基于微型CCD的管道缺陷检测系统

　　1引言

　　电力、化工、冶金、军工等行业使用了大量直径不等、带有U形弯曲的管逍，长期使用后，管逍极易出现腐蚀、裂纹等损伤问题，直接影响设各及系统的正常工作。由于管逍空间窄小，甚至环境有害，人工检查管逍不仅劳动强度大，而目还有许多危险。现在对大口径、普通的石油管逍、煤气管逍等的管辟缺陷的探测，已经进入商业化阶段，但是对于变径的带有U形弯曲的管逍的检测还有待于研究开发。

　　针对管逍管缺陷的探测，目前一般采用光学探测传感器、涡流传感器、射线传感器和超声波传感器等，传感器的携带送进方式有在管逍外施加力送进和携带传感器的机构本身有动力源而自动进入两种。

　　近年来用于特殊管逍探测的机器人研究已经成为热点，如气压式、压电式、电磁式和形状记忆合金式机器人，但是由于空间的限制，用这种机器人携带检测传感器在管逍内的运行不易控制，目前可还处在实验室阶段。本文要介绍以微烈CCD摄像头作为光学探测传感器，管外施加推(拉)力能通过变径目带有U形弯曲的管逍缺陷探测系统。

　　2 CCD的工作原理

　　CCD不同于多数以电流或电压为信号的其它器件，其突出的特点是以电荷为信号，工作过程包括信弓-电荷的产生、存储、传输与检测。

　　2.1信弓一电荷的产生

　　在CCD电荷的产生分为光注入和电注入两大类。图像传感器的CCD通常是通过光敏中元，以光注入的方式形成信弓一电荷。

　　如图1所小，在P形中晶硅的衬底上做一层绝缘氧化膜(SiOz)通过活化置换技术在氧化膜表面做出多个排列整齐的可透光电极，当光线通过时，氧化膜与P形中晶硅之间产生电荷，光注入引起的电荷积累总量P..，可由下式表述

　　式，刀为材料的量子效率，r/为电子电量光子流速率(光照强度)，Te光照射时间沮为光敏中元面积。

　　2.2信弓一电荷的存储

　　CCD的基本中元是金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)电容，即MOS结构，当栅极所加偏压为OC即叭0时Y形半导体的空穴(多数载流子)分布均匀。当:l为半导体材料的阂值电压)时，空穴被排斥产生耗尽层，偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸，当叭:>V-ni时，半导体与氧化物界面的电势使体内少数载流子(电子)聚集形成反烈层，其电荷密度极高，这说明MOS结构具有积累电荷的功能，一般用“势阱”概念来描述。在没有反烈层电荷时，势阱的“深度”与栅级电压叭;成线性关系，当反烈层电荷填充势阱时，表面势收缩。势阱，可存储信号电荷的容量为片其C为MOS电容的容量，叭二为栅极偏压，当反烈层电荷为信号电荷口.，若则反ii}J层电荷数量反映了光强的大小，实现了CCD光电转换的线性效应，当反烈层电荷将势阱填满时，势阱“饱和”，超出CCD光电转换的线J胜效应区，表明势不再束缚多余的电子，电子将“溢出”，应用时应避免这种状态。