光电式传感器课件.ppt
2023/1/24,1,第8章 光电式传感器,内容：光电器件 CCD传感器 光纤传感器,以光电器件作为转换元件的传感器,优点：响应快、性能稳、非接触。,2023/1/24,2,物质受到光照会发生某些电学特性的变化，这一现象称为光电效应。,光电效应：,光电子发射效应光电导效应光生伏特效应,三种类型,发生在物体内部,发生在物体表面,半导体,金属,8.1 光电器件,2023/1/24,3,当物质受到光照射时，电子得到了足够的光能会从物质表面上放射出来的现象，称为光电子发射。普通光电管和光电倍增管就是利用这种原理制成的。,光电子发射效应（外光电效应）,当物质受到光的照射时，载流子的浓度增加，电导率增大的现象，称为光电导效应。光敏电阻就是利用这种效应制成的。,光电导效应（内光电效应）,光电式传感器,2023/1/24,4,当物质受到光的照射时，两种材料的界面上产生电动势的效应，称为光生伏特效应。光电池就是利用这种效应制成的。,光生伏特效应（内光电效应）,光电式传感器,2023/1/24,5,1、光电发射型器件,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，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。,1905年物理学年鉴发表的三篇重要论文：1、数学方法研究布朗运动 2、光量子学说 3、侠义相对论,2023/1/24,6,光电式传感器,光电效应方程：,光是一粒一粒运动着的粒子流，即光子每个光子的能量为hf光子打在光电材料上，光子与电子进行能量交换能量转换为：电子逸出功+初始动能,h普朗克常数hf光子的能量,f 光的频率,m电子质量,v电子初速度,A电子逸出功,爱因斯坦假说：,2023/1/24,7,光电式传感器,红限频率:产生光电子发射的最低,当入射光的频率ff0时，则不能激发光电子。,用波长表示,外光电效应多发生于金属和金属氧化物表面，且是瞬时发生的，滞后时间不超过10-9s,2023/1/24,8,光电式传感器,光电器件：,光电管：透光的玻璃外壳阳极A涂有光电发射材料的阴极K抽真空或少量惰性气体,光电管,光电倍增管,入射光负载RL的光电流,光电流与入射光强不成比例温度影响大，灵敏度低容易衰老,2023/1/24,9,倍增极+能发射更多电子的材料 I=I0(c)n,光电式传感器光电倍增管,阴极K,第一倍增极,第四倍增极,第三倍增极,第二倍增极,阳极A,入射光,RL,U0,D1,D4,D3,D2,IA,K,A,R4,R3,R2,R1,R5,特点：灵敏度高适合弱光强光易损坏,应用：天体光度测量和天体分光光度测量,2023/1/24,10,随着半导体器件的发展，出现了大量的以半导体为材料的基于内光电效应器件：光电阻光敏管光电池,2023/1/24,11,2、光导型光电器件,光照在半导体材料上，电子从价带禁带导带，形成自由电子，使导电性增强。,红限频率：,Eg光电材料禁带宽度能量,光电式传感器,2023/1/24,12,RL,光敏电阻,光电式传感器,光敏电阻是一种电阻器件，可以在交流或直流电压下工作。,无光照射时：呈现高阻状态，称暗阻，一般在兆欧级。,有光照射时：呈现低阻状态，称亮阻，一般在几千欧以下。,灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜。在检测与自动化技术中广泛应用,2023/1/24,13,光敏二极管,RL,光电式传感器,器件结构与二极管相似，一般处于反向工作区，只能在直流电压下工作。,光照射的反向电流基本上与光强成正比。,光敏三极管,RL,光敏三极管比光敏二极管更高的灵敏度,2023/1/24,14,光电式传感器,特点：体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输入输出绝缘,2023/1/24,15,3、光伏型光电器件光电池,光照在半导体材料上，若E Eg，PN结内产生电子-空穴对，PN结两端产生电动势，直接将光能转变成电能。,光生电子-空穴对,+P,N-,光电式传感器,光电器件：,光电池,2023/1/24,16,E照度（lx）,1、光照特性,当光电器件电极上的电压一定时，光电流I与光照度(或光通量)关系,IF（E）,真空光电管,光照特性呈现近似线性关系,光电式传感器,光通量（lm）,IF（）,二、光电器件的基本特性,2023/1/24,17,光电倍增管灵敏度高，线性范围大,光敏电阻,非线性，作为开关元件,光电式传感器,2023/1/24,18,硅光电池,开路电压呈非线性短路电流呈线性,光敏二极管,线性特性好，用于检测,光电式传感器,开路电压,短路电流,2023/1/24,19,光敏三极管,线性特性好，用于弱光检测,光电式传感器,2023/1/24,20,真空管,光电倍增管,光敏电阻,锑钾铯,光电式传感器,2、光谱特性,I=F()入射光波长,2023/1/24,21,硅光电池,光敏晶体管,光电式传感器,2023/1/24,22,光谱特性与制造器件的材料有关，也与制造工艺有关。不同材料对应不同的红线频率。各种敏感材料对不同的波长灵敏度不一样。每一种材料只对某一种波长的灵敏度最高。,2023/1/24,23,3、伏安特性,当光通量或照度一定，I=F（U）,光敏电阻,真空管,光电倍增管,光电式传感器,2023/1/24,24,光电池,光敏晶体管,光电式传感器,2023/1/24,25,I=F1（f）或 SF2（f）,电压、光强相同,4、频率特性,S灵敏度 f 光调制频率,真空管,光电式传感器,2023/1/24,26,光电式传感器,2023/1/24,27,光敏三极管,光电式传感器,5、温度特性,温度变化对元件特性的影响,2023/1/24,28,三、光电式传感器的基本组成和类型,1、基本组成,光电式传感器,2023/1/24,29,2、基本类型,（1）透射式,p0 A A被测对象A所吸收的光通量 P光敏元件所接收的光通量 0光源发出一定的光通量,IF(P)F(A),测量液体、气体和固体的透明度和混浊度。,光电式传感器,2023/1/24,30,(2)反射式,测量表面粗糙度,p0 A,A被测对象损失光通量,(3)辐射式,IF(P)F(0)F(T),如光电高温计、和炉子燃烧监视装置,p0,光电式传感器,2023/1/24,31,(4)遮挡式,IF（P）F（A）,光敏元件,(5)开关式，光路“通”与“不通”,用于开关，计数，编码等。,光电式传感器,2023/1/24,32,8.2 电荷耦合器件（Charge Couple Device）,优点：寿命长。CCD摄像管的寿命约20一30年。成本低。用CCD摄像管构成的摄像机没有电子枪及其附属设备，体积小，成本低。机械性能好，耐震、耐撞，不怕强光照射。重合精度高。摄像管与镜头固定牢固，匹配精确。暂留特性好，适于拍摄运动图像。,2023/1/24,33,CCD的基本工作原理,CCD的电荷存储 构成CCD的基本单元是MOS电容器，由金属、氧化物、半导体材料构成。,2023/1/24,34,原理,工作原理是依靠MOS电容与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。,2023/1/24,35,当MOS电容栅压增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储，象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当栅压增加，势阱变深；当栅压减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。,2023/1/24,36,2023/1/24,37,2023/1/24,38,2023/1/24,39,2023/1/24,40,在一定的条件下，所加VG越大，耗尽层越深，MOS电容器所容纳的少数载流子电荷量就越大。,2023/1/24,41,2023/1/24,42,2023/1/24,43,2023/1/24,44,CCD信号电荷产生有两种方式：光信号注入和电压信号注入。用做图像传感器时，由光注入电荷信号。,势阱内的电荷包是由光敏材料受光照射后激发产生电子空穴对 在栅极电压的作用下，空穴被排斥进入衬底 而电子被收集在势阱里，成为信号电荷 存储电荷的多少正比于照射光强 这就是CCD摄像器件的光电变换过程。,光信号注入与电荷产生,2023/1/24,45,光注入方式有：,正面照射：电极用透明导电材料（氧化锡、氧化钛等）制作。背面照射：需将衬底减薄直接照射：在每个光敏单元的电极下开一个很小的孔，光线直接照射到硅片表面,这时，如果把一个景物的图像投射到CCD面阵上时，由CCD上形成由积累电荷描绘的电子图像。,2023/1/24,46,电荷转移,CCD的最基本结构是彼此非常靠近的一系列MOS电容器，耗尽区能够在控制下相通，这是保证相邻的势阱耦合和电荷转移的基本条件。任何可移动的电荷信号总是力图向表面势大的位置移动，相邻势阱间的电荷转移。实现电荷转移的驱动脉冲有二相，三相、四相。,2023/1/24,47,1 2 3 4 5 6,t=t1时，电极1、4在V1的作用下形成势阱，并存有电荷。,2023/1/24,48,1 2 3 4 5 6,t=t2时，电极2、5在V2的作用下形成势阱，电极1、4下面的势阱变浅，所存电荷开始向2、5转移。,2023/1/24,49,1 2 3 4 5 6,t=t3时，电极1、4下面的势阱消失，电荷完全转到电极2、5下面。,2023/1/24,50,1 2 3 4 5 6,t=t4时，电极3、6在V3的作用下形成势阱，电极2、5下面的势阱变浅，所存电荷开始向3、6转移。,2023/1/24,51,1 2 3 4 5 6,t=t4时，电极2、5下面的势阱消失，电荷完全转到电极3、6下面。,2023/1/24,52,t=t+T时，原电极1下面的电荷全部转到电极4下面。,1 2 3 4 5 6,2023/1/24,53,2023/1/24,54,2023/1/24,55,2023/1/24,56,CCD的信号输出,每个象素下面势阱内的电荷包通过转移后，顺序向外电路输出，并转换成信号电流或电压的形式，由外电路放大和处理。,常用的电路结构是反偏二极管CCD输出方式。在一个作为负载的电容上可得到相应的离散的负极性脉冲电压，形成负极性图象信号。,2023/1/24,57,2023/1/24,58,2023/1/24,59,2023/1/24,60,2023/1/24,61,2023/1/24,62,2023/1/24,63,2023/1/24,64,CCD摄像器件,线阵CCD 面阵CCD摄像器件,2023/1/24,65,1.光积蓄式线阵CCD,光敏元件与电荷移位寄存器合二为一 优点：简单 缺点：易产生“拖影”，须用机械式快门因此不实用！,光,机械快门,2023/1/24,66,2.分离式单通道线阵CCD,光敏单元与电荷移位寄存器互为分离，当转移控制栅开启时，信号电荷同时平行读入电荷移位寄存器，然后再转移出去。,2023/1/24,67,2023/1/24,68,2023/1/24,69,2023/1/24,70,2023/1/24,71,3.双通道线阵CCD转移寄存器分别配置在光敏线列两侧,2023/1/24,72,2023/1/24,73,2023/1/24,74,2023/1/24,75,双通道线阵CCD,优点：与长度相同的分离式相比，两倍分辨率。转移寄存器的级数小，电荷转移损失小。尺寸小双通道式已经发展成为线型固态图像传感器的主要构成。,2023/1/24,76,线型CCD的主要用途,组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。用作光学信息处理装置的输入环节，例如传真技术。光学文字识别技术(OCR)与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等。作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车及自动监视装置等。举例说明在测量上的应用,2023/1/24,77,L=np/M=np(a/f-1)M倍率n传感器像素数p像素间距f透镜焦距,2023/1/24,78,2023/1/24,79,2023/1/24,80,文字图像识别系统邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。,读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。,2023/1/24,81,2023/1/24,82,面阵CCD摄像器件,行间转移式（IT）帧间转移式（FT）行帧间转移式（FIT）,2023/1/24,83,行间转移式（IT）,IT式CCD中一列列感光单元与一列列垂直移位寄存器相间的排列，最下面是一个水平移位寄存器。场消隐期间电荷包从各个感光单元转移到垂直移存器，场正程期间感光单元重新积累电荷包，同时场正程内的行逆程期间垂直移存器将电荷包向下转移一个单元，最下一行电荷包进入水平移存器，而场正程内的行正程期间水平移存器将一行的电荷包顺序移至输出端，形成一行图象信号。,2023/1/24,84,2023/1/24,85,2023/1/24,86,2023/1/24,87,2023/1/24,88,帧间转移式（FT）,FT式CCD有一个成像部分和一个与之大小相同和单元数目相同的存储部分，以及一个水平移存器。场消隐期间成像部分中各个电荷包一一对应的移入存储部分各势阱内，然后，场正程期间电荷包的转移和输出象ITCCD一样。,2023/1/24,89,2023/1/24,90,2023/1/24,91,2023/1/24,92,2023/1/24,93,行帧间转移式（FIT）,IT式CCD的一个缺点是高亮点景象会在重现图象上出现垂直拖影，FT的缺点是需要在成像部分前加装一个与场频同步的旋转遮光片式机械快门。结合二者，制作FIT CCD，其工作原理是两者之和，但是电荷包从垂直方向转移的速度比IT式快上千倍。,2023/1/24,94,2023/1/24,95,2023/1/24,96,2023/1/24,97,2023/1/24,98,2023/1/24,99,电子快门,CCD摄像器件有附加电子快门的工作原理是将一场内积累电荷包的时间分为两段，前一段积累的电荷包用溢流沟道吸收后舍弃掉，后一段积累的电荷包正式用于读出。后一段时期越短，相当于电子快门速度越快。,2023/1/24,100,8.3 光纤传感器,灵敏度高，电绝缘性能好，耐腐蚀，抗电磁干扰，耐高温、体积小、重量轻,用途,优点,测量位移、速度、加速度、压力、温度液压、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等,2023/1/24,101,一、光导纤维的结构和传光原理,纤芯：光的传输通道，直径5m-75m包层：直径100m-200m外套：增强机械强度，直径1mm,1.结构,光纤传感器,2023/1/24,102,1）按传输方式分：,2.种类 玻璃和塑料,单模：纤芯直径只有波长的几倍，纤芯细，包 层厚，传输性能好，制造困难,光纤传感器,单模光纤的纤芯直径通常为212m,很细的纤芯半径接近于光源波长的长度,仅能维持一种模式传播,一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤。,2023/1/24,103,多模：纤芯直径比波长大很多倍，纤芯粗，包层薄，制造容易。光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。,光纤传感器,2023/1/24,104,2）按折射率分为阶跃型和缓变型 阶跃型：纤芯的折射率沿径向为定值 缓变型：在中心轴上最大，沿径向逐渐变小,光纤传感器,2023/1/24,105,3）按光纤在传感器中的作用 功能性：光纤自身作为敏感元件 非功能性：光纤只是作为传播光的介质,光纤传感器,2023/1/24,106,光纤传感器实例,2023/1/24,107,3.传光原理,入射角1 光密介质n1光疏介质n2，n1 n2,以2折射到介质2 a”,以1反射回介质1 a,n1sin1 n2sin2 n1n2，12,光纤传感器,2023/1/24,108,当1c时，290，此时，n1sin1 n2sin90n2,有：,光纤传感器,2023/1/24,109,当1C时，光不再产生折射，称为全反射,即,光纤传感器,2023/1/24,110,由于光纤的折射率（n1）大于包层的折射率（n2），只要满足上述全反射的条件，光在光纤的传播呈“Z”字形向前传播。,光纤的可弯曲,必须：R 4d通常d为几十微米,注意,光纤传感器,2023/1/24,111,光纤端面的入射角0,0,进入光纤,1,折射,1=sin(90-1),入射到界面,若欲满足全反射条件，则有,即：,光纤传感器,2023/1/24,112,能在光纤内产生全反射的端面入射角0的最大允许值，即光纤的数值孔径,只有当入射光处于2C夹角内，进入光纤后才能满足全反射条件。,结论,光纤传感器,2023/1/24,113,二、光纤传感器的基本原理,被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光的强度（振幅）相位、频率或偏振态随被测量变化而变化，再通过对被调制过的光信号进行检测与解调，从而获得被测参数。,三、传输光的调制方式 对传输光的调制法：光通量、光相位、光频率、光波长、光偏振调制等。,光纤传感器,2023/1/24,114,将被测对象作为辐射能源，辐射能的强弱与被测对象的量值有关，用光电器件接收并测量出其辐射能即可测定量的大小，实际上，光纤只是起传输作用。,入射光纤不动（起传输作用），被测量使出射光纤作横向或纵向位移或转动，出射光纤输出的光强被位移所调制。,1.辐射光式,2.光纤位移式,光纤传感器,2023/1/24,115,光纤传感器实例,2023/1/24,116,在入射光纤与出射光纤间插入被测对象，入射光纤传送一定的光通量到达被测对象，经被测参数调制后由出射光纤输出，输出的光通量为被测参数的函数。,3.插入式,透射传输,反射传输,光纤传感器,2023/1/24,117,当光纤发生弯曲，使光的入射角小于临界角，使一部分光进入包层造成传输损耗，引起输出光通量发生变化，据此来测量微压或微位移。,4.微弯损耗式：,光纤传感器,2023/1/24,118,通常用两块波形板或一串滚筒组成变形器，光纤从变形器中间通过，当受微压或位移时，光纤发生微弯曲，引起传输光的微损耗，通过检测输出光强度的变化即可测出位移或力的信号。,5.滚筒式,光纤传感器,2023/1/24,119,光纤传感器实例,2023/1/24,120,光纤流量测量,光纤传感器实例,2023/1/24,121,频率调制光学多普勒频移原理,v,Q观测点,P与S相对运动时，P点所观测到的频率f1,频率为f1的光通过P散射，Q点观测到的频率为f2,光源 频率 f,运动物体,2023/1/24,122,光纤血流计,光纤传感器实例,2023/1/24,123,如果=0.683m,=60,血流速v=1m，f约为2MHz,光纤传感器实例,2023/1/24,124,光纤血流计,光纤传感器实例,2023/1/24,125,结束,
