文化信息获取方式及传感器应用

2023-10-17 理论教育版权反馈

【摘要】：人们获取文化信息，借助的是感觉器官。对声音信号的感知通过声音检测传感器进行。驻极体传声器通过有永久电荷的驻极体代替极化电源的电容传声器。传声器的选择一般要根据实际情况确定，特殊情况下还要选择具有某种特性的传声器以满足特殊的要求。图9.1为NEC公司的CCD传感器[2]。靶面尺寸是图像传感器感光部分的对角线长度，用英寸表示。除了声音和图像外，位置信息也是文化中的常用信息，可以采用三维传感器采集，如数据手套等设备。

人们获取文化信息，借助的是感觉器官。人类的5大感觉器官是视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉器官。通过这些器官，可分别对声音信号、图像信号、味道信号、压力信号等信号进行感知。相应的，把文化信息分为声音、图像、味道、压力等信息，并通过不同的传感器技术进行感知。

对声音信号的感知通过声音检测传感器进行。声音检测传感器又称传声器、麦克风、话筒等，可以把声音的振动传到振膜上，形成变化的电流，送到声音处理电路进行放大处理的器件，其基本原理是进行声电转换。依据工作原理不同，通常有动圈式、驻极体、压电陶瓷、电容式、硅微式、激光式等类型的传声器^[1]。传声器可以记录声源在某一点的声音，完全记录文化信息中的原始声音信息需要更多的拾音技术。

动圈式传声器和动圈式扬声器原理相同，利用电磁感应原理工作。其结构中有一个轻质振膜和一个线圈连接在一起，线圈放在永久磁场中。声音产生的空气压力使振膜移动，带动线圈切割磁力线，产生与线圈移动速度成正比的感应电势。特点是结构简单、稳定可靠、固有噪声小，灵敏度低、频率范围窄。

驻极体传声器通过有永久电荷的驻极体代替极化电源的电容传声器。驻极体的电容量比较小，一般为几十皮法，输出阻抗值很高有几十兆欧。实用中在传声器内需要结型场效应晶体三极管进行阻抗变换。特点是体积小、性能优越、使用方便。

压电陶瓷是具有压电效应的陶瓷材料，属无机非金属材料。由压电陶瓷PZT制成的传声器具有成本低、结实耐用、价格低、灵敏度高，不受电磁干扰等特点。

传声器的选择一般要根据实际情况确定，特殊情况下还要选择具有某种特性的传声器以满足特殊的要求。传声器的特性包括灵敏度、频率响应、指向性、阻抗等。灵敏度指传声器开路电压与振膜上的声压之比。依据振膜上声压的不同计量方式有声压灵敏度和声场灵敏度两种定义。录音用传声器使用声压灵敏度，测量用传声器应用声压或声场灵敏度。频率响应指对于不同频率声音信号，传声器输出信号会随频率的变化放大或衰减，单位为分贝。理想的频响曲线为一条水平线，一般频响曲线是高低频衰减。指向性描述传声器对不同角度声音的灵敏度，其中全向式传声器对各角度的声音而言，灵敏度相同；单一指向式传声器对前方的声音有最佳灵敏度，而来自其他方向的声音则被衰减；双指向式可接受来自传声器前方和后方的声音。传声器的阻抗值也是传声器的指标之一，低于600Ω为低阻抗，介于600Ω至10 000Ω为中阻抗；高于10 000Ω为高阻抗。实际使用时，所接的负载（放大器）输入阻抗通常大于传声器输出阻抗而不作阻抗匹配。

对图像信号的感知通过图像传感器进行。图像传感器指能感受光学图像信息并转换成电子信号输出的传感器，分为CCD（Charge Coupled Device）传感器和CMOS（Complementary Metal－Oxide Semiconductor）传感器两类。图9.1为NEC公司的CCD传感器^[2]。(www.chuimin.cn)

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图9.1　CCD传感器

CCD是大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件，有表面沟道CCD（SCCD）和埋沟CCD（BCCD）两种基本类型，基本功能是电荷的存储和电荷的转移。在金属栅极上加一定的偏压，形成势阱以容纳电荷，电荷的多少与光强呈线性关系，电荷读出时，在一定相位关系的移位脉冲作用下，从一个位置移动到下一个位置，直到移出CCD，经过电荷—电压变换，光强转换为模拟信号。

CMOS可细分为被动式像素传感器CMOS（Passive Pixel Sensor CMOS）与主动式像素传感器CMOS（Active Pixel Sensor CMOS）。CMOS在每个像素位置内都有一个放大器，在低带宽情况下可把离散的电荷信号转换成电压输出，而且也仅在帧速率下进行重置。

图像传感器的主要技术指标有像素、感光度、帧率、靶面尺寸、电子快门和信噪比^[3]。在图像传感器中，每个像素对应一个感光单元，像素越多，图像就越清晰。感光度是图像传感器能感应入射光线的强弱程度，感光度越高，感光面对光的敏感度就越强，快门速度就越高。帧率是单位时间所记录的图片的数量，高的帧率可以记录更流畅、更逼真的视觉信息。靶面尺寸是图像传感器感光部分的对角线长度，用英寸表示。信噪比指信号电压对于噪声电压的比值，单位为分贝，信噪比越大说明对噪声的控制越好。电子快门是用来控制图像传感器的感光时间，感光时间长使信号电荷积累时间长，从而输出大的信号电流。电子快门越快，感光度越低。

除了声音和图像外，位置信息也是文化中的常用信息，可以采用三维传感器采集，如数据手套等设备。三维传感器是一种能实时地检测活动着的物体在六个自由度上相对于某个固定物体的数值，即在x、y、z坐标上的位置值，以及围绕x、y、z轴的旋转值，有低频磁场式、超声式等类型的传感器。三维传感器通常通过发射器发射磁场或超声波，用于定位。主要的性能要求有定位精度、分辨率、位置修改速率和延时。定位精度指测出位置与实际位置的差异，分辨率指所能测出的最小位置变化，位置修改速率是指传感器在一秒钟内所能完成的测量次数，延时指被检测物体的某个动作与传感器测出该动作的时间间隔。

文化信息获取方式及传感器应用

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