傳感器與檢測技術(shù)第二版第九章光電式傳感器資料講義

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類器件。 固體圖像傳感器 主要是用

2、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、壓力、位移、速度、加速度等；發(fā)展速度快、應(yīng)用范圍

3、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)。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)

4、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)

5、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)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

6、，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)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)

7、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

8、。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，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

9、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

10、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（optical 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

11、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

12、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)，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

13、，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

14、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，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

15、。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

16、測細(xì)絲或小孔的直徑：下頁上頁返回微小尺寸自動檢測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

17、造困難；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)安全，在易燃環(huán)境下安全可靠。 靈敏

18、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T的增加而減小，即光的透過率隨溫度升高而降低。通常在-100-300，響應(yīng)時間2s，測量精度在3 。光纖溫度傳感器下頁上頁返回光纖溫度傳感器參考光纖和測量光纖的輸出匯合，產(chǎn)生干涉條紋。干涉條紋相位的變化反映溫度場的變化。下頁上頁返回光纖圖像傳感器圖像光纖是由數(shù)目眾多的光纖組成一個圖像單元(或像