新型光電傳感器

關(guān)于新型光電傳感器第一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用主要內(nèi)容：

9.1新型光電器件

9.2電荷耦合器件

9.3光纖傳感器第9章

新型光電傳感器第二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器

所謂新型傳感器是指最近十幾年來研究開發(fā)出來的，已經(jīng)或正在走向?qū)嵱没A段的傳感器。新型光電傳感器包括：

固態(tài)光電傳感器:象限探測器、光敏器件陣列、光電位置敏感器件（PSD）自掃描光電二極管陣列（SSPD）、電荷耦合器件（CCD）光纖傳感器概述第三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電式傳感器概述

指紋鎖指紋門禁光纖第四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器象限探測器可用來確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo);用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤。器件工作原理基于各種光電效應(yīng)。象限探測器結(jié)構(gòu)：利用光刻技術(shù)將光敏器件的敏感面分割成若干面積相等、形狀相同、位置對稱的區(qū)域，背面為一整體。各分割面引出導(dǎo)線就構(gòu)成了象限探測器。典型的象限探測器有：四象限光電二極管、硅光電池、光電倍增管、二象限硅光電池、光敏電阻等。9.1新型固態(tài)光電傳感器

9.1.1象限探測器第五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器9.1.1象限探測器四象限探測器來確定光斑的中心位置(如激光準(zhǔn)直);根據(jù)探測器坐標(biāo)軸線和測量系統(tǒng)基準(zhǔn)線的安裝位置角度不同，可采用不同的數(shù)據(jù)運(yùn)算電路。(UA-UC)/(UA+UB+UC+UD)(UD-UB)/(UA+UB+UC+UD)UA+UB+UC+UD4321UAUDUBUC減法加法器減法除法除法YXXY光斑位置四象限探測器直差電路第六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器9.1.1象限探測器器件坐標(biāo)和測量系統(tǒng)基線成45°角安裝，X、Y軸各自具有兩個對稱的光電器件，可分別兩兩獨(dú)立地計算坐標(biāo)值。對角線信號直接相減，就可確定光點(diǎn)位置，故稱“直差”。UY=K[（UA-UC）/（UA+UB+UC+UD）]UX=K[（UD-UB）/（UA+UB+UC+UD）]（UA+UB+UC+UD）為光斑自身幅值總量;K為電路放大系數(shù)，與光斑直徑和功率有關(guān)；

UA、UB、UC、UD代表探測器放大后輸出電壓值.XY0DCBAXY基線光電器件光斑位置

輸出偏移量為（1）直差電路形式第七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器器件坐標(biāo)和基線成水平安裝，只要有兩塊相對X軸對稱的光電器件就可以判斷Y坐標(biāo)。1、4象限合并（UA+UD），2、3象限合并（UB+UC），兩者相減（UA+UD）-（UB+UC）得到Y(jié)坐標(biāo)電壓值；X坐標(biāo)同理。電路連接是先計算相鄰象限信號和，再計算信號的差，所以稱為“和差”電路。423UY=K[（UA+UD）-（UB+UC）]UX=K[（UA+UB）-（UC+UD）]UX

、UY分別代表在X方向、Y方向偏離探測器中心點(diǎn)的情況。XYXY0

輸出偏移量為（2）和差電路形式第八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器9.1.1象限探測器

為消除光斑自身總量的變化，采用和差比幅電路。輸出電壓為：UY=K[（UA+UD）-（UB+UC）]/(UA+UB+UC+UD)UX=K[（UA+UB）-（UC+UD）]/(UA+UB+UC+UD)UA+UDUB+UCUC+UDUA+UB加法加法加法除法除法UAUDUBUC423加法減法加法減法(UA+UD）-（UB+UC）（UA+UB）-（UC+UD）UA+UB+UC+UDBACDYX第九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器9.1.1象限探測器以上兩種電路只是運(yùn)算電路不同,實(shí)際應(yīng)用時不同探測器放大電路類型不同,不同敏感元件需采用不同的電路.象限探測器的幾個缺點(diǎn):分割產(chǎn)生死區(qū),當(dāng)光斑很小時死區(qū)影響明顯;若光斑全部落入某個象限,輸出信號無法表示光斑位置,

測量范圍受限;3.測量精度與光強(qiáng)有關(guān),與漂移有關(guān),分辨率、精度受限。423（3）放大圖中兩個光電位置計算結(jié)果相同第十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器光電位置傳感器PSD（Positionsensitivedetector

）是一種新型的橫向光電效應(yīng)器件，也是光點(diǎn)位置敏感，輸出信號與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。當(dāng)入射光點(diǎn)照在光敏面上時由于光生載流子的流動產(chǎn)生光生電流I，經(jīng)運(yùn)算后即可知光點(diǎn)的位置。廣泛應(yīng)用于激光光束對準(zhǔn)、位移、振動測量、平面度檢測、坐標(biāo)平面度檢測、二維坐標(biāo)檢測系統(tǒng)。與象限探測器相比特點(diǎn)是：9.1.2光電位置式傳感器（PSD）對光斑的形狀無要求，輸出信號與光的聚焦無關(guān)，只與光的能量中心位置有關(guān)，給測量帶來方便；光敏面無須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測量光斑位置，分辨率高；可同時檢測位置和光強(qiáng)，輸出總電流與入射光強(qiáng)有關(guān)。第十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器（1）PSD的工作原理I本征區(qū)PNLLI0123XAI1I2A中心P層作光敏層，還是個均勻的電阻層，在外電場作用下光電流通過電阻層由電極輸出；電極1、電極2，分別輸出電流I1、I2;電流與光點(diǎn)到各電極的距離（電阻）成反比；PSD的斷面結(jié)構(gòu)為PIN型半導(dǎo)體，在硅片上分為三層：

P—上層，N—下層，I—中間層（本征區(qū)）設(shè)電極距光敏面中心點(diǎn)距離為L，電極3處中心位置，XA為光點(diǎn)距中心點(diǎn)的距離；電極上光電流分別為I1、I2，I0為總電流。第十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器（1）PSD的工作原理I0為總電流不變可見，光斑能量中心相對器件中心的位置只與電極電流的差值和總電流的比值有關(guān)，與入射光能量的大小無關(guān)。

光斑離中心點(diǎn)的距離為：I本征區(qū)PNLLI0123XAI1I2A中心

電極上光電流分別為I1、I2第十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器（2）一維PSD及等效電路一維PSD主要用來測量光點(diǎn)在一維坐標(biāo)（X）方向上的位置PSD;

等效電路中：IP光電流、VD理想二極管、RD

定位電阻、

Cj

結(jié)電容、Rsh結(jié)電阻12312RD3VDRshIPCj等效電路結(jié)構(gòu)示意圖9.1.2光電位置式傳感器（PSD）第十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器二維PSD主要用來測量平面光點(diǎn)的（X、Y）坐標(biāo)，感光的方型面比一維多一對電極，按結(jié)構(gòu)分為兩類：兩面分離型PSD

兩對垂直信號電極在上下兩個表面，與光點(diǎn)位置有關(guān)的信號電流先在一個面上（上）形成Ix和Ix’，匯總后又在另一個面（下）形成兩路電流Iy和Iy’。表面分離型PSD1234VDRshIPCj12RDIyIy’34Ix’IxRD（3）二維PSD及等效電路二維PSD結(jié)構(gòu)等效電路9.1.2光電位置式傳感器（PSD）第十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器（4）PSD及轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路首先對PSD輸出的光電流進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換放大，通過加、減運(yùn)算放大器進(jìn)行預(yù)置相加和加減運(yùn)算，最后通過模擬除法器得到光的位置信號（與光的能量無關(guān)）。所有運(yùn)放采用低漂移運(yùn)算放大器，反饋電阻Rf的阻值大小決定入射光強(qiáng)以及后續(xù)電路最大輸入電壓。二維系統(tǒng)可分別采用兩套這樣的轉(zhuǎn)換電路。IxI’xIyI’yUR9.1.2光電位置式傳感器（PSD）第十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器（4）PSD及轉(zhuǎn)換電路一維PSD轉(zhuǎn)換電路

IxI’xIyI’yURRfRf9.1.2光電位置式傳感器（PSD）加法器減法器第十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器9.1新型固態(tài)光電傳感器

器件封裝形式MUXV+ABCOUT9.1.3光敏管陣列電路連接結(jié)構(gòu):將N個光敏管集成在一個硅片上，各管的一端連接在一起，另一端各自單獨(dú)輸出。工作原理與光敏二極管（晶體管）完全相同，只是組成的結(jié)構(gòu)形式不同而已。第十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器

陣列的每個光敏管稱像元，也稱連續(xù)工作方式。光敏像元的個數(shù)為10-32個，外圍電路根據(jù)普通光敏管電路設(shè)計。每個像元信號需要一個獨(dú)立的信號放大和處理電路，過于復(fù)雜，為化減外圍電路結(jié)構(gòu)采用多路模擬開關(guān)，通過地址A、B、C選通陣列中每個光敏元；掃描檢測輸出可用放大解調(diào)電路，這種形式適用微機(jī)測試系統(tǒng)。如果像元很多（64路以上）光敏元陣列外圍電路過于復(fù)雜。這種器件主要用于光信號位移檢測。MUXV+ABCOUT9.1.3光敏管陣列第十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器9.1.3光敏管陣列第二十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器自掃描光電二極管也是將N個光敏管集成在一個硅片上，在器件內(nèi)部集成了光敏管和數(shù)字移位寄存器電路。工作方式為電荷存儲方式，根據(jù)像元的排列不同自掃描二極管陣列可分為線陣、面陣、特殊陣列。線陣像元有64、128、256、512….4096等。UcVB1VBNVT2VD2CdRLI0VTNVDNCdVT1VD1Cd數(shù)字移位寄存器EOSSφU09.1.4自掃描光電二極管陣列（SSPD）1.SSPD結(jié)構(gòu)第二十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器

SSPD的像元依據(jù)預(yù)充電

放電

充電

放電

充電

這樣的循環(huán)往復(fù)過程工作，主要有放電（積分）

充電（輸出）兩個階段。一個像元結(jié)構(gòu)

SSPD器件單元結(jié)構(gòu)與普通MOSFET結(jié)構(gòu)幾乎相同，區(qū)別是氧化層部分裸露，光線可以透過氧化層直接照到半導(dǎo)體層。源極ShvAL膜漏極D柵極GSiO2

光電二極管N—SiSiO2P9.1.4自掃描光電二極管陣列（SSPD）2.電荷存儲工作原理第二十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器VDVTUg=LCdRLI0UcIP+IDSSPD器件一個像元結(jié)構(gòu)等效電路V0VTVDUg=HCdRLI0Uc柵極G9.1.4自掃描光電二極管陣列（SSPD）圖為一個像元電路，虛線框內(nèi)為光電二極管等效電路；

Cd等效結(jié)電容；Uc二極管反向偏置電壓；RL負(fù)載電阻；場效應(yīng)管VT充當(dāng)開關(guān)，柵極Ug電壓高、低控制VD通斷，使結(jié)電容Cd處于不同工作狀態(tài)。第二十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器URLUgtontoffUDUcUcd預(yù)充電過程曲線在ton段IP+ID9.1.4自掃描光電二極管陣列（SSPD）V0VTVDUg=HCdRLI0Uc柵極G

預(yù)充電柵極Ug高電平，開關(guān)管VT閉合；偏置電壓Uc通過負(fù)載電阻RL向光電二極管充電；由于光電流Ip和暗電流Id相對電源電流I0很小，所以二極管等效結(jié)電容Cd的主要充電電流以電源為主；當(dāng)充電達(dá)到穩(wěn)定后，P-N結(jié)上電壓基本為電源電壓Uc

；等效結(jié)電容Cd上的電荷為

Q=CdUc

第二十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器柵極Ug（L）低電平時，開關(guān)管VT（off）斷開；由于光電流Ip和暗電流Id的存在，二極管等效結(jié)電容Cd上電壓將緩慢放電；設(shè)VT斷開時間Ts為電荷積分時間，暴光過程在積分時間內(nèi)產(chǎn)生的平均光電流為Ip，暴光過程中Cd上釋放的電荷是：△Q=（Ip+Id)Ts≈IpTs室溫下暗電流很?。╬A）可忽略，此時結(jié)電容上電壓因放電而下降，下降到

Ucd=Uc-△Q/Cd暴光過程曲線在（toff）段9.1.4自掃描光電二極管陣列（SSPD）URLUgtontoffUDUcUcdV0VTVDUg=LCdRLI0Uc柵極GIP+ID

暴光過程第二十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器

循環(huán)再充電再充電曲線在（ton’）段9.1.4自掃描光電二極管陣列（SSPD）顯然補(bǔ)充的電荷等于暴光過程中Cd上釋放的電荷，再次充電電流I0在RL上的壓降URL等于光電流在負(fù)載電阻上的壓降。最大值為：

ULMax=Uc–Ucd=△Q/Cd

V0VTVDUg=LCdRLI0Uc柵極GIP+ID柵極Ug再次高電平時開關(guān)管VT閉合；光電二極管上信號經(jīng)過Ts積分時間后，結(jié)電容Cd上的電壓為Ucd，以該電壓做起始值，電源Uc經(jīng)負(fù)載RL向結(jié)電容Cd再次充電直到Cd上電壓再次達(dá)到Uc。URLUgtontoffUDUcUcdton，第二十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器

輸出信號UL9.1.4自掃描光電二極管陣列（SSPD）輸出信號與照度和積分時間成正比，與時間常數(shù)成反比，減小電容Cd可提高靈敏度。MOSFET周期通斷電路不斷充、放電過程，負(fù)載上信號反映該像元的光照度大小。URLUgtontoffUDUcUcd負(fù)載電阻上的壓降最大值：ULMax=Uc–Ucd=△Q/Cd

輸出峰值電壓反映光電二極管的光生電信號的大小，帶入后有：ULMax=△Q/Cd=IpTs/Cd=SpETs/Cd

負(fù)載電阻RL上的電流為：I0=ULMax/RL=IpTs/CdRL=IpTs/ττ=CdRL為電路時間常數(shù)，E為積分時間內(nèi)平均輻照度；第二十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器（1）線陣SSPD——主要由三部分組成感光部分,由N個光電二極管等間距直線排列組成陣列；多路開關(guān),由N個MOS場效應(yīng)管（VT1～VTN）組成，源極接光電二極管，漏極相連組成視頻輸出線U0；移位寄存器，提供各路MOSFET的柵極掃描控制信號。UcVB1VBNVT1VD2CdRLIoVTNVDNCdVT1VD1Cd數(shù)字移位寄存器EOSSφU09.1.5SSPD器件第二十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器（1）線陣SSPD——

移位寄存器控制φ時鐘信號,使移位寄存器的UB1～UBN依次輸出延遲一拍的掃描信號負(fù)脈沖（實(shí)際器件有兩相、三相、四相和六相）；

S為起始脈沖，一個幀脈沖啟動后掃描開始；

移位寄存器,順序輸出的控制信號使VT按次序依次閉合、斷開，把光電二極管上的光電信號從視頻輸出線上輸出，形成U0

。UcUB1UBNVT2VD2CdRLVTNVDNCdVT1VD1Cd數(shù)字移位寄存器EOSSφU0IoU0φSUB1UB2UBN9.1.5SSPD器件第二十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器感光部分二維陣列；移位寄存器，分水平垂直掃描電路；多路開關(guān)—MOSFET。水平掃描控制每列MOS管開關(guān)通斷；垂直掃描信號控制每一像元內(nèi)的MOS開關(guān)的柵極；從視頻線UO上串行輸出，工作原理與線陣相同。RLI0EOSU0水平X掃描電路垂直Y掃描感光器件9.1.5SSPD器件（2）面陣SSPD第三十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用電荷耦合器件，又稱CCD圖象傳感器，是一種大規(guī)模集成電路光電器件；電荷耦合器件具有光電轉(zhuǎn)換，信息存儲、轉(zhuǎn)移傳輸、處理以及電子快門等功能。特點(diǎn)：高集成度、尺寸小、電壓低（DC-7～12V）、功耗小;線陣分辨能力幾μm，空間分辨率高，面陣分辨率在1000電視線以上；光電靈敏度高，可達(dá)0.01lx；信噪比60～70dB；動態(tài)范圍大;可選模擬、數(shù)字不同輸出形式，便于和計算機(jī)連機(jī)。9.2電荷耦合器件第9章

新型光電傳感器CCD（Charge—CoupledDevices

）第三十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用CCD技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了各種視頻裝置的普及和微型化;應(yīng)用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個領(lǐng)域。9.2電荷耦合器件第9章

新型光電傳感器

數(shù)字?jǐn)z像機(jī)數(shù)字照相機(jī)平板掃描儀

指紋機(jī)等基于CCD電荷耦合器件設(shè)備第三十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用圖象傳感器發(fā)展趨勢高性能小容量廉價高容量專用顯示系統(tǒng)控制器在線動態(tài)分析醫(yī)學(xué)儀器低功耗空間設(shè)備汽車計算機(jī)顯示生物科學(xué)光學(xué)顯微鏡可視電話玩具條形碼識別9.2電荷耦合器件第9章

新型光電傳感器第三十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用CCD結(jié)構(gòu)示意圖

9.2.1CCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理第9章

新型光電傳感器1.結(jié)構(gòu)電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千個光敏元一個光敏元又稱一個像素；光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。顯微鏡下的MOS元表面第三十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用265×180133×9066×4533×22

相同面積上的光敏元不同時分辨率（像素）不同第9章

新型光電傳感器

圖象比較1.結(jié)構(gòu)第三十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用CCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：MOS光敏元陣列

讀出移位寄存器9.2.1CCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理第9章

新型光電傳感器1.結(jié)構(gòu)讀出移位寄存器一個MOS光敏元結(jié)構(gòu)

第三十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用一個MOS光敏元（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）當(dāng)金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下形成耗盡區(qū)。對電子而言是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱”。有光線入射到硅片上時，產(chǎn)生光生電子-空穴對，空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而光電子被附近勢阱俘獲，此時勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。勢井深度與電極電壓有關(guān)

第9章

新型光電傳感器2.電荷存儲原理一個MOS光敏元結(jié)構(gòu)

第三十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用把一個勢阱所收集的光生電子稱為一個電荷包；CCD器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的MOS元，每個金屬電極就是成百上千個勢阱，產(chǎn)生成百上千的電荷包；如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應(yīng)的光生電荷圖象。這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)基本原理。第9章

新型光電傳感器2.電荷存儲原理第三十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用CCD電荷耦合器件是以電荷為信號，而不是電壓電流作信號輸出的。光敏元上的電荷還需經(jīng)輸出電路輸出，這個輸出過程由讀出移位寄存器完成.讀出移位寄存器也是MOS結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化物、半導(dǎo)體三部分組成。它與MOS光敏元的區(qū)別在于，半導(dǎo)體底部覆蓋一層遮光層，不接收光信號并防止外來光線干擾。讀出移位寄存器結(jié)構(gòu)由三個十分鄰近的電極組成一個耦合單元；在三個電極上分別施加脈沖波Φ1Φ2Φ3，稱三相時鐘脈沖（還有兩相、四相）。

第9章

新型光電傳感器3.電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器）第三十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用t=t1時刻，Φ1電極下出現(xiàn)勢阱存入光電荷t=t2時刻，Φ1Φ2下兩個勢阱形成大勢阱存入電荷t=t3時刻，Φ2中電荷向Φ3勢阱轉(zhuǎn)移讀出移位寄存器三相時鐘脈沖

第9章

新型光電傳感器

電荷轉(zhuǎn)移過程

三相時鐘脈沖頻率相同，相位差120°；第四十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用讀出移位寄存器三相時鐘脈沖控制電荷轉(zhuǎn)移過程

電荷轉(zhuǎn)移過程第9章

新型光電傳感器不同時刻勢阱深度變化，使電荷按設(shè)計好的方向，在時鐘脈沖控制下，電荷從寄存器的一端轉(zhuǎn)移到另一端。這樣一個傳輸過程，實(shí)際上是一個電荷耦合過程，所以稱電荷耦合器件，擔(dān)任電荷傳輸?shù)膯卧Q移位寄存器。第四十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用CCD信號電荷的輸出的方式主要有：電流輸出、電壓輸出兩種以電壓輸出型為例，根據(jù)(工藝結(jié)構(gòu))電壓輸出型有：浮置擴(kuò)散放大器（FDA）(集成)

浮置柵放大器（FGA）

第9章

新型光電傳感器浮置擴(kuò)散放大器浮置柵放大器1.輸出電路結(jié)構(gòu)9.2.2電荷耦合器信號輸出方式第四十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器浮置擴(kuò)散放大器浮置柵極放大器1.輸出電路結(jié)構(gòu)9.2.2電荷耦合器信號輸出方式第四十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用在CCD陣列的末端制作（擴(kuò)散）一個N+區(qū)，形成反向偏置二極管，二極管反偏形成一個深勢阱，收集信號電荷控制A點(diǎn)電位變化；當(dāng)轉(zhuǎn)移柵φ3電極下的電荷包越過輸出柵OG流入勢阱中時，在輸出極形成輸出電流I0，輸出電流在負(fù)載電阻RL

上產(chǎn)生的電壓與電荷成正比。擴(kuò)散區(qū)收集的信號控制放大管VT2的柵極電位，即控制輸出電壓。第9章

新型光電傳感器1.輸出電路結(jié)構(gòu)電壓輸出型浮置擴(kuò)散放大器（FDA）A第四十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用

輸出信號電壓為式中為MOS管柵極與源極之間的跨導(dǎo)。

VT1為復(fù)位管，由φR控制，VT1導(dǎo)通時VT2的溝道抽走擴(kuò)散區(qū)剩余電荷（CFD放電），直到下個時鐘信號到來循環(huán)下去。

第9章

新型光電傳感器

由浮置擴(kuò)散區(qū)收集的信號電荷控制放大器VT2柵極電位式中為浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)上的總電容A第四十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用光敏元曝光

——

金屬電極加正向脈沖電壓φp勢井出現(xiàn)，光敏元曝光后勢井吸收光生電荷，光積分時間（快門），積累很快結(jié)束；轉(zhuǎn)移脈沖φT

打開轉(zhuǎn)移控制柵，光敏元俘獲的光生電荷經(jīng)轉(zhuǎn)移控制柵耦合到移位寄存器，轉(zhuǎn)移柵立刻關(guān)閉.這是一并行輸出過程；接著三個時鐘脈沖Φ1Φ2Φ3工作，讀出移位寄存器的輸出端Ga一位位輸出信息，這一過程是一串行輸出過程。單溝道CCD結(jié)構(gòu)電荷讀出電荷輸出控制波形第9章

新型光電傳感器2.電荷輸出控制第四十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用CCD器件分為線陣CCD和面陣CCD：結(jié)構(gòu)形式有：如單溝道CCD、雙溝道CCD、幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD、行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD。

CCD器件9.2.3電荷耦合器件第9章

新型光電傳感器第四十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用線陣CCD傳感器由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行構(gòu)成。光敏元和移位寄存器之間有一個轉(zhuǎn)移控制柵，加轉(zhuǎn)移控制信號φT

。雙溝道CCD結(jié)構(gòu)1.線陣CCD結(jié)構(gòu)第9章

新型光電傳感器第四十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用線陣CCD傳感器只有一排光敏元，只能進(jìn)行線寬測量。線陣CCD又分為:單通道、雙通道，

雙通道可以加速轉(zhuǎn)換時間，提高分辨率第9章

新型光電傳感器1.線陣CCD結(jié)構(gòu)線陣CCD結(jié)構(gòu)單通道和雙通道的電荷轉(zhuǎn)移過程第四十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用線型CCD傳感器主要用于幾何尺寸測試、傳真、光學(xué)文字識別技術(shù)等。面型CCD主要用于圖像采集，攝象機(jī)及測量技術(shù)，結(jié)構(gòu)上是把光敏元件排列成二維矩陣形式，面型CCD根據(jù)傳輸?shù)淖x出結(jié)構(gòu)有不同類型，基本構(gòu)成有：線轉(zhuǎn)移方式（由掃描、感光和輸出寄存器組成）幀轉(zhuǎn)送方式（FrameTransferCCD）行間轉(zhuǎn)送方式（InterLineTransferCCD）第9章

新型光電傳感器2.面陣電荷耦合器（二維）第五十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用幀間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)：由光敏元、存儲器、輸出移位寄存器三部分組成，視頻信號整幀輸出，結(jié)構(gòu)簡單。第9章

新型光電傳感器2.面陣電荷耦合器第五十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)：光敏單元與寄存器交替排列，光積分后一次一行地輸出，在輸出端得到一行行視頻信號。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，圖象清晰質(zhì)量高，是目前使用最多的一種結(jié)構(gòu)。第9章

新型光電傳感器2.面陣電荷耦合器第五十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用3CCD一臺攝像機(jī)使用了３片CCD，一片CCD接受每一種顏色并轉(zhuǎn)換為電信號。而這三種顏色就是我們電視使用的三基色：紅，綠，藍(lán)三種顏色。由于一片CCD同時完成亮度信號和色度信號的轉(zhuǎn)換難免兩全，使得拍攝出來的圖像在彩色還原上達(dá)不到專業(yè)水平很的要求。為了解決這個問題，便出現(xiàn)了3CCD攝像機(jī)。三維CCD第9章

新型光電傳感器2.面陣電荷耦合器第五十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用CCD器件的物理性能可以用特性參數(shù)來描述內(nèi)部參數(shù)描述的是CCD存儲和轉(zhuǎn)移信號電荷有關(guān)的特性,是器件理論設(shè)計的重要依據(jù)；外部參數(shù)描述的是與CCD應(yīng)用有關(guān)的性能指標(biāo)，主要包括以下內(nèi)容：電荷轉(zhuǎn)移效率、轉(zhuǎn)移損失率、

工作頻率、電荷存儲容量、靈敏度、分辨率。

CCD的特性參數(shù)第9章

新型光電傳感器CCD器件與信號同步處理第五十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用對不同型號的CCD器件而言，其工作機(jī)理是相同的。不同型號的CCD器件具有完全不同的外型結(jié)構(gòu)和驅(qū)動時序，在實(shí)際使用時必須加以注意。可以通過器件供貨商或直接向生產(chǎn)廠家索取相關(guān)資料，為CCD器件的應(yīng)用提供技術(shù)支持。以TCD142D型CCD為例做簡單介紹，其它型號的器件大同小異。TCD142D是一種具有2048位像元的兩相（雙通道）線陣CCD器件，TCD142D有22個引腳（其中12個是空腳）。TCD142D引腳

TCD142D9.2.5典型的CCD器件

TCD142D第9章

新型光電傳感器第五十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用CD142D是一種具有2048位像元的兩相（雙通道）線陣CCD22個引腳，其中10個是引腳分別為：時鐘端-Φ1A、Φ2A，Φ1B、Φ2B；轉(zhuǎn)移柵-ΦSH；復(fù)位柵-ΦRS；地-SS；電源-OD；信號輸出-OS，補(bǔ)償輸出-DOS；NC-空閑。TCD142D內(nèi)部引腳

TCD142D9.2.5典型的CCD器件

TCD142D第9章

新型光電傳感器第五十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用TCD142D的外部輸入電路可分為兩部分：

一部分是脈沖產(chǎn)生電路；另一部分是驅(qū)動電路。

積分時間ΦSHΦ2ABΦRSOS啞元輸出64元信號2048檢驗2元啞元輸出12元Φ1AB0123456789101059106010619.2.5典型的CCD器件

TCD142D第9章

新型光電傳感器第五十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用脈沖電路產(chǎn)生ΦHS、Φ1、Φ2、ΦRS四路脈沖，由非門及晶體振蕩器構(gòu)成的晶體振蕩電路輸出頻率為4MHz方波；經(jīng)JK觸發(fā)器分頻，得到頻率為2MHz的方波，將4MHz與2MHz脈沖相與，形成ΦRS脈沖。9.2.5典型的CCD器件

TCD142D第9章

新型光電傳感器將ΦRS經(jīng)JK觸發(fā)器分頻，產(chǎn)生頻率為1MHz的Φ1脈沖，Φ1脈沖送入分頻器；經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生轉(zhuǎn)移脈沖ΦSH并且使ΦSH周期TSH＞1061μs（雙通道）；將ΦSH和Φ1相與產(chǎn)生Φ2，Φ1=-Φ2，至此就產(chǎn)生了四路脈沖；第五十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用將這四路脈沖經(jīng)反相器反相，再經(jīng)阻容加速電路送至H0026驅(qū)動器，放大至一定量以后用以驅(qū)動TCD142D。9.2.5典型的CCD器件

TCD142D第9章

新型光電傳感器第五十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用利用CCD測量幾何量CCD誕生后首先在工業(yè)檢測中制成測量長度的傳感器；物體通過物鏡在CCD光敏元上造成影像，CCD輸出的脈沖數(shù)表征測量工件的尺寸。9.2.6CCD傳感器的應(yīng)用第9章

新型光電傳感器線陣CCD進(jìn)行工件尺寸測量CCD應(yīng)用技術(shù)是光、機(jī)、電和計算機(jī)相結(jié)合的高新技術(shù)，作為一種有效的非接觸檢測方法；如測量拉絲過程中絲的線徑、軋鋼的直徑、軸類或桿類的直徑等。第六十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用這里以玻璃管直徑與壁厚的測量為例。由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管在CCD上成像的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間亮帶反映了玻璃管內(nèi)徑大小，而暗帶則是玻璃管的壁厚成像。玻璃管CCD視頻信號CCD傳感器應(yīng)用實(shí)例：第9章

新型光電傳感器第六十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用測量原理:在熒光燈的玻璃管生產(chǎn)過程中，總是需要不斷測量玻璃管的外圓直徑及壁厚，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)整，以便提高產(chǎn)品質(zhì)量。用平行光照射玻璃管，成像物鏡將尺寸影像投影在CCD光敏像元陣列面上。視頻信號經(jīng)二值化處理后輸出。視頻信號二值化時鐘信號計數(shù)（像元個數(shù)）第9章

新型光電傳感器第六十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用上壁厚下壁厚外徑第9章

新型光電傳感器

玻璃管的平均外徑φ12mm；壁厚1.2mm；要求測量精度為外徑±0.1mm；壁厚±0.05mm。利用CCD配合適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，對玻璃管尺寸進(jìn)行監(jiān)測；

實(shí)際尺寸：上壁厚d1、下壁厚d2、外徑Dβ為成像物鏡的放大倍率；

t為CCD像元尺寸；上壁、下壁、外徑的像元個數(shù)（即脈沖數(shù)）分別為：

n1（上壁）、n2（下壁）、N（外徑）第六十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用

根據(jù)已知條件（玻璃管外徑φ12mm），選擇光學(xué)系統(tǒng)的放大率β為0.8倍，玻璃管的像大小為9.6mm；產(chǎn)品的測量精度要求反映在像面上的外徑（0.1mm

）為±0.08mm，壁厚（±0.05mm

）為0.04mm；根據(jù)CCD測量精度要求，最小尺寸0.04mm，必須要大于兩個CCD光敏元空間尺寸。第9章

新型光電傳感器給定線陣TCD132D（1024位）光敏元間距尺寸為14μm,器件像元總寬度為1024×0.14mm=14.3mm，大于成像外徑。最小尺寸為0.04mm>0.014mm×2=0.028mm，滿足要求

.TCD132D光敏元空間尺寸（14μm×2）

<40μm第六十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用9.2.6CCD傳感器的應(yīng)用第9章

新型光電傳感器工件尺寸測量CCD測試設(shè)備CCD測試與繪圖設(shè)備第六十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用9.2.6CCD傳感器的應(yīng)用第9章

新型光電傳感器雙鏡面直接檢測產(chǎn)品晶片尺寸測量第六十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用CCD固態(tài)圖像傳感器作為攝像機(jī)或像敏器件，取代攝像裝置的光學(xué)（電子束掃描）掃描系統(tǒng)；與其它攝像器件相比，尺寸小、價廉、工作電壓低、功耗小，且不需要高壓。9.2.6CCD傳感器的應(yīng)用第9章

新型光電傳感器CCD傳感器應(yīng)用時是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導(dǎo)纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學(xué)元件結(jié)合使用。

裝配輕型攝像機(jī)、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。第六十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用9.2.6CCD傳感器的應(yīng)用第9章

新型光電傳感器監(jiān)視器可進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場、科學(xué)實(shí)驗過程的觀察。第六十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用例如用CCD識別集成電路焊點(diǎn)圖案，代替光點(diǎn)穿孔機(jī)的作用；自動流水線裝置，機(jī)床、自動售貨機(jī)、自動監(jiān)視裝置、指紋機(jī);作為機(jī)器人視覺系統(tǒng)。CCD被廣泛用于在線檢測尺寸、位移、速度、定位和自動調(diào)焦等方面。9.2.6CCD傳感器的應(yīng)用第9章

新型光電傳感器數(shù)字顯微鏡CCD檢測儀

用于傳真技術(shù)，文字、圖象識別第六十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用

條碼讀取器條碼讀取器主要分為激光型和CCD型兩大類CCD條碼識別器結(jié)構(gòu)原理CCD型的工作原理

LED的光射到條碼的整個區(qū)域；

CCD圖像傳感器將擴(kuò)散反射光作為圖像接收；通過圖像數(shù)據(jù)讀取條碼9.2.6CCD傳感器的應(yīng)用第9章

新型光電傳感器CCD-83Series條碼識別器1.0米高度的檢測，660nmRedLEDArrayIntel80C31，2048PIXEL(像素)KeyboardWedge，RS-232；第七十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用由發(fā)光二極管做光源，CCD做攝像機(jī)，每秒鐘兩次快門，6小時后排除體外，可拍攝2萬多張圖片，信號發(fā)射到存儲器，存儲器取下后接入計算機(jī)將圖像進(jìn)行下載。

M2A膠囊CCD在醫(yī)療診斷中的應(yīng)用9.2.6CCD傳感器的應(yīng)用第9章

新型光電傳感器M2A攝影膠囊（Mouthanus）第七十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用光在玻璃光纖中傳輸會劇烈衰減，經(jīng)1公里衰減到1/100億;高錕在1966年7月發(fā)表論文證明：玻璃光纖中離子雜質(zhì)對光的衰減起決定性作用；只要光纖每公里的光衰減量小于20分貝（即保留1%），就可以用于通信；美國康寧公司1970年發(fā)明一種特殊玻璃制造工藝，首次邁過“20分貝/公里”門檻。9.3光纖傳感器第9章

新型光電傳感器2009年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國華裔科學(xué)家高錕(光纖之父)以及兩位美國科學(xué)家。獲獎理由：光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信。現(xiàn)在的光纖每公里衰減被控制在5%。第七十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火；可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲；可以用于高溫、高壓、絕緣性能好，耐腐蝕。9.3光纖傳感器第9章

新型光電傳感器光導(dǎo)纖維——簡稱光纖

光纖最早用于通訊，高錕的發(fā)明使通信高速公路得到迅猛的發(fā)展。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù)。

與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點(diǎn)：第七十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用主要由三部分組成中心——纖芯；外層——包層；護(hù)套——尼龍塑料。

光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，纖芯折射率N1略大于包層折射率N2（N1＞N2）。光纖的光導(dǎo)材料基本采用石英玻璃，其中有不同摻雜。9.3.1光纖結(jié)構(gòu)和傳輸原理第9章

新型光電傳感器(1)光纖結(jié)構(gòu)第七十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用光纖的傳播基于光的全反射原理。當(dāng)光線以不同角度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖；光線在光纖端面入射角θ減小到某一角度θc時，光線全部反射。光線全部被反射時的入射角θc稱臨界角;因此只要滿足全反射條件即θ＜θc，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。第9章

新型光電傳感器(2)光纖的傳光原理第七十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器折射定律法線分界面入射光L折射光反射光反射定律全反射的應(yīng)用雙筒望遠(yuǎn)鏡

照相機(jī)(2)光纖的傳光原理第七十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器光密介質(zhì)（n1）光疏介質(zhì)（n2）

全反射條件入射角θ

≤θc（臨界入射角）由斯乃爾（Snell）折射定律可導(dǎo)出，當(dāng)端面外介質(zhì)折射率為N0時，光射入纖芯時實(shí)現(xiàn)全反射的臨界入射角為(2)光纖的傳光原理第七十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用由于空氣中折射率近似為可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（N1、N2）決定的，與光纖的幾何尺寸(直徑)無關(guān)。

全反射的臨界入射角可表示為第9章

新型光電傳感器幾種常用介質(zhì)的折射率媒質(zhì)折射率空氣1.00029水1.333普通玻璃1.468冕牌玻璃1.516火石玻璃1.603重火石玻璃1.755(2)光纖的傳光原理第七十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用臨界入射角θc的正弦函數(shù)定義為光纖的數(shù)值孔徑

空氣中：9.3.2光纖的性能（幾個重要參數(shù)）第9章

新型光電傳感器

①數(shù)值孔徑（NA）2θc第七十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用NA意義討論：NA表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只有2θc張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會進(jìn)入包層漏光。一般NA(N1>>N2)越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會更容易。但NA越大光信號畸變越大，要適當(dāng)。產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NA石英光纖的數(shù)值孔徑一般為第9章

新型光電傳感器2θcNA=0.2～0.4第八十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方式；不同入射角度光線在界面上反射的次數(shù)不同，光波之間干涉產(chǎn)生的強(qiáng)度、分布也各不相同；模式值定義為：

式中：α

為纖芯半徑；

為入射光波長9.3.2光纖的性能第9章

新型光電傳感器

②光纖模式（V）第八十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用光纖模式（V）討論：波的反射中相位變化2π整數(shù)倍的光波形成駐波—稱模，駐波才能在光纖中傳播，光纖只能傳播一定數(shù)量的模。模式值越大，允許傳播的模式值越多。在信息傳播中，希望模式數(shù)越少越好，若同一光信號采用多種模式會使光信號分不同時間到達(dá)，多個信號導(dǎo)致合成信號畸變。模式值V小，就是α值小（即纖芯直徑小μm）傳播的模式越少。只傳播一種模式的光纖，稱單模光纖。單模光纖性能最好，畸變小、容量大、線性好、靈敏度高，但制造、連接困難。第9章

新型光電傳感器第八十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用

光纖模式種類：按折射率分布分為階躍型（突變）、梯度型（漸變）；按傳播模式分為多模(纖芯直徑

D=50～100μm)

單模(纖芯直徑D=3～10μm)單模和多模光纖是當(dāng)前光纖通訊技術(shù)最常用的普通光纖。有特殊要求的稱特殊光纖。第9章

新型光電傳感器第八十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用9.3.2光纖的性能第9章

新型光電傳感器第八十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用9.3.2光纖的性能第9章

新型光電傳感器第八十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用9.3.2光纖的性能第9章

新型光電傳感器第八十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用光纖在傳播時，由于材料的吸收、散射和彎曲的輻射損耗影響，不可避免的要有損耗，用衰減率A表示：

在一根率減率為10dB/Km的光纖中，表示當(dāng)光纖傳輸1Km后，光強(qiáng)下降到入射時的1/10。3dB/Km相當(dāng)光纖傳輸1Km后，光強(qiáng)衰減到入射時的一半；性能優(yōu)良的光纖傳播損耗可達(dá)0.16dB/Km。光纖的接頭有光信號放大裝置。9.3.2光纖的性能第9章

新型光電傳感器

③傳播損耗（A）第八十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器

③傳播損耗（A）第八十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用電參量傳感器中，通常是由被測量引起電阻、電容、電感等電參量的變化，將這些電參量轉(zhuǎn)換為電流、電壓的變化進(jìn)行檢測。光纖傳感器通過光調(diào)制器技術(shù)，使光的某些特性受被測量的作用，如光強(qiáng)、偏振方向、顏色、波長等等。9.3光纖傳感器9.3.3光波調(diào)制技術(shù)第9章

新型光電傳感器

光波的特征參數(shù)主要以光強(qiáng)度和光顏色兩個最直觀的特征表現(xiàn)出來的;

目前光電器件只能測量光的強(qiáng)度和顏色，其他物理量是通過這兩個量間接測量的。第八十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用光是一種電磁波，沿某一方向傳播的光波可用平面波動方程表示光的電矢量：⑴光的性質(zhì)第9章

新型光電傳感器振動面E—光的電矢量；A—強(qiáng)度；

x—偏振態(tài)（方向）φ—相位；f—頻率（顏色）k=2π/λλ=υ/f—波長第九十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用利用外界物理量改變光纖中的光強(qiáng)度，通過測量光強(qiáng)的變化測量被測信息。根據(jù)傳感器探頭結(jié)構(gòu)形式可分為：透射、反射、折射。

透射式強(qiáng)度調(diào)制光纖端面為平面，入射光纖不動；出射光纖可橫向、縱向、轉(zhuǎn)動，出射光強(qiáng)受位移信號的調(diào)制。接收光強(qiáng)與兩圓的交疊面積有關(guān)。對單模光纖，頸項位移X與光功率耦合系數(shù)T之間關(guān)系為高斯型曲線：⑵光的強(qiáng)度調(diào)制為了獲得線性和靈敏度，工作點(diǎn)應(yīng)選擇在A點(diǎn)AXTS入射出射X第9章

新型光電傳感器

下面分別討論對光的強(qiáng)度、偏振態(tài)、相位、頻率的調(diào)制方法。光探測器第九十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用

透射式開關(guān)調(diào)制入射、接收光纖固定不動，當(dāng)光纖端面有物體運(yùn)動時，出射光纖的光強(qiáng)變化。遮光屏物與其它敏感元件相連，如膨脹元件。⑵光的強(qiáng)度調(diào)制入射光源S出射透鏡接收D彈性薄膜P光調(diào)制實(shí)現(xiàn)氣壓測量第9章

新型光電傳感器透鏡第九十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用⑵光的強(qiáng)度調(diào)制

透射式光柵調(diào)制一個固定、一個移動，當(dāng)光柵作相對運(yùn)動時，通過光柵間的光強(qiáng)會發(fā)生變化。設(shè)柵距、柵寬5μm，當(dāng)動?xùn)畔鄬ξ灰?0μm時，光強(qiáng)變化一個周期，位移2.5μm、7.5μm處靈敏度最大。靜光柵動%相對強(qiáng)度X相對位移2.557.5光柵調(diào)制實(shí)現(xiàn)壓力測量第9章

新型光電傳感器μm第九十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器⑵光的強(qiáng)度調(diào)制第九十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用反射式強(qiáng)度調(diào)制由多根光纖束組成入射、接收光纖，被測物體將光束反射回光纖，經(jīng)反向傳輸后由光敏器件接收。光強(qiáng)的大小隨被測物體的特征不同而不同。特征包括：被測物體與光纖端面的距離；被測物體表面的光潔度（反射率）；相對傾角。特點(diǎn)：非接觸、探頭小、線性度好、頻響高、測量范圍在100μm以內(nèi)。⑵光的強(qiáng)度調(diào)制X入射光源S出射透鏡接收D被測物體液面測量

折射率調(diào)制（略）第9章

新型光電傳感器第九十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用法拉第磁光效應(yīng)

(又稱磁致旋光效應(yīng))

當(dāng)線偏振光通過處于磁場下的透明介質(zhì)時，光線的偏振面（矢量振動方向）將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度θ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及介質(zhì)的長度L成正比：Θ=KBLK-為物質(zhì)常數(shù)。⑶偏振態(tài)調(diào)制透明介質(zhì)BL偏振態(tài)調(diào)制主要基于人為旋光現(xiàn)象，如：法拉第磁光效應(yīng)、克爾電光效應(yīng)、彈光效應(yīng)等實(shí)現(xiàn)的。第9章

新型光電傳感器θ第九十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用

法拉第磁光效應(yīng)如稀土玻璃的常數(shù)K=0.13～0.27/（GS.cm）；

1T(特斯拉）=104GS處于0.1T磁場下，長10cm的稀土玻璃棒，可使偏振光的光矢量偏轉(zhuǎn)22°～45°，利用這種原理可制成光纖電流傳感器。導(dǎo)體上繞N匝光纖，光矢量旋轉(zhuǎn)的角度與導(dǎo)線電流有關(guān)（B∝I）B=μI/2πα

θ=VdNI

，Vd為常數(shù)⑶偏振態(tài)調(diào)制第9章

新型光電傳感器光纖SD檢偏器導(dǎo)體電流第九十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器⑶偏振態(tài)調(diào)制第九十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用一般壓力、張力、溫度可以改變光纖的長度（幾何尺寸）；

同時由于光彈效應(yīng)，光纖折射率n也會由于應(yīng)變而改變，這些物理量可以使光纖輸出端產(chǎn)生相位變化。借助干涉儀將相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化。干涉系統(tǒng)的種類很多⑷相位調(diào)制馬赫——澤德干涉儀原理第9章

新型光電傳感器常見的馬赫——澤德（Mach-Zehnde)第九十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用⑷相位調(diào)制固定平面鏡靜止，移動平面鏡隨被測體運(yùn)動；分束器1把激光器的輸出光束分成兩部分，經(jīng)上、下光路的傳輸后又重新合路，使其在光檢測器處互相干涉。當(dāng)移動鏡面位移時合成光的干涉強(qiáng)度發(fā)生變化。這種干涉儀靈敏度高，可精確到10-13nm

。馬赫——澤德干涉儀原理第9章

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常見的馬赫——澤德（Mach-Zehnde)干涉儀原理第一百頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用雖然空氣光路系統(tǒng)有大的動態(tài)范圍，但實(shí)現(xiàn)非常困難，通常只能限制在實(shí)驗室工作條件。光纖干涉?zhèn)鞲衅魅绻缮嫦到y(tǒng)的空氣光路用光纖代替，用光纖耦合器取代分束器；幾公里光路對光纖是容易實(shí)現(xiàn)的，可取消對光路長度限制，不存在光路中塵埃污染。⑷相位調(diào)制光纖分路器在光源和檢測器之間，干涉儀只含光纖元件，換能器把被測量轉(zhuǎn)換成光束的相位變化。第9章

新型光電傳感器光纖干涉儀原理第一百零一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用⑷相位調(diào)制①明暗計數(shù)法輸出脈沖計數(shù)反映光強(qiáng)明暗變化，不能檢測極性；②相位鎖定零點(diǎn)檢測法通過參考臂的相位調(diào)制使系統(tǒng)相差定在π/2處，（在π/2處靈敏度最高，光強(qiáng)與相差呈線性關(guān)系）。π/2π3π/2相對光強(qiáng)相差相位干涉儀輸出波形光纖干涉?zhèn)鞲衅髟淼?章

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相位調(diào)制光纖傳感器的信號檢測有多種：第一百零二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用⑷相位調(diào)制由于3db耦合器的作用，兩個光電探測器輸出為：當(dāng)被測信號變化時S（t）變化，相差偏離輸出U3≠0；積分器將這個變化積累后輸出一附加電壓至參考臂上，用附加相差抵消信號臂相差，使系統(tǒng)回到π/2初態(tài)。光纖干涉?zhèn)鞲衅髟鞺3U1U2第9章

新型光電傳感器第一百零三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用⑷相位調(diào)制濾波器濾掉環(huán)境干擾信號，通過有關(guān)信號頻段。以上系統(tǒng)是典型的閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，加到相位調(diào)制器的電壓反映了系統(tǒng)相差的變化。相位調(diào)制器是將光纖繞在圓柱型PZT（壓電陶瓷）上或鍍有PVF2材料。PZT直徑隨驅(qū)動信號變化，利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，電場作用下產(chǎn)生形變，使繞在上面的光纖伸縮變化，使光的相位變化，實(shí)現(xiàn)相位的調(diào)制解調(diào)。PZT壓電陶瓷環(huán)光纖附加電壓第9章

新型光電傳感器光纖干涉儀第一百零四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用⑸頻率調(diào)制當(dāng)光敏器件與光源之間有相對運(yùn)動時，光敏器件接收到的光頻率fs與光源頻率f不同，這種現(xiàn)象稱光的“多普勒效應(yīng)”；第9章

新型光電傳感器波源不動,觀察者相對介質(zhì)以運(yùn)動，聲音的頻率不同。人耳聽到的聲音的頻率υ與聲源的頻率υs相同嗎？只有波源與觀察者相對靜止時才相等.SDfsf第一百零五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用⑸頻率調(diào)制設(shè)光敏器件相對光源的運(yùn)動速度為υ，接收的光頻率可表示為：頻率調(diào)制法可以測量運(yùn)動物體（流體）的速度、流量等；被測體散射光信號由透鏡接收回光纖，與空氣界面直接返回的光信號合成后形成頻率為fp的拍頻信號，送光敏探測器。第9章

新型光電傳感器第一百零六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用⑸頻率調(diào)制測量原理：激光光束頻率ω0，由分束送兩路；調(diào)制光ωR作參考光源送光敏探測器；分束器2將ω0的光束經(jīng)光纖射入流體；流體速度υ，流體中微粒照亮?xí)r產(chǎn)生反射光，反射光通過光纖返回；多普勒效應(yīng)使反射光產(chǎn)生頻移△ω探測器分束器1分束器2參考光ωR=ω0-ω1ω0ωs=ω0±△ω激光器調(diào)制器

透鏡ω1±△ω

形成的光頻率為測量光:ωs=ω0±△ω，測量光與參考光在探測器混頻（拍頻ωp=ωs-ωR）后形成振蕩信號，振蕩頻率為ω1±△ω，由頻譜儀分析△ω頻率變化，獲得流體速度。υ管道流體速度θ第9章

新型光電傳感器第一百零七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用光纖目前可以測量70多種物理量基本組成相似：光源、透鏡、入射光纖、調(diào)制器、出射光纖、光敏器件等。光纖的類型較多大致可分為功能型和非功能型兩大類。光纖傳感器9.3.4光纖傳感器第9章

新型光電傳感器第一百零八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器功能型和非功能型光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)類型第一百零九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用這類傳感器利用光纖本身對外界被測對象具有敏感能力和檢測功能，光纖不僅起到傳光作用，而且有傳感能力。在被測對象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號攜帶了被測量信息。功能型（又稱傳感型）

FF

（FunctionFibreOptilSensor）9.3.4光纖傳感器第9章

新型光電傳感器第一百一十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用在光源和檢測器之間只含光纖元件；換能器把被測量轉(zhuǎn)換成光束的相位光強(qiáng)的變化。3db耦合器將光信號耦合輸入輸出，換能器利用集成和光電技術(shù)可把所有元件裝入一個很小裝置內(nèi)與光纖對接耦合。光纖干涉?zhèn)鞲衅髟砀鞣N光纖耦合器

9.3.4光纖傳感器第9章

新型光電傳感器第一百一十一頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用各種光纖耦合器

9.3.4光纖傳感器第9章

新型光電傳感器光纖接頭盒第一百一十二頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用傳光型光纖傳感器的光纖只當(dāng)作傳播光的媒介；待測對象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的；光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。(2)非功能型（稱傳光型）

NFF（Non-FunctionFibreOptilSensor）9.3.4光纖傳感器第9章

新型光電傳感器第一百一十三頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用利用半導(dǎo)體材料的能量隙隨溫度幾乎成線性變化。敏感元件是一個半導(dǎo)體光吸收器，光纖用來傳輸信號。當(dāng)光源的光強(qiáng)度經(jīng)光纖達(dá)到半導(dǎo)體薄片時，透過薄片的光強(qiáng)受溫度的調(diào)制。溫度T升高，半導(dǎo)體禁帶寬度Eg變化，材料吸收光波長向長波移動，半導(dǎo)體薄片透過的光強(qiáng)度變化。一般測溫范圍在-100～300℃。(3)應(yīng)用第9章

新型光電傳感器

光纖溫度傳感器第一百一十四頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器光纖溫度傳感器第一百一十五頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器光纖溫度傳感器第一百一十六頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用相位調(diào)制型光纖傳感器測量壓力或溫度動畫演示第9章

新型光電傳感器第一百一十七頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用(3)應(yīng)用第9章

新型光電傳感器第一百一十八頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用利用光纖實(shí)現(xiàn)無接觸位移測量。光源經(jīng)一束多股光纖將光信號傳送至端部，并照射到被測物體上。另一束光纖接受反射的光信號，并通過光纖傳送到光敏元件上。

反射式光纖位移傳感器第9章

新型光電傳感器(3)應(yīng)用被測物體與光纖間距離變化，反射到接受光纖上，光通量發(fā)生變化。再通過光電傳感器檢測出距離的變化。第一百一十九頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用第9章

新型光電傳感器

反射式光纖位移傳感器第一百二十頁，共一百四十四頁，2022年，8月28日

傳感器原理及應(yīng)用結(jié)構(gòu)：反射式光纖位移傳感器一般是將發(fā)射和接收光纖捆綁組合在一起，端面分布形態(tài)的