1、下頁,返回,第9章 光電式傳感器,9.1 概述 9.2 光電效應(yīng)與光電器件 9.3 光電式傳感器的應(yīng)用 9.4 CCD固體圖像傳感器 9.5 光纖傳感器 本章要點(diǎn),光電式傳感器是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。光電式傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)。,9.1概述,9.1.1 光電式傳感器的類別 光電式傳感器（或稱光敏傳感器） 是利用光電器件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號（電壓、電流、電阻等）的裝置。 按工作原理分類 光電效應(yīng)傳感器 紅外熱釋電探測器 固體圖像傳感器 光纖傳感器,下頁,上頁,返回,紅外熱釋電探測器 主要是利用輻射的紅外光（熱）照射材料時引起材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化或產(chǎn)生熱電動勢原理制成的一

2、類器件。 固體圖像傳感器 主要是用CCD電荷耦合器件的光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移功能制成CCD圖像傳感器。 光纖傳感器 利用發(fā)光管（LED）或激光管（LD）發(fā)射的光，經(jīng)光纖傳輸?shù)奖粰z測對象，被檢測信號調(diào)制后，光沿著光導(dǎo)纖維反射或送到光接收器，經(jīng)接收解調(diào)后變成電信號。,下頁,上頁,返回,光電效應(yīng)傳感器 光電效應(yīng)：因光照引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象，包括光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢等。,特點(diǎn)：,光電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)（不受電磁輻射影響，本身也不輻射電磁波）、可實現(xiàn)非接觸式測量等特點(diǎn)； 可直接檢測光信號，間接測量溫度、

3、壓力、位移、速度、加速度等； 發(fā)展速度快、應(yīng)用范圍廣，具有很大的應(yīng)用潛力。,下頁,上頁,返回,9.1.2 光電式傳感器的基本形式,由光路及電路兩大部分組成 光路部分實現(xiàn)被測信號對光量的控制和調(diào)制 電路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換后的電信號傳輸與輸出等,下頁,上頁,返回,四種基本形式,透射式 反射式 輻射式 開關(guān)式,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,9.2 光電效應(yīng)與光電器件,光可認(rèn)為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個光子所具有的能量E與其頻率大小成正比。光照射在物體上就可看成是一連串的具有能量為E（ E=hf）的粒子轟擊在物體上。所謂光電效應(yīng)即是由于物體吸收了能量為E的光后產(chǎn)生的電效應(yīng)。

4、光電效應(yīng)可分為：,9.2.1 外光電效應(yīng)型光電器件 指在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現(xiàn)象。 光電管及光電倍增管均屬這一類。,下頁,上頁,返回,1. 光電管及其特性,一、構(gòu)造,圖9-2 光電管的結(jié)構(gòu)與測量電路,下頁,上頁,返回,二、特性 光照特性 表示當(dāng)光電管的陽極電壓一定時，陽極電流I與入射在陰極上光通量之間的關(guān)系。,下頁,上頁,返回, 伏安特性 當(dāng)入射光的頻譜及光通量一定時，陽極與陰極之間的電壓同光電流的關(guān)系叫伏安特性。,圖9-3 光電管的伏安特性,下頁,上頁,返回, 光譜特性 光電管對光譜有選擇性：保持光通量和陽極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。,不同光電陰極

5、材料的光電管，對同一波長的光有不同的靈敏度； 同一種陰極材料的光電管對于不同波長的光的靈敏度也不同。,圖9-3 光電倍增管外形結(jié)構(gòu)及電路,2. 光電倍增管及其特性,下頁,上頁,返回,倍增系數(shù) M 陽極電流 光電倍增管的電流放大倍數(shù) 光電倍增管靈敏度比普通光電管高（105-108）倍，一般用于微弱光照條件。,下頁,上頁,返回,n=9-11,內(nèi)光電效應(yīng)是指在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象 內(nèi)光電效應(yīng)可分為： 因光照引起半導(dǎo)體電阻率變化的光電導(dǎo)效應(yīng) 因光照產(chǎn)生電動勢的光生伏特效應(yīng),9.2.2 內(nèi)光電效應(yīng)光電器件及其特性,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,采用具有內(nèi)光電效應(yīng)

6、的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。,1. 光敏電阻,圖9-8 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及表示符號,典型器件,下頁,上頁,返回,優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，體積小、重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬，機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊和振動，壽命長，性能穩(wěn)定。 缺點(diǎn)：使用時需要有外部電源，同時當(dāng)有電流通過它時，會產(chǎn)生熱的問題。 材料：硫化物（CdS、PbS、TlS） 硒化物（CdSe、PbSe） 碲化物（PbTe）等 應(yīng)用：照相機(jī)自動嚗光、電視機(jī)亮度自動 調(diào)節(jié)、燈光（航標(biāo)燈）自動控制等。,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，通常工作于反向工作狀態(tài)，當(dāng)不受光線照射時，處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)受光線照射時，處于導(dǎo)

7、通狀態(tài)。,2. 光敏二極管,下頁,上頁,返回,3.光敏三極管： 光電流相當(dāng)于三極管的基極，集電極電流是光電流的 倍，比光敏二極管具有更高的靈敏度。,4. 光電池,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是自發(fā)電式有源器件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時，在PN結(jié)附近激發(fā)電子-空穴對，在電場作用下，電子、空穴產(chǎn)生定向移動，在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電位差。,硅光電池,硒光電池,下頁,上頁,返回,一、光電（照）特性 光電特性是指這些半導(dǎo)體光電元件產(chǎn)生的光電流與光照之間的關(guān)系。,圖9-9 半導(dǎo)體光電元件的光電特性,硒光敏電阻,光敏晶體管,硅光電池,特性,下頁,上頁,返

8、回,二、伏安特性 伏安特性是指光照一定時，這些光電元件的端電壓U與電流I之間的關(guān)系。,圖9-10 半導(dǎo)體光電元件的伏安特性,下頁,上頁,返回,半導(dǎo)體光電元件對不同波長的光，其靈敏度是不同的，因為只有能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出光生電子空穴對。而光子能量的大小與光的波長有關(guān)。,三、光譜特性,圖9-11 半導(dǎo)體光電元件的光譜特性,下頁,上頁,返回,四、頻率特性 半導(dǎo)體光電元件的頻率特性是指它們的輸出電信號與調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。,圖9-12 半導(dǎo)體光電元件的頻率特性,下頁,上頁,返回,五、溫度特性 半導(dǎo)體材料易受溫度的影響，它直接影響光電流的值。因此需要討論這些光電元件的溫度特性

9、，以便選用合適的工作溫度。,圖9-13 半導(dǎo)體光電元件的溫度特性,硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性,下頁,上頁,返回,9.3 光電式傳感器的應(yīng)用,要使光電式傳感器能很好地工作。除了合理選用光電轉(zhuǎn)換元件外，還必須配備合適的光源、可靠的光學(xué)通路和合理的測量電路。,被測量X1直接對光源作用 被測量X2 作用于光學(xué)通路，對光通量進(jìn)行解調(diào),1 光源及光學(xué)通路,光源,上頁,返回,下頁,熱輻射光源：利用發(fā)熱物體向空間發(fā)出一定的光輻射 （如白熾燈、鹵鎢燈等）。 氣體放電光源：利用電流通過氣體放電的現(xiàn)象（發(fā)光） （如日光燈、低壓汞燈、氙燈、氦燈等）。 電致發(fā)光器件：利用固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生 發(fā)光現(xiàn)象（如發(fā)光

10、二極管）。 激光器：即光受激輻射放大，分為固體激光器、氣體激 光器、半導(dǎo)體激光器和液體激光器等。,光學(xué)通路 包括透鏡、濾光片、棱鏡、光通量調(diào)制器、光柵等。,上頁,返回,下頁,下頁,上頁,返回,2. 應(yīng)用電路,圖9-14 真空光電管的差接測量電路,1.光源 2.小鏡 3.6.透鏡 4.光闌 5.被測物 7.8.真空光電管 V1、V2 放大管,下頁,上頁,返回,光控閃爍安全警示燈,圖9-25 路燈自動控制器電路,下頁,上頁,返回,光敏三極管應(yīng)用電路,下頁,上頁,返回,圖9-26 光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表,下頁,上頁,返回,下頁,上頁,返回,天幕靶,下頁,上頁,返回,光電耦合器結(jié)構(gòu)圖,光電耦合器（optic

11、al coupler，英文縮寫為OC）,下頁,上頁,返回,圖9-28 光電耦合器,光電耦合器特性曲線,下頁,上頁,返回,作用： 脈沖及直流電平轉(zhuǎn)換 開關(guān)信號傳輸 不同邏輯電路接口 抗干擾 高低壓隔離等。,燃?xì)庠畹拿}沖點(diǎn)火控制器,下頁,上頁,返回,9.4 CCD固體圖像傳感器,電荷耦合器件（Charge Couple Device, 縮寫為CCD）是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路光電器件。它是1970年貝爾實驗室的WSBoyle和GESmith發(fā)明的，它與光敏二極管陣列集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的CCD圖像傳感器?？蓪崿F(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換、 存儲、 轉(zhuǎn)移并讀出信號電荷的功能。 它不僅

12、作為高質(zhì)量固體化的攝像器件成功地應(yīng)用于廣播電視、可視電話和無線電傳真，而且在生產(chǎn)過程自動檢測和控制等領(lǐng)域已顯示出廣闊的前景和巨大的潛力。,下頁,上頁,返回,1. CCD的工作原理,（1） 結(jié)構(gòu) CCD是由若干個電荷耦合單元組成的。其基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）電容器。 一個MOS結(jié)構(gòu)稱為一個光敏元或一個像素。將MOS陣列加上輸入、 輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了CCD器件。,P型 MOS光敏元,下頁,上頁,返回,(2) 電荷存儲原理,當(dāng)在金屬電極上施加一個正電壓Ug時，P型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥，半導(dǎo)體內(nèi)的少數(shù)載流子（電子）吸引到P-Si界面處來，從而在界面附近形成一個帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)

13、，也稱勢阱。對帶負(fù)電的電子來說，耗盡區(qū)是個勢能很低的區(qū)域。 在一定的條件下，所加正電壓Ug越大，耗盡層就越深，勢阱所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。 如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生了電子-空穴對，光生電子被附近的勢阱所吸收，而空穴被排斥出耗盡區(qū)。勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢阱附近的光強(qiáng)成正比。,下頁,上頁,返回,電荷轉(zhuǎn)移過程,（3）電荷轉(zhuǎn)移原理,下頁,上頁,返回,t1時刻， 高電平，其電極下形成勢阱，存儲信息電荷。 t2時刻， 高電平， 電極下形成勢阱，電荷從 電極耦合到 電極。 t3時刻，信息電荷開始從第一組向第二組轉(zhuǎn)移。 t4時刻，轉(zhuǎn)移完畢。 為了保證信息電荷

14、按確定的方向和路線轉(zhuǎn)移，在MOS光敏元陣列上所加的各相電壓脈沖要求嚴(yán)格滿足相位要求。,（4）電荷注入,電荷注入方法 （a） 光信號注入； （b） 電信號注入,下頁,上頁,返回,（5）電荷的輸出,下頁,上頁,返回,圖9-34 電荷的輸出,電荷數(shù)量光的強(qiáng)弱 電荷順序光的位置,放大器脈沖輸出,2. CCD固體圖像傳感器的分類,線陣型CCD圖像傳感器 將光敏元件排列成直線，主要用于尺寸監(jiān)測、傳真、文字識別等。,下頁,上頁,返回,面陣型CCD圖像傳感器 將光敏元件排列成矩陣，主要用于攝像。,下頁,上頁,返回,3. 特性參數(shù),光電轉(zhuǎn)移效率 總轉(zhuǎn)移效率 分辨率,分辨率是指攝像器件對物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力，

15、是圖像傳感器最重要的特性，主要取決于感光單元之間的距離。即相同感光面積下光敏單元的密度。,下頁,上頁,返回,靈敏度及光譜響應(yīng),靈敏度是指單位發(fā)射照度下，單位時間、單位面積發(fā)射的電量。 光譜響應(yīng),圖9.37 光譜靈敏度特性,下頁,上頁,返回,動態(tài)范圍,飽和曝光量和等效曝光量的比值稱為CCD的動態(tài)范圍 CCD器件的動態(tài)范圍一般在103104數(shù)量級,暗電流,暗電流是缺陷產(chǎn)生的主要原因。暗電流的產(chǎn)生不均勻，會在圖像傳感器中出現(xiàn)固定圖形，限制器件的靈敏度和動態(tài)范圍。 與溫度密切有關(guān)，溫度每降低10，暗電流約減小一半。,噪聲,CCD是低噪聲器件，但由于其他因素產(chǎn)生的噪聲會疊加到信號電荷上，使信號電荷的轉(zhuǎn)移

16、受到干擾。 噪聲的來源有轉(zhuǎn)移噪聲、散粒噪聲、電注入噪聲、信號輸入噪聲等。,下頁,上頁,返回,4. 應(yīng)用,CCD固體圖像傳感器的應(yīng)用主要在以下幾方面： 計量檢測儀器：工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的尺寸、位置、表面缺陷的非接觸在線檢測、距離測定等。 光學(xué)信息處理：光學(xué)文字識別、標(biāo)記識別、圖形識別、傳真、攝像等。 生產(chǎn)過程自動化：自動工作機(jī)械、自動售貨機(jī)、自動搬運(yùn)機(jī)、監(jiān)視裝置等。 軍事應(yīng)用：導(dǎo)航、跟蹤、偵查(帶攝像機(jī)的無人駕駛飛機(jī)、衛(wèi)星偵查)。,下頁,上頁,返回,產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射圖像 圖像暗紋間距： 同時基于光敏陣列器件得到的脈沖數(shù)N和陣列單元間距有： 所以被測細(xì)絲或小孔的直徑：,下頁,上頁,返回,微小尺寸自動檢測

17、,p-像素的間距,倍率,大尺寸物體光學(xué)成像,下頁,上頁,返回,覆蓋的光敏像素數(shù),下頁,上頁,返回,一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理,9.5 光纖傳感器,9.5.1光導(dǎo)纖維,光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)是用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲制成的，每一根光導(dǎo)纖維由一個圓柱形纖芯和包層組成，而且纖芯的折射率略大于包層的折射率。涂覆層保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械擦傷， 同時增加光纖的柔韌性，以延長光纖壽命。,下頁,上頁,返回,二、光導(dǎo)纖維的種類 1. 光導(dǎo)纖維按其折射變化情況分為： 階躍型 漸變型 2. 按其傳輸模式多少來分：,上頁,返回,下頁,單模光纖,多模光纖,單模：信號畸變小，線性好，靈敏度高，但纖芯細(xì)，制造困難；

18、 多模：傳輸模式多，制造容易，但性能較差,圖9-26 光導(dǎo)纖維的種類,上頁,返回,下頁,下頁,上頁,返回,9.5.2 光纖傳感器的工作原理,=90),數(shù)值孔徑,下頁,上頁,返回,數(shù)值孔徑只取決于折射率，與光纖的幾何尺寸、光源的發(fā)射功率等因素?zé)o關(guān)。 數(shù)值孔徑是光纖的一個重要參數(shù)，它能反映光纖的集光能力，光纖的NA越大，表明它可以在較大入射角 范圍內(nèi)輸入全反射光，集光能力就越強(qiáng)，光纖與光源的耦合越容易，即實現(xiàn)全反射越容易。 數(shù)值孔徑越大，光信號的畸變也越大。故要適當(dāng)選擇NA的大小，石英光纖的NA=0.2-0.4（即 =11.523.5）,下頁,上頁,返回, 抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，耐高壓，本質(zhì)

19、安全，在易燃環(huán)境下安全可靠。 靈敏度高。 重量輕，體積小，外形可變。 測量對象廣泛。 頻帶寬，測量動態(tài)范圍大。 對被測介質(zhì)影響小，這對于醫(yī)藥生物領(lǐng)域的應(yīng)用極為有利。 便于復(fù)用，便于成網(wǎng)。 成本低。,下頁,上頁,返回,性能特點(diǎn),分類,下頁,上頁,返回,功能型（傳感型）光纖傳感器 是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓庑盘柕膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振等特性發(fā)生變化，再通過對被調(diào)制過的信號進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測信號。 非功能型（傳光型）光纖傳感器 是利用其他敏感元件感受被測量的變化，與其它敏感元件組合而成的傳感器，光纖只作為光信號的傳輸介質(zhì)。,光纖傳感器組成示意圖 （a） 傳感型； （b） 傳光型,圖9-27 微彎光纖傳感器,上頁,返回,下頁,光纖力傳感器,圖9-29 光纖位移傳感器原理圖,上頁,返回,下頁,光纖位移傳感器,上頁,返回,下頁,選擇適當(dāng)光源，通過半導(dǎo)體材料時，其透射光的強(qiáng)度隨溫度