光电式传感器 课件.pptx

第一节 光源第二节 光电器件第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件第四节 光纤传感器第五节 光栅式传感器第六节 激光式传感器,第七章 光电式传感器,返回主目录,光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。利用这种传感器测量非电量时，只需将这些非电量的变化转换成光信号的变化，就可以将非电量的变化转换成电量的变化而进行检测。光电式传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等特点。,第七章 光电式传感器,光具有波粒二象性，光的粒子学说认为光是由一群光子组成的，每一个光子具有一定的能量，光子的能量 ，其中 为普朗克常数， ， 为光的频率。因此，光的频率越高，光子的能量也就越大。光照射在物体上会产生一系列的物理或化学效应。例如光合效应、光热效应、光电效应等。光电传感器的理论基础就是光电效应，即光照射在某一物体上，可以看作物体受到一连串能量为 的光子所轰击，被照射物体的材料吸收了光子的能量而发生相应电效应的物理现象，根据产生电效应的不同，光电效应大致可以分为三类： 外光电效应 、内光电效应 、光生伏特效应,工作原理：被测量光信号电信号（借助光电器件）；基本组成（见下图）：辐射源、光学通路、光电器件3 部分；,第七章 光电式传感器,图7-1 光电式传感器原理图,工作过程：被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将被测信息调整到光波上，可改变光波的强度、相位、空间分布和频谱分布；光电器件将光信号转换为电信号；电信号经后续电路解调分离出被测信息，实现测量。特点：频谱宽、不受电磁干扰影响、非接触测量、体积小、重量轻、造价低等。,第七章 光电式传感器,光电式传感器对光源的选择要考虑的因素：波长、谱分布、相干性、体积、造价、功率等。光源分类：热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发光光源等。 光谱（附加知识点） 光波：波长为10106nm的电磁波 紫外线：波长10380nm 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线 可见光：波长380780nm,第一节 光源,红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。,远紫外,近紫外,第一节 光源,一、热辐射光源定义：热物体都会向空间发出一定的光辐射，也就是利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源，称为热辐射光源。物体温升越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。加热可以借电流沿导体流动时所释放的热量来实现。实例：白炽灯、卤钨灯 ；白炽灯特点：白炽灯为可见光源，但它的能量只有15%左右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约11.5m，因此可用作近红外光源。卤钨灯特点：卤钨灯灯丝温度较高，紫外线较丰富，因此可用作为紫外光源，发光效率比白炽灯高23倍。,第一节 光源,第一节 光源,白炽灯,卤钨灯,二、气体放电光源定义：电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。 特点：气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。实例：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长约为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。特例：若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效率的氙灯，它的光谱与日光非常接近。目前氙灯又可以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。,第一节 光源,第一节 光源,低压汞灯,氢灯,钠灯,镉灯,氦灯,三、电致发光器件发光二极管定义：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。 发光二极管（LED）的发光原理：在N型半导体上扩散或者外延生长一层P型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递减分布。当PN结接正向电压时，N区电子向P区运动，与P区空穴结合时发出一定频率的光，光子频率取决于PN结的价带和导带之间的能隙，改变能隙大小可以改变二极管的发光频谱。,第一节 光源,第一节 光源,发光二极管,四、激光器激光产生的过程：某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如特定频率的辐射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收）；如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子（受激辐射）；由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大。 具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。,第一节 光源,激光器的优点：单色性好、方向性好和亮度高。种类：激光器种类繁多，按工作物质分类固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器。,第一节 光源,固体激光器-红宝石,半导体激光器,液体激光器,二氧化碳激光器,1、固体激光器固体激光器的典型实例就是红宝石激光器，它是人类发明的第一种激光器，诞生于1960年。红宝石激光器的工作介质是掺0.5%铬的氧化铝（即红宝石），激光器采用强光灯作泵浦，红宝石吸收其中的蓝光和绿光，形成粒子数反转，受激发出深红色的激光（波长约694nm）；Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）是另一种常见的固体激光器，与红宝石激光器相比，对光泵的要求较低，可见光甚至近红外都可以作其光泵，这种激光器发出的波长为1.06m的红外光。 固体激光器通常工作在脉冲状态下，功率大，在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。,第一节 光源,2、气体激光器特点：气体介质的密度低得多，因而单位体积能够实现的离子反转数目也低得多，为了弥补气体密度低的不足，气体激光器的体积一般都比较大。气体介质均匀，激光稳定性好，另外气体可在腔内循环，有利于散热，这是固体激光器所不具备的。由于气体吸收线宽比较窄，气体激光器一般不宜采用光泵作激励，更多的是采用电作激励。 种类：氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。,第一节 光源,（1）氦-氖激光器是实验室常见的激光器，具有连续输出激光的能力。它能够输出从红外的3.3m到可见光等一系列谱线，其中632.8nm谱线在光电传感器中应用最广，该谱线的相干性和方向性都很好，输出功率通常小于1mW，可以满足很多光电传感器的要求。（2）氩离子、氪离子激光器功率比氦氖激光器大，氩离子发出可见的蓝光和绿光，比较典型的谱线有488nm和514.5nm等,氪离子发出的是红光（647.1752.5nm）。（3）二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的输出波长为10.6m，是远红外的重要光源。（4）氮气分子激光器输出波长为337nm，在脉冲工作方式下功率可达到兆瓦量级，脉冲宽度可达到纳秒量级。能够工作在紫外的还有一些准分子激光器，目前能够提供从353nm到193nm的激光输出。,第一节 光源,3、半导体激光器半导体激光器除了具有一般激光器的特点外，还具有体积小、能量高的特点，特别是它对供电电源的要求极其简单，使之在很多科技领域得到了广泛应用。半导体激光器虽然也是固体激光器，但是同红宝石、Nd:YAG和其它固体激光器相比，半导体的能级宽得多，更类似于发光二极管，但谱线却比发光二极管窄得多。半导体激光器的特征是通过掺加一定的杂质改变半导体的性质，杂质能够增加导带的电子数目或者增加价带的空穴数目，当半导体接正向电压时，载流子很容易通过PN结，多余的载流子参加复合过程，能量被释放发出激光。目前半导体激光器可以选择的波长主要局限在红光和红外。,第一节 光源,4、液体激光器染液激光器是液体激光器中最普遍采用的激光器，它以燃料作为工作物质。液体激光器多用光泵激励，有时也用另一个激光器作激励源。采用不同的燃料溶液和激光器，输出的波长范围可达0.321 m 。,第一节 光源,光电器件的作用：光信号电信号。光电器件的种类：热探测型：将光信号的能量变为自身的温度变化，然后再依赖于器件某种温度敏感特性将温度变化转变为相应的电信号，探测器对波长没有选择性，只与接收到的总能量有关，在一些特殊场合具有非常重要的应用价值，尤其是远红外区域；光子探测型：基于光电效应原理，即利用光子本身能量激发载流子，这类探测器有一定的截止波长，只能探测短于这一波长的光线，但它们响应速度快，灵敏度高，使用最为广泛。,第二节 光电器件,一、热探测器原理及特点：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器，它的突出优点是能够接收超低能量的光子，具有宽广和平坦的光谱响应，尤其适用于红外的探测。 种类：测辐射热电偶、测辐射热敏电阻和热释电探测器。1、测辐射热电偶 与常规热电偶相似，只是在电偶的一个接头上增加光吸收涂层，当有光线照射到涂层上，电偶接头的温度随之升高，造成温差电势。 2、测辐射热敏电阻 用热敏电阻代替了热电偶，当有光线照射到涂层上，首先引起温度的变化，热敏电阻再将温度转化为电阻值的变化。,第二节 光电器件,二、光子探测器光子探测器的作用原理是基于一些物质的光电效应。光能是由分离的能团光子组成，光子的能量E和频率f的关系 h普朗克常数，h=6.626l0-34（J s）。 光电效应：光照射在物体上可看成是一连串具有能量为E的光子轰击物体,如果光子的能量足够大，物质内部电子在吸收光子后就会摆脱内部力的束缚，成为自由电子，自由电子可能从物质表面逸出，也可能参与物质内部的导电过程，这种现象称为光电效应。,第二节 光电器件,光电效应的种类：外光电效应：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。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。,第二节 光电器件,电子逸出物体表面时的初速度,电子质量,金属材料的逸出功（金属表面对电子的束缚）,（5-1）,光子能量,1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此获得1921年诺贝尔物理学奖,爱因斯坦光电方程的含义,爱因斯坦光电方程，它揭示了光电效应的本质。根据爱因斯坦的假设：一个光子的能量只能给一个电子，因此一个单个的光子把全部能量传给物体中的一个自由电子，使自由电子的能量增加为 ，这些能量一部分用于克服逸出功 ，另一部分作为电子逸出时的初动能 。由于逸出功 与材料的性质有关，当材料选定后，要使金属表面有电子逸出，入射光的频率 有一最低的限度，当 小于 时，即使光通量很大，也不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限频率。当 大于 时，光通量越大，逸出的电子数目也越多，光电流也就越大。,内光电效应：当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元器件是光电池。根据内光电效应制成的光电元器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光敏晶闸管等注意事项：光子探测器一般都有一定的截止波长，当光的频率低于某一阈值时，光的强度再大也不能激发导电电子。,第二节 光电器件,（一）光电发射探测器利用外光电效应制成的光电器件称为光电发射探测器。光电发射探测器主要有真空光电管和光电倍增管等。激发出电子的条件： 要使一个电子从物质表面逸出，光子具有的能量必须大于该物质表面的逸出功A0，不同的材料具有不同的逸出功；因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时；不论光强多大，也不能激发电子，反之，被照射的物质便能激发出电子，此频率限称为“红限”；其临界波长K为,第二节 光电器件,1、真空光电管结构组成：在一个抽成真空或充以惰性气体的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极2和光电阳极1。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料（如铯）涂敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。,工作原理：当光线照射到光敏材料上，光子的能量传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，就有可能克服金属表面对电子的束缚（逸出功）而逸出金属表面形成电子发射，这种电子称为光电子。当光电管阳极加上适当电压时，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称,第二节 光电器件,图7-3 真空光电管的结构及外接电路a) 结构 b) 外接电路,为光电流。光电流正比于光电子数，而光电子数又正比于光通量。如果在外电路中串入一只适当阻值的电阻，则电路中的电流便转换为电阻上的电压。这电流或电压的变化与光强成一定函数关系，从而实现了光电转换。,2、光电倍增管结构组成：光电阴极、光电倍增极、阳极。倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高。,工作原理：工作时在各电极之间加上规定的电压。当有入射光照射时，阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射。这样，在阴极和阳极间的电场作用下，逐级产生二次电子发射，电子数量迅速递增。典型的倍增管一般有10个左右的倍增极，相邻极之间加有200400V的电压，阴极和阳极间的总电压差可达几千伏，电流增益为105左右。,第二节 光电器件,图7-4 光电倍增管的结构原理图,第二节 光电器件,3、光电管的基本特性光电特性：当阳极电压一定时，光通量 与光电流 I（阳极电流）间的关系。如图所示为光电倍增管光电特性曲线，光电特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。在相当宽的范围内转换灵敏度为常数，对于真空光电管灵敏度要比它低。,图7-5a 光电管的光电特性,第二节 光电器件,光通量是描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力，单位是流明，也叫明亮度。流明就是指蜡烛一烛光在一公尺以外的所显现出的亮度。一个普通40瓦的白炽灯泡，其发光效率大约是每瓦10lm，因此可以发出400lm的光。,伏安特性：入射光的频率及光通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系。阳极电压较低时，阴极发射电子只有一部分到达阳极，其余返回阴极（光电子负电场作用）；随着阳极电压增高，电流增大，阴极发射的电子全部到达阳极时，电流稳定，处于饱和状态。,图7-5b 光电管的伏安特性,第二节 光电器件,光谱特性：光电阴极材料对光谱有选择性，光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波波长之间的关系称为光电管的光谱特性。,第二节 光电器件,图7-5c 光电管的光谱特性,（二）光电导探测器当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。半导体在光线作用下，其电阻值往往变小，这种现象称为光电导效应。基于光电导效应的光电器件称为光敏电阻（半导体材料），也叫光导管。基本原理：半导体材料在黑暗的环境下，内部电子为原子所束缚，处于价带上，不能自由移动，半导体的电阻值很高。当受到光照时，价带中的电子受到光子激发，由价带跃迁到导带，使导带的电子和价带的空穴数目增加，半导体材料电导率变大。 电子跃迁条件：hfEg 或 hc/Eg 。f, 分别为入射光的频率和入射光的波长；Eg价带与导带之间的能隙,第二节 光电器件,第二节 光电器件,第二节 光电器件,光敏电阻由一块两边带有金属电极的光电半导体组成，电极和半导体之间呈欧姆接触，使用时在它的两电极上施加直流或交流工作电压，如图5-3所示。在无光照射时，光敏电阻 呈高阻，回路中仅有微弱的电流（称为暗电流）通过。在有光照射时，光敏材料吸收光能，使电阻率变小， 呈低阻态，从而在回路中有较强的电流（称为亮电流）通过。光照越强，阻值越小，亮电流越大。如果将该亮电流取出，经放大后即可作为其他电路的控制电流。当光照射停止时，光敏电阻又逐渐恢复原有的高阻状态。,光敏电阻具有精度高、体积小、性能稳定、价格低等特点，所以被广泛应用在自动化技术中作为开关式光电信号传感元件。光电导探测器主要用于探测波长较长，光电二极管和倍增管无法探测的红外区域。如PbS探测器探测波长达3.4m，灵敏度峰值在2m 。,第二节 光电器件,2022/12/3,38,制作光敏电阻的材料种类很多，如金属的硫化物、硒化物和锑化物等半导体材料。目前生产的光敏电阻主要是硫化镉，为提高其光灵敏度，在硫化镉中再掺入铜、银等杂质。结构如图5-4 所示。通常采用涂敷、喷涂等方法在陶瓷基片上涂上栅状光导电体膜（硫化镉多晶体）经烧结而成。为防止受潮，采用两种封闭方法： 金属外壳，顶部有透明玻璃窗口的密封结构； 没有外壳，但在其表面涂上一层防潮树脂。,光敏电阻结构图,2022/12/3,39,光敏电阻,当光敏电阻受到光照时电阻较小,2022/12/3,40,光敏电阻,d）常见光敏电阻外形光敏电阻的结构图、图形符号及外形图,（三）光电结型探测器工作原理基于内光电效应，与光电导型类似，只是光照射在半导体结上。光电结型探测器类型：光电二极管探测器和光电三极管探测器。光电二极管探测器最为常用，又可分为普通光敏二极管和雪崩二极管等。常规的二极管和三极管都用金属壳密封，以防光照。光电结型的光敏管则必须使P-N结受最大光照射。光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件，但在结构上有其特殊的地方。,第二节 光电器件,1、光敏二极管,P,N,光,光敏二极管符号,RL,P,N,光敏二极管接线,第二节 光电器件,工作原理：光敏二极管的PN结装在透明管壳的顶部，可以直接受到光的照射。使用时要反向接入电路中，即P极接电源负极，N极接电源正极。无光照时，与普通二极管一样，反向电阻很大，电路中仅有很小的反向饱和漏电流，称暗电流。当有光照射时，PN结受到光子的轰击，吸收光子而激发形成光生电子空穴对，是少数载流子浓度大大增加，因此在反向电压作用下，反向电流大大增加，形成光电流。光照越强，光电流越大，即反向偏置的PN结受光照控制。同样的，入射光子必须具有足够的能量使电子越过材料价带与导带之间的能隙。光敏二极管的光谱带宽与材料有关，硅光敏二极管0.4-1.1m ，峰值0.9m ，锗光敏二极管带宽0.6-1.8m ，峰值1.5m 。,第二节 光电器件,2022/12/3,44,2022/12/3,45,光敏二极管外形,光敏二极管阵列,2、光敏晶体管（三极管）基本结构：与光敏二极管相似，具有两个P-N结，基极一般无引出线。光敏晶体管和普通晶体管的结构相类似。不同之处是光敏晶体管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏晶体管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通晶体管。工作原理：壳体顶部用透明材料做成聚光镜，光线聚焦到N型材料上，增大了P-N结电流。当入射光子在基区及集电区被吸收而产生电子一空穴对时，便形成光电流。由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了倍的电流信号。,第二节 光电器件,光敏晶体管外形,2022/12/3,第二节 光电器件,（四）光电伏特型探测器光生伏特效应：半导体器件受到光照射时会产生一定方向的电动势，而不需要外部电源。光电伏特型光电器件能将入射光能量转换成电压和电流。可见光作光源的光电池：硅光电池、硒光电池等。它的制作材料种类很多，如硅、砷化镓、硒、锗、硫化锡等，其中应用最广泛的是硅光电池。硅光电池性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高且价格便宜。从能量转换角度来看，光电池是作为输出电能的器件而工作的。例如人造卫星上就安装有展开达十几米长的太阳能光电池板。从信号检测角度来看，光电池作为一种自发电型的光电传感器，可用于检测光的强弱以及能引起光强变化的其他非电量。,第二节 光电器件,符号,第二节 光电器件,图7-8 硅光电池构造原理和图示符号,硅光电池（硅太阳能电池）的工作原理：N型硅片上扩散一薄层P型杂质层作为光照敏感面，形成大面积P-N结。P型层做得很薄，从而使光线能穿透到PN结上。P-N结内电场阻止空穴、电子自由扩散。当光照能量足够大时，在光照结区，光子使电子由价带跃迁至导带，结区附近激发出电子空穴对为光生载流子，内电场将电子推向N区，空穴拉向P区。这种推拉作用的结果，使得N区积累了多余电子而形成为光电池的负极，而P区因积累了空穴而成为光电池的正极，故P区和N区分别带正、负电，形成电位差，即光生伏特效应。,硒光电池结构原理和符号：金属基板沉积一层硒薄膜，然后加热硒结晶，再把氧化镉沉积在硒层上形成P-N结。,b）符号,a) 结构原理,第二节 光电器件,图7-9 硒光电池构造原理和图示符号,2022/12/3,51,光电池外形,光敏面,2022/12/3,52,光电池外形,能提供较大电流的大面积光电池外形,2022/12/3,53,光电池在人造卫星上的应用,（五）半导体光电器件的特性1、光电特性：半导体光电器件产生的光电流I与光照之间的关系。光敏电阻的光电流与其端电压U和入射光通量之关系为,第二节 光电器件,图7-10 半导体光电器件的光电特性a）硒光敏电阻的光电特性 b）光敏晶体管的光电特性 c）硅光电池的光电特性,2、伏安特性：光照度一定，光电器件的端电压U与电流I之间的关系。,第二节 光电器件,图7-11 半导体光电器件的伏安特性a）光敏电阻的伏安特性 b）锗光敏晶体管的伏安特性 c）硅光电池的伏安特性,3、光谱特性：半导体光电器件对不同波长的光，灵敏度不同，因只有能量大于半导体材料禁带宽度的光子才能激发出电子空穴对。光子能量与波长有关。,第二节 光电器件,图7-12 半导体光电材料的光谱特性a）光敏电阻的光谱特性 b）光敏管和光电池的光谱特性,4频率特性半导体光电器件的频率特性是指它们的输出电信号与调制光频率变化的关系。图7-13a示出硫化铅和硫化铊光敏电阻的频率特性。,第二节 光电器件,图7-13 半导体光电器件的频率特性a）光敏电阻和光电池的频率特性b）光敏晶体管的频率特性,5温度特性光敏电阻的温度特性用电阻温度系数表示,第二节 光电器件,图7-14 半导体光电器件的温度特性a）锗光敏晶体管的温度特性 b）硅光电池的温度特性,式中R1、R2相对于温度T1、T2时光敏电阻的阻值，且T2 T1。温度系数值越小越好。,一、电荷耦合器件概念：电荷耦合器件（Charge Coupled Devices），简称CCD历史：CCD的概念是于20世纪70年代由美国贝尔实验室提出 ；结构：集MOS光敏单元阵列和读出移位寄存器于一体；产品：数码照相机、摄像机应用：广播电视、可视电话；工业监控和测量。 1、MOS（Metal Oxide Semiconductor）光敏单元MOS光敏单元的结构：P型（或N型）单晶硅基体上，生长一层很薄的SiO2绝缘层，又在其上沉积一层金属电极，形成了金属-氧化物-半导体结构单元；,第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件,第七章 光电式传感器,势阱的形成：施加一正电压UG时，在电场作用下，附近的P型硅中的多数载流子-空穴就被排斥到表面入地，从而形成一个耗尽区，称为电子势阱 ；捕获光子：光线照射到半导体硅片上，在光子作用下，半导体吸收光子，产生电子-空穴对，其中的光生空穴被电场排斥出耗尽层，而光生电子被附近的势阱吸收，吸收的光生电子数量与势阱附近的光强度成正比。,第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件,图7-15 MOS光敏元的结构原理图,2022/12/3,61,即当器件受到光照时（光可从各电极的缝隙间经SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生光生电子空穴对，这时光生电子被吸引并存储在势阱中，光越强，产生的光生电子空穴对越多，势阱中收集到的电子就越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成与其成比例的电荷的多少，实现了光电转换。势阱中的电子是在被存储状态，即使停止光照，一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。,像素：一个MOS光敏元为一个像素；电荷包：一个势阱所收集的光生电荷为一个电荷包；MOS光敏单元阵列：在半导体硅片上制成几百或几千个相互独立的MOS光敏单元（如1024768 ），在金属电极上加上正电压，就会形成几百或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏单元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏单元就形成一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，即将整个图像的光信号转换为电荷包阵列。,第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件,读出移位寄存器的作用：将光生电荷转移输出；读出移位寄存器的结构：其也是MOS结构 ，但与MOS又有区别在其底部覆盖有一层遮光层，防止外来光线干扰；它由三组相毗邻的电极组成一个耦合单元，每个耦合单元用来转移一个MOS光敏单元形成的电荷包，在三个电极上分别施加1、2、3三个驱动脉冲，三个脉冲的形状完全相同，但彼此间有相位差（差1/3周期）。,2、读出移位寄存器,第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件,图7-16a 读出移位寄存器结构原理图,t=t1：1相处于高电平，2、3相处于低电平，电极1下出现势阱，存入电荷。t=t2：1、2相处于高电平，3相处于低电平，电极1、2下都出现势阱。因两电极靠的很近，电荷就从1电极下耦合到2电极下。t=t3：更多的电荷耦合到电极2下。t=t4：只有2相处于高电平，电荷全部耦合到电极2下。,电荷转移过程：,第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件,图7-16 b 信号电荷传输示意图,3、线阵电荷耦合器件组成：单排MOS光敏元阵列、转移栅、读出移位寄存器。,第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件,图7-17 线阵CCD结构原理图,工作过程：光学成像系统将图像成像在CCD的光敏面上，光敏单元开始电荷积累，这一过程也称光积分。施加电压脉冲p，势阱吸收附近的光生电荷，从而将图像信号按其强度大小转变为一系列电荷包。转移栅施加转移脉冲t，转移栅开启，各光敏单元的光生电荷并行转移到读出移位寄存器的相应单元输出。当转移栅关闭时，MOS光敏单元阵列开始下一行的光电荷积累过程。读出移位寄存器串行输出各位的信息。说明：CCD输出脉冲的幅度取决于对应光敏元所受光强；输出脉冲频率和驱动脉冲1等的频率相一致。,第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件,4、面阵电荷耦合器件组成：光敏元面阵、存储器面阵、读出移位寄存器（线阵）。,第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件,图7-19 场转移面阵电荷耦合器件,工作过程：在光积分时间，各个光敏单元曝光，吸收光生电荷。曝光结束后，在转移脉冲控制下，光敏元面阵的电荷信号全部迅速转移到对应的存储器区暂存。此后光敏元面阵开始第二次光积分。与此同时，存储器面阵存储的光生电荷自存储器底部向下一排一排转移到读出移位寄存器中，然后再顺次从读出移位寄存器输出，完成二维图像信息向二维电信息的转换。,第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件,5、CCD应用举例工件尺寸检测：依据工件成像轮廓覆盖的光敏单元数目来计算工件尺寸。参考教材图7-20。,图7-20 工件尺寸测量系统,第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件,例如：光学系统放大率为1/M，则工件尺寸N-覆盖的光敏单元数目；d-相邻光敏单元的中心距离； -图像末端两个光敏单元之间可能的最大误差。,物体缺陷检查：检查对象：表面有缺陷的不透明物体；体内有缺陷的透明物体。判断缺陷的依据：缺陷与材料背景有足够反差，且缺陷面大于两个光敏单元，CCD可察觉。实例：磁带的小孔，钞票的缺陷；玻璃中的针孔、气泡、夹杂物。,第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件,2022/12/3,71,2022/12/3,72,2022/12/3,73,图象传感器的分类,线阵CCD外形,2022/12/3,74,面阵外形,面阵CCD在X、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像,2022/12/3,75,图像传感器的应用,线阵CCD在扫描仪中的应用,2022/12/3,76,二、位置敏感器件概念：位置敏感器件（Position Sensitive Detector,），简称PSD种类：一维和二维应用：一维PSD用于测定光点的一维坐标位置，二维PSD用于测定光点的二维坐标位置。PSD的基本结构：,第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件,光导纤维传感器简称为光纤传感器，是目前发展速度很快的一种传感器，光纤不仅可以用来作为光波的传输介质在长距离通信中应用，而且光在光纤中传播时，表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场和位移等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤作为传感元件来探测各种待测量。,光纤传感器分类,传感型利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的。它具有传光、传感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。,传光型利用其他敏感元件来感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质。,第四节 光纤传感器,第四节 光纤传感器,光纤之父-高锟获2009年诺贝尔物理学奖,光纤传感器的测量对象涉及位移、加速度、液体、压力、流量、振动、水声、温度、电压、电流、磁场、核辐射、应变、荧光、PH值、DNA生物量等诸多内容。光纤传感器和其他传感器优点： 1）抗电磁干扰能力强；2）柔软性好；3）光纤集传感器和信号与一体,一、光纤传感器的基本知识：结构：纤芯、包层、保护层。 n1纤芯材料的折射率； n2包层材料的折射率。 =1- n2 /n1，相对折射率差，一般为0.0050.140。,第四节 光纤传感器,图7-24 光纤的结构及传光原理,2022/12/3,81,1. 光纤的结构光纤是一种多层介质结构的圆柱体，由石英玻璃或塑料制成。每一根光纤由纤芯、包层和外层组成。纤芯位于光纤的中心，其直径在5-75 ，光主要在纤芯中传输。围绕纤芯的是一层圆柱形包层，直径约在100-200 范围内，包层的折射率比纤芯小。包层外面常有一层尼龙外套，直径约 ，其作用一方面是保护光纤不受外界损害，增加光纤的机械强度，另一方面以颜色区分各种光纤。,2022/12/3,82,光纤的结构,2022/12/3,83,各种装饰性光纤,2022/12/3,84,光缆的外形及光纤的拉制,2022/12/3,85,导（传）传光原理,空中光是直线传播的。然而入射到光纤中的光线却能限制在光纤中，而且随着光纤的弯曲而走弯曲的路线，并能传送到很远的地方去。,2022/12/3,86,光纤传光原理,光密介质,光疏介质,临界角,光疏介质,光密介质,光纤传光原理,导光原理：光的全反射。,-纤芯与包层间的临界角。注意：实际工作中，光纤可能弯曲，只有满足全反射定律，光线仍能继续前进。,第四节 光纤传感器,发生全反射条件：,根据斯奈尔折射定律：,设当 达到临界角 时的入射角为 ，可得 ，称为光纤的数值孔径。NA的值越大，光源到光纤的耦合效率越高。NA决定于光纤的折射率，与光纤几何尺寸无关。,第四节 光纤传感器,分类纤芯材料：玻璃光纤、塑料光纤、混合光纤等。传输模式：单模光纤；多模光纤。光纤中传输的光，可分解为沿轴向和沿截面径向传播的两种平面波成分。沿截面径向传播的光波在纤芯与包层的界面上产生全反射，因此当它在径向每一次往返传输（相邻两次反射）的相位变化是2的整数倍时，就在截面内形成驻波。这只有形成驻波的光才能在光纤中传播。一个驻波一个模。光纤中只能传输有限个模。,第四节 光纤传感器,分类折射率分布：阶跃型光纤、梯度型光纤。,阶跃型,梯度型,第四节 光纤传感器,梯度型光纤在中心轴折射率最大，沿径向逐渐变小，n1的分布规律如下梯度型光纤又称子聚焦光纤。特点：频带宽，信号畸变小，易达到全反射，但制造困难，常用光纤类型参考表7-1.,第四节 光纤传感器,二、光纤传感器（一）功能型光纤传感器 光纤既是光传播的介质，又对被测量敏感。光波的振幅（光强）、相位和偏振态随光纤的环境（如应变、压力、温度、电场、磁场等）而改变。（二）非功能型光纤传感器 光纤仅作为光传播的介质，要与其他敏感元件组成传感器。,第四节 光纤传感器,（一）功能型光纤传感器 1、光强度调制型 利用被测量的因素改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量外界物理量，称为强度调制。强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法，其特点是技术简单、可靠，价格低；光源可采用LED和高强度的白炽光等非相干光源。探测器一般用光敏二极管、晶体管和光电池等。被测量通过影响光纤的全内反射实现光强度调制。调制条件为调制途径：改变光纤几何形状，实现力、位移和压强等的测量。图7-27a；改变纤芯或包层折射率，如可采用不同的包层材料。图7-27b光强被油滴调制。,第四节 光纤传感器,2、光相位调制型 压力、应变、温度、磁场等被测量通过影响光纤的长度、折射率和内部应力等引起光信号相位的变化。检测一般采用干涉仪。马赫-琴特干涉仪调制相位原理如图7-27所示：,第四节 光纤传感器,图7-27 马赫-琴特干涉仪原理图,信号光纤环境温度变化，产生一定相移 ， 大小与信号光纤的长度L、折射率n等的变化有关，相移表示如下式中： ；玻璃光纤： ；结论：折射率n的变化起主要作用。,第四节 光纤传感器,3、光偏振态调制型外界因素使光纤中偏振态发生变化，并能加以检测的光纤传感器为偏振态调制型。如利用磁旋效应做成的高压传输线用的光纤电流传感器。,第四节 光纤传感器,图7-28 光纤电流传感器原理图,沃拉斯特棱镜 光电接收器处在磁场中的光偏振面旋转角KV-光纤材料的磁光常数。结论：旋转角度 只与电路I成正比，与光纤绕圈的大小和形状无关，与道题在线圈中的位置无关。沃拉斯特棱镜将光束分成振动方向互相垂直的偏振光，在送入两个光电接收器，设接收光信号强度为AV1AV2，标准化后的参数,光纤电流传感器结构：激光器 起偏器 单模光纤N圈,大电流（电流I）导体,第四节 光纤传感器,标准化处理的优点：测量结果不受绝对光强、激光器漂移、光纤衰减的影响。实例分析：硅光纤，分辨力0.1C传感器分辨力300A/匝，可测电流10kA.可见，该传感器量程大，灵敏度高，输出与输入端电绝缘。,第四节 光纤传感器,（二）非功能型光纤传感器 1、光纤位移传感器 光纤传感器是由许多根光纤组成的光缆。发射和接收光纤的常见组合方式有混合式、对半式、共轴内发射分布三种。混合式的灵敏度最高，对半式测量范围最大。2、光纤温度传感器 常用的半导体材料是GaAs，其透光率达30%以上，厚度为150微米，工作面积约为0.7mm2，其工作面和光纤的端面都要抛光并互相平行。,第四节 光纤传感器,三、光纤光栅传感器由于光纤材料的光敏性，当外界入射光子和离子相互作用时，会产生纤芯内折射率的永久性变化，进而在纤芯内形成空间相位光栅，即产生光纤光栅。优点：1）是自参考型传感器，可以实现绝对测量。2）具有更强的抗干扰能力。3）易于组建各种形式的传感网络，尤其是采用密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）技术构成准分布式光纤光栅传感器阵列，可进行大面积的多点测量。,第四节 光纤传感器,2022/12/3,101,光纤传感器的应用,光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度、流量等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。,2022/12/3,102,1光纤涡轮流量传感器,将反射型光纤传感器与传统的涡轮流量测量原理相结合，制造出具有双光纤传感器的涡轮流量计。与传统的内磁式涡轮流量计相比，光纤涡轮流量计具备了正反流量测量的性能。在检测原理上，光纤传感器克服了内磁式传感器磁性引力带来的影响，有效地扩大了涡轮流量计的量程比。光纤涡轮流量计，就是把涡轮叶片进行改进使其叶片端面适宜反射光线，利用反射型光纤传感器及光电转换电路检测涡轮叶片的旋转，从而测量出流量。,图5-27 光纤涡轮流量计双向测量原理,2022/12/3,103,2光纤加速度传感器,光纤加速度传感器的组成结构如图5-28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