CO2浓度中的值是44～72mV，因此?在实际测量应用电路中，要根据传感器的特点要求，除使用高输入阻抗（≥100GΩ）、低偏置电流（≤1pA）的运算放大器外，还要对测得的信号进行处理。处理该信号通常有两种方案可供选择：一是使用费加罗（FIGARO）公司的FIC98646专用处理器模块，二是选用其它型号的单片机并通过自己编程进行信号处理。
4 基本应用
利用TGS4160传感器并通过高输入阻抗、低偏置电流的运放进行放大，再作一些简单的运算处理，就可以在CO2浓度为300～5000ppm的范围内测得信号，该信号为0～几百毫伏的电压信号，可以供高精度A／D采样使用。如果使用费加罗（FIGARO）公司提供的AM－4 CO2传感器模块，则可直接应用于自动通风换气系统或是CO2气体监测。该模块内部带有A／D转换器，并已对数据进行了采样并作了处理。它输出的电压信号与CO2浓度值呈线性关系，输出的电压信号为0～3．0V，相当于0～3000ppm的CO2浓度。另外，该模块还提供有中继转接控制信号。当CO2浓度高于设定值时，输出的转接控制信号为高电平5V，该信号可以使得红LED点亮；反之，它将转接控制信号为低电平0V以使绿LED点亮。但是，该模块的设定值是分档的，而不是连续可调的。共分为四档（可通过线路板上的跳线来实现），表1和表2分别给出了门限开关信号的浓度值及跳线连接方法。AM－4模块的实用电路原理图见图2所示。
表1 门限信号浓度
控制信号门限档次开关Ⅰ800ppm720ppmⅡ1000ppm900ppmⅢ1500ppm1350ppmⅣppm1800ppm表2 跳线连接
连 接 方 式档次JP5JP6JP7JP8Ⅰ连连连断Ⅱ连连断连Ⅲ连断连连Ⅳ断连连连如果认为使用AM－4模块不方便或是认为价格太高，也可以自行设计电路，并自行编写程序进行处理。
5 结束语
TGS4160型CO2传感器特别适合于连续监测CO2的场所，它不需断电，其稳定性好。但TGS4160传感器不适于做便携式或手持式CO2测量仪器。因为预热时间太长，不能即时测量，同时传感器的功率也较大。此外，传感器暴露在某些气体中（如氯气）会降低灵敏度，由于沸石可以对某些干扰气体（如乙醇）加以滤除。因此，不用时可置于干燥剂中，并用专用袋进行密封。
篇2：二氧化碳传感器TGS4160的原理及应用
二氧化碳传感器TGS4160的原理及应用
摘要：TGS4160是FIGARO（弗加逻）公司生产的一种固态电化学型二氧化碳（CO2）传感器，该器件除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性外，同时还具有耐高湿和耐低温等特点。因而可广泛用于自动通风换气系统或CO2气体的长期监测等应用场合。文中叙述了该传感器的内部结构和工作原理，给出了一个用TGS4160设计的专用模块的基本应用电路原理图。关键词：TGS4160；单片机；传感器；二氧化碳
1 概述
TGS4160二氧化碳传感器是FIGARO（弗加罗）公司生产的固态电化学型气体敏感元件。这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性?可广泛用于自动通风换气系统或是CO2气体的长期监测等应用场合。但是，由于TGS4160的预热时间较长（一般为2小时），所以，该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。此外，为了方便客户使用，FI-GARO公司还专门设计了带温度补偿的传感器处理模块AM－4。该模块采用微处理器进行控制，CO2气体浓度的输出信号电平为0．0～3．0V，相当于0～3000ppm的.浓度，并有中继转接控制口，可输出高、低两种门限信号以供外接控制使用。TGS4160传感器的主要技术参数如下：
●测量范围：0～5000ppm；
●使用寿命：2000天；
●加热器电压：5．0±0．2VDC；
●加热器电流：250mA；
●加热器功耗：1．25W；
●内部热敏电阻（补偿用）：100kΩ±5％；
●使用温度：－10～＋50℃?
●使用湿度?5～95％RH；
●产品尺寸：最大外径Φ24mm，高24mm，引脚长5．8mm。
2 内部结构
TGS4160二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式CO2敏感元件。该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成，而阳极只是镀金材料。该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装。元件的内层采用100目双层不锈钢网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。其外层顶盖上又罩上了一层60目的不锈钢网。为了达到降低干扰气体影响的目的，TGS4160在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料（沸石）。传感器的6个引脚通过0．1mm的箔导线与内部相连。其等效的内部结构见图1所示。图中，阳极与传感器的第3脚S（＋）相连，阴极与传感器的第4脚S（－）相连，Pt加热器与传感器的第1，6脚相连，内部热敏电阻与传感器的第2，5脚相连。内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。
3 工作原理
[1] [2] [3]
篇3：传感器原理与应用答案
一、填空题(每空1分，共15分)
1. ON-OFF型微动开关 2.电子扫描 3.材料压阻系数
4.金属5.磁头所处的位置
6.动态性能 7.标准测试系统 8.不失真测量 9.温度差
10.低
11..RC网络 12.交流 13.地址译码器 14.细分 15.0
二、单项选择题(在每小题的四个备选答案中，选出一个
正确答案，并将正确答案的序号填在题干的括号内。
每小题1分，共15分)
1.(C) 2.(C) 3.(C) 4.(D) 5.(B) 6.(B) 7.(A) 8.(A) 9.(A) 10.(D)
11.(A) 12.(C) 13.(B) 14.(C) 15.(D)
三、问答题(每小题5分，共30分)
1.在静态测量中，根据测量系统输入量与对应输出值所绘
制的定度曲线可以确定那些静态特性? 在静态测量中，
根据绘制的定度曲线，可以确定测量系统的三个静态特
性：灵敏度，非线性度，回程误差。
2.设载波的中心频率为f0试根据图a、图b所示调制信号
定性画出相应调频波波形。
调频波波形频率f与中心频率f0和调制波幅值的关系f=f0±Δf,Δf为频率偏移，与X(t)幅值成正比。
3.回答下列函数哪些是周期函数、哪些是非周期函数：
xω
1(t)=sin3ωt，x2(t)=e-t，x3(t)=esint，x4(t)=δ(t)，
x5(t)=sin??1?
?2t??
x1(t) x3(t) x5(t)周期函数，x2(t) x4(t)非周期函数
4.简述两类扭矩的测量原理及举例说明相应的扭矩传感
器。
1)轴类零件受扭矩作用时，在其表面产生切应变，可通过测量该应变检测扭矩，如电阻应变式扭矩传感器。
2)弹性转轴受扭后，两端面的相对转角只与所承受的扭矩有关，且呈比例关系，可通过测量扭转角测量扭矩，如电容式或光电式扭矩传感器。
5.简述应变片在弹性元件上的布置原则，及哪几种电桥接法具有温度补偿作用。 (1)贴在应变最敏感部位，使其灵敏度最佳； (2)在复合载荷下测量，能消除相互干扰； (3)考虑温度补偿作用； 单臂电桥无温度补偿作用，差动和全桥方式具有温度补偿作用。 6.涡流式传感器测量位移与其它位移传感器比较，其主要优点是什么?涡流传感器能否测量大位移量?为什么? 优点： 能实现非接触测量，结构简单，不怕油等介质污染。
涡流传感器不能测量大位移量，只有当测量范围较小时，才能保证一定的线性度。 四、计算题(每小题8分，共24分) 1.已知测量齿轮齿数Z=18，采用变磁通感应式传感器测量工作轴转速(如图所示)。若测得输出电动势的交变频率为24(Hz)，求：被测轴的转速n(r/min)为多少?当分辨误差为±1齿时，转速测量误差是多少?
(1)测量时，齿轮随工作轴一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次，因此，线圈感应电动势的变化频率f等于齿轮的齿数Z与转速n的乘积。
f=nZ/60
n=
60fZ=60?24
18
=80(r/min) (2)读数误差为±1齿，所以应为1
18
转，即：
n=80±1
18
(r/min)
2.由RC组成无源低通滤波器，已知R=500(Ω)，C=10(μF)，试求：
(1)截止频率f0，并画出该滤波器的幅频示意图。
(2)设输入信号x(t)=0.2cos?
????125.6t?4??
,判断其是否在该
滤波器的通频带内。
(1)f11
0=2?RC?2??500?10?10?6?318.(HZ)
幅频示意图：
(2)周期信号x(t)的角频率ω=125.6
f?1256.1=2??2?
?20(HZ)?f0 信号x(t)的频率在该滤波器的通频带内。
3.试绘出x(t)=2cos(2πf0t)+3的时域图和频域图。
由于1?δ(f) 3?3δ(f) 又 2cos(2πf0t)?δ(f-f0)+δ(f+f0)
根据傅里叶变换的线性叠加原理：
2cos(2πf0t)+3?δ(f-f0)+3δ(f)+δ(f+f0)时域图见图a，频域图见图b
五、应用题(每小题8分，共16分)
1.试用双螺管线圈差动型电感传感器做成一个测力传感器。
(1)用简图说明该传感器的结构，并简要说明其作用原理；
(2)用图说明两个线圈在电桥电路中的接法。
(1)传感器的结构如图a所示，它由传力块、弹性圆桶、双螺管线圈、衔铁、传感器座等几部分组成。 原理：被测力F通过传力块作用在弹性圆桶上，弹性圆桶的变形带动衔铁移动，使双螺管线圈的'电感量发生变化，从而实现力的测量。
(2)电桥的接法如图b所示：
2.如图所示，轴工件用前后顶尖支承纵向磨削外园表面，在加工过程中，径向力Py和切向力Pz大小基本不变，但着力点位置沿轴向移动，现在前后顶尖上粘贴电阻应变片测量工件所受的Pz。
(1)在图中标明应变片的位置及Pz的测量电桥。 (2)着力点移动对测量结果有无影响?为什么?
(1)应变片(R1、R2、R3、R4)粘贴位置如图a所示；测量电桥如图b所示。
(2)根据以上位置布片和电桥接法，着力点位置的变化不会影响Pz的大小，因为在顶尖上的分力Pz1、Pz2，Pz=Pz1+Pz2，由Pz1、Pz2引起的电阻R1、R3的变化值之和
保持不变，故Pz的测量不受着力点的移动而改变。
篇4：高分辨率颜色传感器原理与应用
高分辨率颜色传感器原理与应用
高分辨率颜色传感器是一种可编程彩色光频率的转换器.该传感器具有分辨率高、可编程的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点;输出为数字量,可直接与微处理器连接.本文以高分辨率颜色传感器TCS230为例,介绍了色光理论和颜色识别方法及白平衡的'原理和进行调整的方法.同时,给出了相应的硬件设计电路和软件流程图,以供相关人员参考.
作 者：颉晓明 作者单位：西安航空职业技术学院,陕西,西安,710089 刊 名：北京电力高等专科学校学报 英文刊名：BEIJING DIANLI GAODENG ZHUANKE XUEXIAO XUEBAO 年，卷(期)： “”(5) 分类号：V4 关键词：高分辨率 颜色传感器 颜色识别 白平衡调整篇5：光电传感器原理及应用的探讨论文
光电传感器原理及应用的探讨论文
光电传感器原理及应用的探讨论文
摘 要在科学技术高度发展的现代社会中，我们主要依靠检测技术获取、筛选和传输信息来实现自动控制。光电传感器本身具有反应快、精度高、可靠性高等优点，而且其在测量速度方面较快，所以在自动测量领域中得到了广泛的应用。本文主要针对光电传感器的原理以及其应用等相关问题进行简要探讨。
关键词光电效应；外光电效应；内光电效应；光电子
在社会和经济快速发展的背景下，信息技术获得了广泛的应用，并在现代社会中发挥着重要的作用。很多人在得到资料后通过一系列科学的分析，加工，处理，才能正确认识和把握规律，促进科技工艺的发展。通过对信息的自动采集和过滤，获取有效的控制信息，可以提升企业的竞争力。
光电子和微电子技术的有效结合，形成了新的光电传感信息技术，这一技术的应用，使精度更高，响应速度更快，是具有高可靠性和高精确度的光电传感器，并且能对表格进行更灵活的测量，在自动检测技术当中得到了非常广泛的应用。光电传感器的应用可以实现对光学部件的有效检测。
1 光电效应理论基础
光电效应分为外部和内部光电效应光电效应。外部光电效应指的是表面电子的某些对象的光照射发生逃逸的现象，也称为电光效应以外光电子效应。基于在光电元件上具有光电管，光电倍增管等光学效应的外部光电效应是指光对下一个对象造成影响时，原子的内部电子被释放，但这些电子不会发生表面的逃逸现象，而是仍保持在所述主体的内部，从而使所述被摄体的变化的电阻率或产生电动势。主要包括光敏电阻器，光电二极管，光电池等光电元件。在光电材料的光，电子材料吸收能量，如果电子的表面能吸收足够的，电子将克服逃逸的`束缚到空间，这是光电效应以外的外表面。
因此，如果光电子逃逸面中，w不同的材料具有不同的功函数，入射光具有一定的频率限制，并且仅当入射光的频率大于该频率的限制，将已光电子，否则力度不大，也不会有光电子，这个频率所具有的上限我们一般把它称为“红色极限”。而光在电效应当中，价带与正常情况下的那些半导体材料之间所具有的带隙能量间隔在导带之间，价带电子不会自发如果通过转换到导带，使得导电半导体材料少得多的导电，但是，以某种方式与价带电子提供能量，它可以被激发到导带，形成一个载体，增加的方式的导电性时，光对于入射光的能量的激励。例如，价带电子将吸收这些具有很高能量的光子，并将其过渡到导带之中，从而留下一个介质孔当中的价带，这样也可以形成一对可以用来导电的电子――空穴对。虽然没有相关的逃逸电子或光电子形成，但是显然有电气效应是由于被光电效应中所产生的光。
用于价带到导带的电子跃迁，是有一定限度的入射光的能量，即ey=hv0=eg（v0是低频率）或频率小时石克事件的光比V比波长大于或更小。同时会发生与入射光的能量之间的电子跃迁是比较小的，不能使从价带的光子转变为导带，该带也可以是在子级结构跃迁内的
房间。
2 应用
光电传感器可以检测已被广泛应用于光的变化量而引起的检测技术，工业自动化和智能控制等领域。在这里，我们来说明这种传感器中的应用生产和生活。
2.1 光隔离器
所谓光隔离器一般是由一个发光的二极管或者光电晶体管在同一封套的组合物进行安装而成的。发光二极管的光敏电阻器，发光二极管光电晶体管。其中发光二极管的光电晶体管是被最广泛使用的，经常在隔离一般信号中使用；发光的光敏可控硅电源隔离的驾驶情况下使用二极管；发光二极管或在直接驱动低功率负荷的场合中使用的达林顿复合管。
2.2 文具计量电路
2.3 条码扫描笔
当扫描条形码笔尖上移动，如果遇到黑线，所述发光二极管的光就会由黑线被吸收，光电晶体管不接收反射的光，高阻抗电流干旱，在横截面中比状态由于当由发光二极管发出的光，被反射到光电晶体管的基极的颜色空间满足，光电晶体管导通，整个条码扫描之后，条形码到光电晶体管的电脉冲信号，将信号放大，脉冲列的形成后成形，然后通过计算机处理，以完成的条形码信息的识别。
2.4 光电探纬器
光电探测器在纬纱织机用检测器，以确定是否断裂时在喷射纬纱效果的进步，红外发射红外光，经纬线反射的接收到的光电池，如果没有接收到电池中的光的反射信号，则纬纱已破裂，因此光电池的输出信号，经过随后的电路放大，脉冲整形，并控制机器的正常操作是打开还是关闭报警。
因为纬纱非常薄，并向前摆动，漫射光的生成，减弱了反射光的强度，并伴有背景的杂散光，因此要求塞具有高的灵敏度和分辨率，为此，利用红外线LED高电流小电源脉冲占空比，它将确保发光管的寿命，而且在瞬间射的光，以提高检测灵敏度。
3 结论
一些广泛运用的光电传感器仍等着我们去研究，去探索，如在太阳下，还不能很好看清手机和电脑的显示，那么我们就可以用它来更改手机的感光器件和屏幕亮度，同样的，空调调节，可以红外线检测自动调整到舒适的温度的身体，当温度过高或过低时，打开空调即可调整到人的舒适范围温度，由此可见，光电传感器将会使我们的生活更方便。
参考文献
[1]张梦欣.自动检测与传感器应用[M].中国劳动社会保障出版社.
[2]李科杰.自动检测与光电传感器的应用[J].现代传感技术.
篇6：μPD3575DCCD图像传感器的原理及应用论文
μPD3575DCCD图像传感器的原理及应用论文
摘要：μPD3575D是NEC公司生产的一种高灵敏度、低暗电流、1024像元的内置采样保持电路和放大电路的线阵CCD图像传感器。文章介绍了μPD3575D的主要特点、结构原理、引脚功能、光学/电子特性、驱动时序以及驱动电路。
关键词：μPD3575DCCD驱动脉冲图像传感器
1概述
μPD3575D是NEC公司生产的一种高灵敏度、低暗电流、1024像元的内置采样保持电路和放大电路的线阵CCD图像传感器。该传感器可用于传真、图像扫描和OCR。它内部包含一列1024像元的光敏二极管和两列525位CCD电荷转移寄存器。该器件可工作在5V驱动（脉冲）和12V电源条件下。
μPD3575D的主要特性如下：
*像敏单元数目：1024像元；
*像敏单元大小：14μm×14μm×14μm(相邻像元中心距为14μm)；
*光敏区域：采用高灵敏度和低暗电流PN结作为光敏单元；
*时钟：二相（5V）；
*内部电路：采样保持电路，输出放大电路；
*封装形式：20脚DIP封装。
2内部原理和引脚功能
μPD3575D的封装形式为20脚DIP封装，其引脚排列如图1所示，引脚功能如表1所列。图2为μPD3575D的内部结构原理图，中间一排是由多个光敏二极管构成的光敏阵列，有效单元为1024位，它们的作用是接收照射到CCD硅片的光，并将之转化成电荷信号，光敏阵列的两侧为转移栅和模拟寄存器。在传输门时钟φTG的作用下，像元的光电信号分别转移到两侧的CCD转移栅。然后CCD的MOS电容中的电荷信号在φIO的作用下串行从输出端口输出。上述驱动脉冲由专门的驱动电路产生。
表1μPD3575D的引脚功能
引脚名功能IO时钟TG转移时钟RO复位时钟SHO采样保持时钟G1测试端G2测试端ID测试端OV测试端VOUT信号输出RD复位漏极电压OD输出漏极电压VGC电源电压GND地NC未连接
3光电特性参数
μPD3575D的光学/电子特性参数如表2所列。表中的工作条件为：温度在25℃左右，工作电压VOD=VRD=VGC=12V，频率fSHO为0.5MHz,tint(积分时间)=10ms，光源为2856K的钨丝灯。
表2光/电子特性参数
特性符号最小值典型值最大值单位注释饱和输出电压VOUT1.52.3-V饱和曝光量SE-0.45-Ix·s白色荧光灯光响应非均匀性PRNU-510%VOUT=500mV白色荧光灯平均暗信号ADS-0.510mV遮光光响应不均匀性DSNU-0.510mV遮光功耗PN-100-mW输出阻抗Zo0.518Ω响应度R9.81418.2V/Ix·s钨丝灯R3.556.5V/Ix·s白色荧光灯峰值响应波长-550-nm输出偏移电压Vos-7.0-V转移栅输入电容CφIO-510pF复位端输入电容CφRO-510pF采样保护端输入电容CφSHO-510pF传输门输入电容CφTG-510pF反馈通过电压VR-100200mV输出上升延迟时间t3-50100ns输出上升时间t2-50100ns输出下降时间t1-50100ns
其中，饱和输出电压Vout为响应曲线失支直线形时的输出信号电压；饱和曝光量SE为输出饱和时的照度（lx）和积累时间的乘积。
输出电压不均匀性PRNU是取全部有效位输出电压的峰、谷之比值。平均暗电流ADS指的是遮光时的平均输出电流。暗信号不均匀性DSNU是遮光时的全部有效像元的输出电压最大或最小值与ADS的差。输出阻抗Zo为从外部看时输出端子的阻抗。响应度R是曝光量除以输出电压的值。值得注意的是：使用其它光源时，器件的响应度会有所变化。
4驱动时序
CCD的驱动需要四路脉冲，分别为转移栅时钟φIO、复位时钟φRO、采样保持时钟φSHO和传输门时钟φTG，将它们分别输入到CCD芯片的2脚、3脚、4脚和8脚，并在相应的管脚接上相应的电压就可以实现对CCD的驱动。
实现对CCD驱动的关键工作是如何产生以上的四路波形。图3是该四路时序波形图。
四路脉冲的作用描述如下：当传输门时钟φTG脉冲高电平到来时，正遇到φIO电极下形成深势阱，同时φTG的高电平使φIO电极下的深势阱与CMOS电容存储势阱（存储栅）沟通。于是CMS电容中的信号电荷包全部转移到φIO电极下的势阱中。当φTG变低时，φTG低电平形式的浅势阱将存储栅下势阱与φIO电极下的势阱离开，存储栅势阱进入光积分状态，而转移栅则在转移栅时钟φIO脉冲作用下使转移到φIO电极下势阱中的信号电荷逐位转称，并经过输出电路输出。采样保持时钟φSHO的作用是去掉输出信号中的调幅脉冲成分，使输出脉冲的幅度直接反映像敏单元的照度。
从以上描述和对波形的分析可以看出，复位脉冲φRO每触发一次，φIO脉冲翻转一次，并转移一个像元的信号电荷，因此φIO脉冲的周期为φRO的2倍。采样保持时间φSHO的周期和φRO的周期相同，但相位有一定的时间延迟。传输门时钟φTG脉冲控制线阵CCD整行的转移时间间隔，可作为行同步脉冲，其低电平持续的时间为φIO的整数倍，倍数由CCD的像元数决定。图4给出了μPD3575D的脉冲时序关系图，该图中为负极性逻辑，与前边图3的正极性逻辑正好相反，在编程过程中，我们可以先实现正极性逻辑，然后通过反向器将极性反过来。
从波形图可以看出，当转移时钟φIO变化（人“1”变到“0”或从“0”变到“1”）后，经过t1时间（最小值200ns，典型值300ns），采样保持时钟φSHO从高电平变低电平，低电平维持时间为t2(最小值100ns，典型值300ns)，当φRO翻转，使之由高电平变为低电平，触发的间隔时间为t3(最小值3ns,典型值100ns)。复位脉冲φRO翻转后维持的.时间为t4(最小值30ns，典型值100ns)，当它由低电平变回高电平时，触发转移时钟φIO翻转，其触发间隔为t5（最小值0ns,典型值50ns）。这样，一个循环结束，输出一个像元。如此不断循环，直至完全输出所有的像元。
那么，如何控制循五泊开始和结束呢？传输门时钟φTG起的就是这一作用，当φTG由低电平变为高电平并经过一定的时延（最小值50ns）后，转移时钟φIO开始按周期翻转，每翻转一次，输出一个像元。所有像元输出完毕，φTG再由高电平变为低电平。图4中φTG只给出了开始部分的波形，后面表示积分时间的波形没有给出，因此后面的积分时间长短可以根据对积分时间的需要自行设定。但积分时间内的φIO数目也是有要求的。因为该CCD芯片的有效单元为1024，加上虚设单元、暗信号和空驱动等共有12613个光电二极管，由于该器件是两列并行分奇偶传输的，所以一个φTG周期至少要有630个φIO脉冲，即φTG>630φIO。
如将其准时钟频率确定为8.000MHz,即周期为125ns，那么，根据给出的最小值就可算出四路波形的周期和占空经，具体列于表3。
表3四路驱动波形的周期的占空比
φIOφTGφROφSHO周期（ns）17501313000875875占空比1/21/7516/75/7
根据各路波形的周期、占空经和它们之间存在的关系所给出的典型驱动电路如图5所示。
5CCD数据采集
CCD可用于位置、尺寸和图像的检测，根据CDD传感器视频信号应用的差异，CCD视频信号的处理有两种方法：一是对CCD视频信号进行二值化处理后，再进行数据采集；二是对CCD视频信号采样、量化编码后再采集到计算机系统。
在检测钢轨不平顺的设计中要检测运动光源的瞬时位置，只需要测定光源在CCD上的成像位置，即光源成像在第几个像元上。图6为CCD数据采集原理图，采用二值化方法。
由于线阵CCD既具有高灵敏度的光电转换功能，又具有光电信号的存储和快速读出功能，所以通过一组时序脉冲的驱动控制（驱动器），可以实现对目标光源的实时光电转换与信号读出。当入射在CCD像元上成像时，入射光子被CCD像元吸收并产生相应数量的光生电荷。在光积分期间，光生电荷被积累并存储在彼此隔离的相应像元的势阱中，在每个像元势阱中所积累的信号电荷数与照射在该像元面上的平均照度和光积分时间的乘积成正比。在电荷转移期间，光生电荷依次转移称至输出区，通过复位脉冲的控制，在输出极形成视频信号，每次积分的输出波形代表目标光图像在CCD采样方向的瞬态强度的空间分布，输出视频信号经过低噪声宽带放大器放大处理后，每个光斑的输出波形如图7（a）所示。然后，对CCD的视频信号进行二值化处理，原理如图7（b）所示，二值化的前沿和后沿分别对应CCD像元的信号，计算出这两个像元位置的平均值，即为光线的中心位置，这即是一个检测数据。在CCD连续工作下，所有的检测数据经数据处理后，通过串行通讯电路将结果传送给单片机。
在进行CCD在线检测时，干扰光线较难克服，而且光源使用一段时间，光强也会变弱，这样会引起CCD输出信号幅度变化，从而导致测量误差，因此对上边的电路作了一定改进，即让阈值电压随CCD视频信号的幅值变化，改进后的浮动阈值电路如图8所示。当光源强度变化引起CCD视频信号变化时，可以通过电路CCD视频信号的起伏反馈到阈值上，使阈值电压随之改变，从而保证在光较弱时，二值化电路仍能输出合适的二值化信号。
二值化处理后输出的信号称为二值化信号。二值化信号为一个方波，该波形的前沿和后沿分别对应CCD像元的序号，计算出两个像元位置的平均值，即为线光源在CCD上成像的中心位置，从而获得一个检测数据。在CCD连续工作下，所有的检测数据经处理后，再经过串行通讯电路将结果传给单片机做进一步的处理。
篇7：黑白CMOS图像传感器OV9120的原理及应用
黑白CMOS图像传感器OV9120的原理及应用
摘要：本文阐述了CMOS图像传感器的一般特征，详细介绍了黑白CMOS图像传感器芯片OV9120的性能、特点及工作原理，给出了OV9120在图像采集处理中的具体应用实例。关键词：CMOS图像传感器；OV9120；图像采集
1 概述
随着CMOS技术的发展及市场需求的增加，CMOS图像传感器得以迅速发展。CMOS图像传感器具有高度集成化、成本低、功耗低、单一工作电压、局部像素可编程、随机读取等优点，适用于超微型数码相机、便携式可视电话、PC机电脑眼、可视门铃、扫描仪、摄像机、安防监控、汽车防盗、机器视觉、车载电话、指纹识别、手机等图像领域。本文介绍的是由美国OmniVision技术公司生产的OV9120黑白CMOS图像传感器，它采用独特的传感器专利工艺技术和先进的算法（algorithms）解决了先前CMOS感光器件固定图像噪声（FPN）的限制。因而可广泛应用于数字静止摄像、视频会议、视频电话、计算机视觉、生物测量等领域。
2 引脚功能
OV9120采用48脚LCC封装，其引脚排列如图1所示。
(本网网收集整理)
3 结构性能及工作原理
3．1 内部结构
OV9120内置1312×1036分辨率的镜像阵列、10位A／D转换器、可调视频窗、SCCE接口、可编程帧速率控制、可编程／自动曝光增益控制、内外帧同步、亮度均衡计数器、数字视频端口、定时产生器、黑电平校准及白平衡控制等电路。其内部结构如图2所示。
3．2 性能特点
OV9120是135万像素（1312×1036）、1／2英寸的CMOS图像传感芯片，它采用SXGA／VGA格式，最大帧速率可达到30帧／s（VGA），该芯片将CMOS光感应核与外围辅助电路集成在一起，同时具有可编程控制功能。OV9120芯片的基本参数如下?
●图像尺寸:6．66mm×5．32mm，像素尺寸，5．2μm×5．2μm；
●信噪比＞54dB；
●增益调整范围:0～24dB；
●SXGA输出时，阵列大小为1280×1024，VGA输出时，阵列大小为640×480；
●供电电源电压为直流3．3V和2．5V；
●暗电流: 28mV／s；
●动态范围:60dB。
3．3 工作原理
CMOS镜像阵列的设计主要建立在逐行传送的扫描场读出系统和带同步像素读出电路的电子快门之上。而电子曝光控制算法（或系统规则）则建立在整个图（物）像亮度基础之上。在景像（或布景）正常时，一般曝光都比较理想。但在景像光线不适当时，则应通过自动曝光控制（AEC）白／黑比调节来使其满足应用要求。对于VGA格式的输出，OV9120图像传感器的视窗尺寸范围从2×2到640×480，而对于SXGA格式的输出，视窗范围则从2×4到1280×1024，同时可以在内部1312×1036边界内的任何地方定位。变动窗口尺寸或位置不会使帧速（或数据速率）发生变化。帧速可通过主时钟下行（down）、插入垂直同步定时、或采用跳读技术的QVGA格式使其发生变动。
OV9120内部嵌入了一个10位A／D转换器，因而可以同步输出10位的数字视频流D[9．．0]。在输出数字视频流的同时，还可提供像素同步时钟PCLK、水平参考信号HREF以及垂直同步信号VSYNC，以方便外部电路读取图像。
ZV端口就是相机（镜头）的焦距调节视频端口。OV9120的ZV功能能使相机透镜变焦而急速移向（或移离）目标。OV9120可利用外部主导机构（master device）设定曝光时间。当FREX被置位于1时，像素阵列被迅速充电，传感器保持为高以拍摄图像（或物像）。在FREX转换到0时，视频数据流（data stream）用逐行读出方式交付到输出端口。当数据从OV9120视频输出端输出时，应特别注意防止图像阵列曝光影响拍摄图像数据的完整性。与画面曝光速率同步化的自动快门能够将这种影响降到最小程度。
当OV9120的RESET脚拉高至VCC时，全部硬件将复位。同时OV9120将清除全部寄存器，并复位到它们的默认值。实际上，也可以通过SCCB接口触发来实现复位。
由于SCCE端口能
够访问内部所有寄存器，所以，OV9120的内部配置可以通过SCCE串行控制端口来进行。SCCB的接口有SCCE 、SIO＿C 、SIO＿D三条引线，其中SCCE是串行总线使能信号，SIO＿C是串行总线时钟信号，SIO＿D是串行总线数据信号。SCCB对总线功能的控制完全是依靠SCCE、SIO＿C、SIO＿D三条总线上电平的状态以及三者之间的相互配合来实现的。控制总线规定的条件如下：当SCCE由高电平变为低电平时，数据传输开始。当SCCE由低电平转化为高电平时，数据传输结束。为了避免传送无用的信息位，可分别在传输开始之前和传输结束之后将SIO＿D设置为高电平。在数据传输期间，SCCE始终保持低电平，此时，SIO＿D上的数据传输由SIO＿C来控制。当SIO＿C为低电平时，SIO＿D上的数据有效，SIO＿D为稳定数据状态。而当SIO＿C上每出现一正脉冲时，系统都将传送一位数据。
OV9120有两种工作方式：主模式和从模式。主模式下，OV9120作为主导设备，此时XCLK上的外部晶振输入经过内部分频后可得到PCLK信号。当OV9120采集到图像后，在PCLK的下降沿到来时，系统便可依次将像素值输出，此时外部只是被动的接收信号。而在从模式下，OV9120则可作为从属设备，此时XCLK不能与外部晶振相接，但可以受外部器件，也就是主设备信号的控制。即由主导设备发送一个MCLK时钟信号，并在此信号的同步下依次发送像素值。
4 OV9120在图像采集系统中的应用
整个图像采集系统主要由OV9120图像传感芯片、CPLD控制模块、RAM存储器、DSP信号处理器、晶振电路等几部分组成。
在本系统中，OV9120作为系统的图像传感器，首先在其内部将获取的图像采样量化，然后在外部逻辑的控制下输出数字图像，并存入图像存储器。CPLD作为采集系统核心控制逻辑的'主控模块，可用来协调其它各模块的工作。OV9120的SCCB总线参数配置是整个控制逻辑模块执行的起点，只有利用SCCB总线将OV9120配置完毕后，才能进行图像采集工作。OV9120采集得到的图像数据可存储到SRAM中以供DSP使用，从而完成图像采集系统与DSP识别系统之间的交互操作。其系统原理图如图3所示。
系统上电后，应首先对CMOS图像采集芯片进行初始化，以确定采集图像的开窗位置、窗口大小和黑白工作模式等。这些参数均受OV9120内部相应寄存器值的控制。由于内部寄存器的值可以通过OV9120芯片上提供的SCCB串行控制总线接口来存取，所以，CPLD就可以通过控制SCCB总线来完成参数的配置。
配置的具体方法可采用三相写数据的方式，即在写寄存器过程中先发送OV9120的ID地址，然后发送写数据的目地寄存器地址，接着是要写的数据。如果连续给寄存器写数据，那么，写完一个寄存器后，OV9120会自动把寄存器地址加1，然后在程序控制下继续向下写，而不需要再次输入地址，这样，三相写数据就变成了两相写数据。由于本系统只需对有限个不连续寄存器的数据进行更改，而对全部寄存器都加以配置会浪费很多时间和资源，所以，可以只对需要更改数据的寄存器进行写数据。而对于每一个变化的寄存器，则都采用三相写数据的方法。
系统配置完毕后，将进行图像数据的采集。在采集图像的过程中，最主要的是判别一帧图像数据的开始和结束时刻。在仔细研究了OV9120输出同步信号（VSYNC是垂直同步信号、HREF是水平同步信号、PCLK是输出数据同步信号）的基础上，用VHDL语言便可实现采集过程起始点的精确控制。
VSYNC的上升沿表示一帧新的图像的到来，下降沿则表示一帧图像数据采集的开始（CMOS图像传感器是按列采集图像的）。HREF是水平同步信号，其上升沿表示一列图像数据的开始。PCLK是输出数据同步信号。HREF为高电平即可开始有效地数据采集，而PCLK下降沿的到来则表明数据的产生，PCLK每出现一个下降沿，系统便传输一位数据。HREF为高电平期间，系统共传输1280位数据。也就是说：在一帧图像中，即VSYNC为低电平期间，HREF会出现1024次高电平。而下一个VSYNC信号上升沿的到来则表明分辨率1280×1024的图像采集过程的结束。
实现采集的软件设计可在MAX＋plusII环境中实现。软件设计的主要工作是CPLD对OV9120的配置。在开始充电时，首先对系统进行初始化。CPLD的全局时钟可用24MHz的晶振电路产生。配置时首先配置SCCB，配置完毕后将SCCE置1。当接收到DSP的开始采集信号后，根据同步信号的状态来判定是否开始采集数据，采集数据的同时可将数据送往SRAM。当DSP接收到CPLD的读取信号后，即可开始读取数据，并在DSP中完成图像的处理。采集处理的部分主程序如下：
reset2：process（reset_i,n1,clk)
begin
if reset_i＝‘0’then scce_p＜＝‘1’；
else
if（n1＝‘1’ or m1＝‘1’）then
scce_p＜＝‘1’;
else scce p＜＝‘0’;
end if;
end if;
end process reset2;
clk1: process(n1,clk)
variable a: integer range 254 to 0;
begin
if(sio_c_start＝‘0’ OR n1＝‘1’) then
q＜＝‘1’;a:＝0;
else
if(clk＇event and clk＝‘1’) then
if(sio_c start＝‘1’ and n1＝‘0’) then
if a＜254 then; a:＝a＋1;
else a:＝1;
end if;
if a＜127 then q＜＝‘0’;
else q＜＝‘1’; end if;
end if;
end if;
end if;
end process clk1;
lock:process(sio_c_start,q)
variable n: integer range 8 to 0;
begin
if( sio_c_start＝‘0’ then load＜＝‘1’;n:＝0;
else
if (q ＇event and q＝‘0’） then
if n＜8 then n?＝n＋1；
load＜＝‘0’；
else n：＝0；load＜＝‘1’；
end if；
end if；
end if；
end process lock；
reg1： process（n1，q，load）
variable pp：std_logic_vector(7 downto 0);?
variable b：integer range 7 to 0；
variable c：integer range 13 to 0；
begin
if（n1＝‘1’or reset＿i＝‘0’） then p＜＝‘1’；c：＝0； b：＝0；QB＜＝‘0’；
else
if（q＇event and q＝‘0’）then
if load＝‘1’ then；
c：＝c＋1?
if c＜13 then
if c＝1 then
pp：＝″11000010″；
elsif c＝2 then
pp：＝″00001100″；
elsif c＝3 then
pp：＝″00101001″；
elsif c＝4 then
pp?＝″11000010″；
elsif c＝5 then
pp：＝″00001101″；
elsif c＝6 then
pp：＝″10000000″；
elsif c＝7 then
pp：＝″11000010″；
elsif c＝8 then
pp：＝″00010001″；
elsif c＝9 then
pp：＝″10000000″；
elsif c＝10 then
pp：＝″11000010″；
elsif c＝11 then
pp：＝″00010011″；
elsif c＝12 then
pp：＝″00010111″?
end if；
b：＝0；p＜＝pp（7）；
elsif c＝13 then
p＜＝‘0’； QB＜＝‘1’；
end if；
else
if b＜7 then b：＝b＋1；
pp（7 downto 1）：＝pp（6 ownto 0）；?
p＜＝pp（7）；?
else p＜＝‘1’；
end if；
end if；
end if；
end if；
end process reg1；
篇8：黑白CMOS图像传感器OV9120的原理及应用
黑白CMOS图像传感器OV9120的原理及应用
摘要：本文阐述了CMOS图像传感器的一般特征，详细介绍了黑白CMOS图像传感器芯片OV9120的'性能、特点及工作原理，给出了OV9120在图像采集处理中的具体应用实例。关键词：CMOS图像传感器；OV9120；图像采集
1 概述
随着CMOS技术的发展及市场需求的增加，CMOS图像传感器得以迅速发展。CMOS图像传感器具有高度集成化、成本低、功耗低、单一工作电压、局部像素可编程、随机读取等优点，适用于超微型数码相机、便携式可视电话、PC机电脑眼、可视门铃、扫描仪、摄像机、安防监控、汽车防盗、机器视觉、车载电话、指纹识别、手机等图像领域。本文介绍的是由美国OmniVision技术公司生产的OV9120黑白CMOS图像传感器，它采用独特的传感器专利工艺技术和先进的算法（algorithms）解决了先前CMOS感光器件固定图像噪声（FPN）的限制。因而可广泛应用于数字静止摄像、视频会议、视频电话、计算机视觉、生物测量等领域。
2 引脚功能
OV9120采用48脚LCC封装，其引脚排列如图1所示。
3 结构性能及工作原理
3．1 内部结构
OV9120内置1312×1036分辨率的镜像阵列、10位A／D转换器、可调视频窗、SCCE接口、可编程帧速率控制、可编程／自动曝光增益控制、内外帧同步、亮度均衡计数器、数字视频端口、定时产生器、黑电平校准及白平衡控制等电路。其内部结构如图2所示。
3．2 性能特点
OV9120是135万像素（1312×1036）、1／2英寸的CMOS图像传感芯片，它采用SXGA／VGA格式，最大帧速率可达到30帧／s（VGA），该芯片将CMOS光感应核与外围辅助电路集成在一起，同时具有可编程控制功能。OV9120芯片的基本参数如下?
●图像尺寸:6．66mm×5．32mm，像素尺寸，5．2μm×5．2μm；
●信噪比＞54dB；
●增益调整范围:0～24dB；
●SXGA输出时，阵列大小为1280×1024，VGA输出时，阵列大小为640×480；
●供电电源电压为直流3．3V和2．5V；
●暗电流: 28mV／s；
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