第六章光敏传感器ppt课件.ppt

第6章 光敏传感器,本章课程安排,6.1 概 述 6.2 光电效应传感器 6.3 光生伏特效应器件 6.4 光敏二极管 6.5 光敏晶体管 6.6 色敏光电传感器 6.7 光电耦合器件 6.8 红外热释电光敏器件 6.9 固态图像传感器 6.10 光纤传感器 小 结,概 述,光敏传感器就是将光能转换为相应电能的装置，又称为光电式传感器。从目的上讲，它是探测光信号的器件，也可以称为光电探测器。 6.1.1 光谱 按通常定义，光指的是频率为1011 Hz（远红外线）1017 Hz（远紫外线）范围内的电磁波谱，单个光子的能量E可由式（6-1）求出（h是普朗克常数， 是光的频率） E = h （单位：J或eV）（6-1） 波长与频率的关系如下（c为光速， 是光的波长） = c/,可见，光是 电磁波谱中人眼 可以感知的部分。 根据人眼对光的 感应，把波长小 于380 nm的电磁 波称为紫外线， 图6-1 各种波长的相对光强，在人眼 而把 波长大于650 最敏感的波长555 nm处归一化 nm的电磁波称为红外线，如图6-1所示。,光谱分布如图6-2所示。 图6-2 光谱分布图6.1.2 光学传感器的相关计量单位,辐射度学：测量纯粹的、原始的能量流，与波长无关。单位W（瓦特）。 光度学：测量人眼可视的波长范围内的能量流。单位lm（流明）。 光强：单位面积上的辐射度。单位W/m2。 发光强度：1坎德拉（cd）是指，在给定方向上，相应于人眼系统敏感最高峰的光的强度，而且在此方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。 光通量：光源在单位时间内向周围空间辐射的、能引起视觉反应的能量，即可见光的能量。,光的照度：在一个面上的光通密度，它是射入单位面积内的光通量，单位是lx（勒克斯）。 6.1.3 光源 一般而言，光电式传感器对光源具有如下要求： 光源必须具有足够的照度； 光源应保证均匀、无遮挡或阴影； 光源的照射方式应符合传感器的测量要求； 光源的发热量应尽可能小； 光源发出的光必须具有合适的光谱范围。,光电效应传感器,6.2.1 外光电效应及器件1外光电效应 光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量为 E = （6-4）,式中，h为普朗克常数，即6.62610-34Js；v为光的频率（Hz）。 根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理有 （6-5）式中，m为电子质量；v0为电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。,图6-3所示为测定逸出电子随光的强度和光频率变化的实验，图6-4是光电流随光强变化的曲线。 图6-3 光电发射检测装置 图6-4 光电流随光强 的变化曲线,2光电发射二极管 通常，人们把检测装置中发射电子的极板称为阴极，吸收电子的极板称为阳极，且将两者封于同一壳内，连上电极，就成为光电二极管。按照光电发射二极管的原理可以分为真空光电二极管和充气光电二极管两类。（1）真空光电二极管 将一个阳极和一个阴极同装于一个真空玻璃内，引出两个电极就构成一个真空光电二极管。图6-5是两个典型的真空光电二极管结构示意图。,图6-5 真空光电二极管结构示意图 将真空光电二极管按照图6-6所示的测量电路连接，测得其I-V特性曲线如图6-7所示。由图可以看出，同一光强下Ia-Va曲线中，在020 V范围内，阳极电压增大，光电子达到阳极的数目也增大，阳极电流急剧增大；当阳极电压大于20 V后，几乎全部发,图6-6 测量电路 图6-7 I-V特性曲线射电子都已到达阳极，电压再增大，电流几乎不变，曲线平坦，此部分称为饱和区，一般工作电压选择在饱和区但要尽可能小一些。而随着光强的增加，产生的光电子数就增多，所以光电流与光强成正比。,（2）充气光电二极管 充气光电二极管结构与真空管相似，只是管壳内充有低压惰性气体（氩气和氖气）。充入惰性气体可以起到电子倍增效应，使到达阳极的电子数目比真空二极管所产生的电子数目大得多，相当于具有一定的放大倍数，可达10倍左右。图6-8是充气光电二极管的伏安特性曲线。 实用光电发射材料应该具备三个条件： 光吸收系数大； 光电子在体内传输到体外的过程中能量损失小，使逸出深度大； 电子亲和势较低，,使表面的逸出概率提高。 一般金属材 料只适于做紫外 灵敏的光电器件。 半导体材料对可 见光、红外光都 很敏感，所以半 导体被广泛用做 光电阴极。表6-1 是一些材料光电 阴的主要性能。 图6-8 充气光电二极管 伏安特性曲线,表6-1 材料光电阴极的主要性能,3光电倍增管（1）光电倍增管原理 图6-9 光电倍增管的结构 当具有足够动能的电子轰击倍增极时，该倍增极 表面将有电子发射出来，这种现象称为二次电子发射。光电倍增管的原理如图6-9所示。,（2）光电倍增管的结构分类 直线瓦片式倍增系统（聚焦型） 图6-10 直线瓦片式倍增系统示意 这是一种聚焦式倍增系统，其单个电极形似圆柱状的瓦片，形成的电场使电子轨迹在极间会聚交叉，交叉点落在下一级的靠近中心处，如图6-10所示, 圆环瓦片式倍增系统（聚焦型） 它的电极形式和直线瓦片一样，但各倍增极的排列方式是圆环状的，如图6-11所示。 图6-11 圆环瓦片式倍增系统示意, 盒栅式倍增系统（非聚焦型） 其电极结构如图6-12所示。每个倍增极是一个圆柱面的1/4。为提高电子收集效率，防止二次电子的逸散，在电子入口加一个与盒子具有相同电位的金属栅网。,图6-12 盒栅式倍增系统示意, 百叶窗式倍增系统（非聚焦型） 图6-13 百叶窗式倍增系统 图6-13为百叶窗式倍增系统结构示意图。每一倍增极由一组互相平行并有一定倾斜的同电位叶片组成。,（3）光电倍增管的性能参数 灵敏度：光电倍增管将光辐射转换成电信号能力的一个重要参数。阳极灵敏度SA是指在一定工作电压下阳极输出电流与照射到阴极面上光通量的比值。阴极灵敏度SK是指光电阴极本身的积分灵敏度。 放大倍数（电流增益G）：在一定工作电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极电流的比值称为该管的放大倍数或电流增益，即（6-6）,式中，iA是阳极电流；iK是阴极电流。 图6-14所示为一个典型的光电倍增管阳极灵敏度和放大倍数随工作电压变化的关系曲线。 暗电流：当光电倍增管在全暗条件下时，阳极上也会收集到一定的电流，其输出电流的直流成分称为该管的暗电流。 光电特性：图6-15所示为光电倍增管的光电特性，可以看出阳极电流随光通量而增加，而且在很宽范围内是线性的，所以适合测量辐射光通量较大的场合。,图6-14 光电倍增管阳极灵敏度 图6-15 光电倍增管的和放 大倍数随工作电压变化曲线 光电特性,（4）光电倍增管的应用领域 光电倍增管的应用领域非常广泛，主要分为以下十几种。 光谱学 质量光谱学与固体表面分析 环境监测 生物技术 医疗应用 射线测定 资源调查 工业计测 摄影印刷 高能物理加速器实验 中微子、正电子衰变实验，宇宙线检测 激光 等离子体,6.2.2 内光电效应（光电导）及器件1光电导效应 光照射半导体材料时，材料吸收光子而产生电子-空穴对，使导电性能加强，电导率增加，这种现象被称为光电导效应（内光电效应）。 当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图6-16所示，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。 为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大,图6-16 光电导效应示意于光电导材料的禁带宽度Eg，即（6-7） 式中，、分别为入射光的频率和波长。,2内光电效应（光电导）器件光敏电阻（1）光敏电阻的结构与工作原理 图6-17 光敏电阻的原理结构 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。图6-17所示为光敏电阻的原理结构。,（2）光敏电阻的主要参数 暗电阻：光敏电阻在不受光照射时的阻值。此时流过的电流称为暗电流。 亮电阻：光敏电阻在受光照射时的阻值。此时流 过的电流称为亮电流。 光电流：亮电流与暗电流之差。（3）光敏电阻的基本特性 伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图6-18所示为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。,图6-18 硫化镉光敏电阻的伏安特性 光谱特性 光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，也称为光谱响应。图6-19所示为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。,图6-19 光敏电阻的光谱特性 温度特性 温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。,图6-20所示为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。 图6-20 硫化铅光敏电阻的光谱特性 光照特性 图6-21表示CdS光敏电阻的光照特性，即在一定,外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。 图6-21 CdS光敏电阻的光照特性 频率特性,当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图6-22所示。 稳定性 图6-23中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。 几种光敏电阻的特性参数如表6-2所示。,图6-22 不同材料的频率特性 图6-23 CdS光敏电阻稳定性,表6-2 几种光敏电阻的特性参数,（4）应用实例 自动照明灯 图6-24 自动照明灯电路 自动照明灯广泛适用于医院、学生宿舍及公共场所。它白天不会亮而晚上自动亮，应用电路如图6-24所示。, 亮光报警器 图6-25 亮光报警电路 图6-25所示为亮光报警电路，当有光照射光敏电阻CdS时其阻值减小，VTl的基极电位高于发射板,，则VT1导通，VT2和VT3也导通，蜂鸣器B呜叫。 标识灯 图6-26所示是标识灯电路。在白天，光照射在光敏电阻CdS上其阻值变低，VT2的基极电位下降，为此，VT2截止，VT3和VT4都截止，灯H不亮。在夜晚，CdS无光照射，其电阻值非常高，相当于开路，VT1和VT2构成的多谐振荡器工作，标识灯H交替亮灭。,图6-26 标识灯电路,光生伏特效应器件,6.3.1 光生伏特效应 光生伏特效应包括势垒效应（结光电效应）和侧向光电效应。 1势垒效应（结光电效应） 接触半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。 2侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。 PN结光电检测电路如图6-24所示，其电流-电压特性曲线如图6-25所示。,图6-27 PN结光电检测电路 图6-28 PN结光电检测电路电流-电压特性曲线 从图6-27和图6-28可知，有光照时反向电流增加且增加量是光电流。这样就可以在PN结两端并联一个电压表，测量光照时PN结两端形成的电势差。这样就验证了光生伏特效应。,6.3.2 光电池1原理与结构 图6-29 硅光电池示意图 光电池的工作原理基于光生伏特效应。当光照射在光电池上时可以直接输出电动势及光电流。图6-29所示是硅光电池结构示意图。,2应用实例（1）太阳能电池电源 图6-30 太阳能电池电源系统 太阳能电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。,如果还需要向交流负载供电，则加一个直流-交流变换器，太阳能电池电源系统框图如图6-30所示。（2）光电池在光电检测和自动控制方面的应用 光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压、光电转换效率高、光谱范围宽、频率特性好、噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。,光敏二极管,6.4.1 结构原理1光敏二极管 图6-31 典型光电二极管示意图 光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图6-31）。,2雪崩光电二极管 图6-32 雪崩效应示意图 雪崩光电二极管APD（Avalanche Photoelectric Diode）是利用PN结加上高的反向偏压时，发生的雪崩效应而获得电流增益的光电器件（如图6-32所示）。,通常，用倍增因子来描述雪崩二极管的特性。雪崩二极管的倍增因子定义为雪崩倍增光电流与无雪崩时的反向饱和电流之比。实验证明（6-8） 式中，V为外加电压，VB为击穿电压，d为与材料和器件结构有关的常数，一般为13。 3结光电二极管（PIN管） PIN管是光电二极管中的一种其结构如图6-33所示。,图6-33 PIN管结构示意图 6.4.2 光电二极管应用实例1光照度测量器 图6-34所示为由光敏二极管VD与运算放大器A组成的光照度流量电路。图6-34(a)所示为无偏置电路，可以用于测量宽范围的入射光，但响应特性比不上图6-34(b)所示的反向偏置电路，可用反馈电阻,图6-34 光照度测量电路 Rf调整输出电压，如果Rf用对数二极管替代，则可以输出对数压缩的电压。反向偏置电路的响应速度快，且输出信号与输入信号同相位。,2心率测量仪 图6-35 手指光反射测量心率示意图 手指光反射测量心率方法如图6-35所示。光发生器向手指发射光，光检测器放在手指的同一边，接收手指反射的光，手指光反射测量心率电路组成如图6-36所示。,图6-36 手指光反射心率电路组成3光电式数字转速表 图6-37所示为光电式数字转速表的工作原理图。图6-37(a)所示是在电动机的转轴上涂上黑白相间的两色条纹，当电动机轴转动时，反光与不,图6-37 光电式数字转速表工作原理 反光交替出现，所以光敏元件间断地接收光的反射信号，输出电脉冲。再经过放大整形电路输出整齐的方波信号，由数字频率计测出电动机的转速。,图6-37(b)所示是在电动机轴上固定一个调制盘，当电动机转轴转动时将发光二极管发出的恒定光调制成随时间变化的调制光。同样经光敏元件接收，放大整形后输出整齐的脉冲信号，转速可由该脉冲信号的频率来测定。 每分钟的转速n与频率f的关系为 式中，N为孔数或黑白条纹数目。,光敏晶体管,光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。图6-38为NPN型光敏晶体管的结构简图和基本电路。 图6-38 NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路,6.5.1 光敏晶体管和光敏二极管基本特性1光谱特性 光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图6-39所示。 图6-39 光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线,2伏安特性 图6-40 硅光敏管的伏安特性 图6-40所示为硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲线。从图中可见，光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。,3温度特性 图6-41 光敏晶体管的温度特性 光敏晶体管的温度特性是指其暗电流及光电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特性曲线如图6-41所示。,6.5.2 光电三极管应用实例1光电开关 图6-42所示为光信号控制的开关电路，图6-42(a)所示为截止型一级放大器，将接在光敏晶体管VTl集电极的二极管VD接到晶体管VT2的基极。图6-42(b)所示是光信号控制电动机的转/停电路，电路由光敏晶体管VTl、小信号放大晶体管VT2及功率晶体管VT3等组成。 2条形码扫描笔 扫描笔的前方为光电读入头，它由一个发光,图6-42 光信号控制的开关电路二极管和一个光敏三极管组成，如图6-43(a)所示。整个条形码被扫描笔扫过之后，光敏三极管将条,图6-43 条形码扫描笔笔头结构 形码变成了一个个电脉冲信号，该信号经放大、整形后便形成了脉冲序列，脉冲序列的宽窄与条形码线的宽窄及间隔呈对应关系，如图6-43(b)所示。,色敏光电传感器,6.6.1 双结型色彩传感器 在一块单晶硅基片上做两个PN结的三层结构，如图6-44(a)所示，其等效电路如图6-44(b)所示。这三层PNP形成的两个光敏二极管VD1及VD2反向连接。 图6-44 双结型色敏光电传感器和等效电路,光敏二极 管的光谱特性 与PN结的厚薄 有很大关系。 PN结的面做得 薄一点，蓝光的 灵敏度就会提高。 VD1代表浅结二 图6-45 双结型色彩传感器光谱特性 极管，VD2代表深结二极管，VD1与VD2的厚薄不同，光谱特性也不同，如图6-45所示。,由图6-45所示可知， VD1接近表面， 所以对蓝 光（波长430460 nm）、 绿光（波长490570 nm） 有较高 的灵敏度，而VD2 则对红光（波长650760 图6-46 短路电流比与 nm）及红外线有较高的灵 波长特性 敏度。如果分别测VD1及VD2的短路电流，并求出其比值，则可得出图6-46所示的特性。,6.6.2 非晶态集成色彩传感器 在非晶态的硅的基片上，并排做三个光敏二极管，并在各个光敏二极管上分别加上红（R）、绿（G）、蓝（B）滤色镜，将来自物体的反射光分解为三种颜色。根据R、G、B的短路电流输出大小，通过电子电路及计算机，可以识别12种以上的颜色。传感器的结构原理如图6-47所示。 AM3301系列集成色彩传感器的三色相对灵敏度与波长特性如图6-48所示。,图6-47 非晶态集成色彩传感器 图6-48 相对灵敏度与波 长特性 非晶态色彩传感器的入射光照度与输出电压的关系如图6-49所示。,图6-49 非晶态集成色彩传感器输出电 压与入射光照度关系 在负载电阻为100 k时，其照度与输出电压用对数刻度时具有良好的线性度，并且其斜率几乎为,图6-50 非晶态集成色彩传感器放大电路 1。当将负载电阻接成1 M以上时，电压几乎成开路状态，其输出呈非线性，并进入饱和状态。因此，传感器上有时并联一个100 k电阻，以保证良好的线性度。其放大电路如图6-50所示，其短路输出电流与并联100 k电阻时的输出电流几乎无差别。,6.6.3 应用实例 图6-51所示为采用色敏传感器GP1W04构成的色温度计。 图6-51 采用色敏传感器GP1W04构成的色温度计,光电耦合器件,6.7.1 光电耦合器 图6-52 光电耦合器组合形式 光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。 耦合器常见的组合形式如图6-52所示。,6.7.2 光电开关 光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。图6-53为典型的光电开关结构图。图6-53(a)是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。图6-53 (b)是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。,图6-53 光电开关结构 用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高-低”（1-0）之分即可。图6-54是基本电路的示例。图6-54(a)、图6-54(b)表示负载为CMOS,比较器等高输入阻抗电路时的情况，图6-54(c)表示用晶体管放大光电流的情况。 图6-54 光电开关基本电路,红外热释电光敏器件,6.8.1 红外热释电光敏效应 热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过目标与背景的温差来探测目标的。热释电红外探测器由具有极化现象的热晶体或被称为“铁电体”的材料制作。“铁电体”的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。图6-55(a)是热释电效应的示意图。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强,图6-55 热释电效应原理示意图 弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。这种因温度变化引起自发极化值变化的现象称为热释电效应。其测量电路如图6-55(b)所示。,6.8.2 热释电传感器的结构 常见的热释电红外传感器的外形如图6-56所示。 图6-56 常见的热释电红外传感器的外形 热释电红外传感器由敏感元、场效应管、高阻电阻,等组成，并向壳内充入氮气封装起来，其结构如图6-57(a)所示，其等效电路如图6-57(b)所示。 图6-57 热释电传感器的结构和等效电路1敏感元,敏感元用红外热释电材料锆钛酸铅（PZT）制成，经极化处理后，其剩余极化强度随温度升高而下降。 2场效应管及高阻值电阻Rg 敏感元的阻值可达1013 ，因此需用场效应管进行阻抗变换才能应用。场效应管常用2SK303V3、2SK94X3等型号来构成源极跟随器。高阻值电阻Rg的作用是释放栅极电荷，使场效应管安全正常工作。源极输出接地时，源极电压约0.41.0 V。传感器内部接线图如图6-58所示。,图6-58 热释电传感器内部接线图 3滤光片（FT）PZT制成的敏感元件是一种广谱材料，能探测各种,图6-59 红外滤光片透射曲线 波长辐射。为了使传感器对人体最敏感而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用了滤光片作为窗口。滤光片是在Si基片上镀多层膜制成的。 红外滤光片透射曲线如图6-59所示。,6.8.3 热释电红外传感器的应用1人体探测/防盗报警器（1）菲涅尔透镜 热释电传感器的前面要加菲涅尔透镜（Fresnel Lens）才能增加探测距离。菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的透镜组，它上面的每个单元透镜一般都只有一个不大的视场，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔一个盲区。它的外形如图6-60所示。,图6-60 菲涅尔透镜外形CE-024型菲涅尔透镜视场的外形和俯视图如图6-61所示。安装图如图6-62所示 。,图6-61 菲涅尔透镜的外形和俯视图（2）红外热释电处理芯片BISS0001 BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路，具有较高性能的,图6-62 传感器的安装 传感信号处理功能，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关，能自动快速开启报警装置。,图6-63中，运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号做第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号VS去启动延迟时间定时器，输出信号VO经放大驱动继电器去接通负载。（3）电路设计及实现 电路构成：传感器PIR采集信号后，输出经BISS0001放大、选频滤波后，通过音频KD-56014芯片驱动喇叭发出声音。,图6-63 红外热释电处理芯片BISS0001内部电路2热释电红外热辐射温度计,热释电红外热辐射温度计是一种非接触式测温仪器。自然界中的物体，例如人体、火焰、机器设备、房屋、岩石、冰等，都能辐射出红外线，只是辐射的红外波长不同而已。 3传感器 本测温装置使用的是LN-206P或IRAE001S热释电红外传感器，它能接收物体辐射出的红外线并使之转换成电压信号。一般情况下，测温对象是固定不动的，因此本辐射温度计采用斩光装置使被测“热源”以1 Hz的频率入射到热释电传感器，其结构示意图如图6-64所示。,图6-64 传感器单元及热辐射温度仪框图4测量电路 传感器输出的信号需经放大器放大、滤波器滤,图6-65 热辐射温度仪电路图波，传感单元中的二极管温度补偿，即被测物体的温度是通过加法器来实现的。测量电路如图6-65所示,固态图像传感器,6.9.1 CCD图像传感器1CCD基本原理 图6-66 CCD的MOS结构 CCD是由若干电荷耦合单元组成的，该单元的结构如图6-66所示。MOS光敏元的结构如图6-67所示。,图6-67 MOS光敏元的结构 2CCD基本结构（1）线形CCD图像传感器 线形CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应地构成，在它们之间设有一个转移控制栅，如图6-69(a)所示。,目前，实用的线形CCD图像传感器为双行结构，如图6-69(b)所示。 图6-69 线形CCD图像传感器,（2）面形CCD图像传感器 面形CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图6-70所示。图6-70(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。图6-70(b)所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。图6-71所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图6-70(b)中感光元件与存储元件相隔排列，即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。,图6-70 面形CCD图像传感器结构,图6-71 面形CCD图像传感器结构 6.9.2 MOS固态图像传感器1光敏二极管型CMOS图像传感器结构,图6-72简单地说明了光敏二极管型无源图像传感器和光敏二极管型有源图像传感器感光单元的结构。 图6-72 光敏二极管型无源、有源像素图像传感器,2光电栅型有源像素图像CMOS传感器 光电栅型APS CMOS像素单元框图如6-73所示。 像素单元包括光电栅PG（Photogate）、浮置扩散输出FD（Floating Diffusion）、传输电栅TX（Transfer Gate）、复位晶体管MR（Reset Transistor）、作为源极跟随器的输入晶体管MIN，以及行晶体管MX，实际上，每个像元内部就是一个小小的表面沟道CCD。,图6-73 PG-CMOS-PPS像素结构 CMOS图像传感器芯片的整体结构如图6-74所示。,图6-74 CMOS图像传感器整体结构,6.9.3 CCD与CMOS图像传感器的性能比较 从成本上看，CCD传感器的成本要高于CMOS传感器。 从功耗上看，CMOS传感器的图像采集方式为主动式，即感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出。而CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个像素中的电荷移动，除了在电源管理电路设计上的难度更高之外，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器。 在灵敏度方面，CCD的感光信号以行为单位传输，电路占据像素的面积比较小，这样像素点对光的敏感度就高一些。,光纤传感器,6.10.2 光纤的结构和传输原理1光纤的结构图6-75 光纤的结构 光导纤维简称为光纤，目前基本上还是采用石英玻璃，其结构示于图6-75。中心的圆柱体叫做纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。,2光纤的传输原理 图6-76 光纤的传光结构 众所周知，光在空间是直线传播的。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输则基于光的全内反射。光纤的传光结构图如图6-76所示。,6.10.3 光纤传感器1光纤加速度传感器 图6-77 光纤加速度传感器结构简图 光纤加速度传感器的组成结构如图6-77所示。它是一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。,2光纤温度传感器 光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而广泛使用的光纤传感器。根据工作原理可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。图6-78为光强调制型的半导体光吸收型光纤温度传感器的结构原理图。这种传感器的基本原理是利用了多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性，如图6-79所示 。3光纤旋涡流量传感器 光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地,图6-78 半导体光吸收型光纤温度传感器 装入流管，当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关系 ，测出频率便可知流速。这种流量传感器,结构示意图如图6-80所示。图6-80 光纤旋涡流量传感器4光纤气体传感器 采用近红外线低损耗光纤系统、低功率激光器甚至非激光光源及其低成本低损耗光纤耦合，研究,被测气体分子对近红外光的吸收或差动吸收，可实现大气远距离在线检测与控制。 （1）差动吸收法光纤远距离测量系统 图6-81给出了基于分子差动吸收法光纤远距离测量系统的组成框图。 （2）用可见光吸收遥测NO2浓度 在可见光谱范围内，空气污染中只有NO2分子呈现很大的吸收特性；氩离子激光器具有476.5 nm、455.0 nm、496.5 nm、501.5 nm和514.5 nm 等多个发光谱线，选择1 = 496.5 nm为最小吸收波长，1 = 514.5 nm为最大吸收波长。因此可以用氢离子激光器,图6-81 光纤传输遥测气体分子的传感系统框图 为光源，实现两者的差动测量以表征空气中NO2的含量。图6-82所示 为对摩托车尾气进行测量的实际情况。,图6-82 NO2浓度实时测量结果曲线 （3）用近红外光遥测CH4浓度 由于硅光纤对可见光传输损失太大，对近红外光波段的传输损失可小于1 dB/km；大气的一些污染气体如CH4、HCI、CO2等都在近红外区分布有,吸收谱线，所以用波长为0.921.65m的近红外光InGaAsP或InGasbP半导体激光二极管（LD）或发光二极管（LED）做光源，可实现这些分子浓度的远距离遥测。图6-83给出了CH4的浓度为6.5%时CH4-N2混合气体的测量结果 。（4）光纤NH3（氨气）气体传感器 光纤NH3气体传感器的探头结构如图6-84所示。 在双探头结构的光纤传感器中是由两束光经不同的光纤、不同路径传输的，由光纤本身或光路上的变化造成的漂移将无法补偿。用双光束补偿光学系统可以实现更好的补偿，如图6-85所示。,图6-84 探头结构 图6-85 双光束光学系统示意图,小 结,