光电式传感器和光纤传感器.ppt
第7章 光电式传感器和光纤传感器,将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。,7.1 光电效应和光电器件,光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。一、外光电效应 在光线作用下，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。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。,若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量h必须超出逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即,二、内光电效应,受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。,三、光敏电阻,为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。,1.光敏电阻的结构它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。,2.光敏电阻的工作原理,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。光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。,3 光敏电阻的主要参数）暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,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电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。）光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。,4 光敏电阻的基本特性1）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一定光照，R一定，I正比于U。一定电压，I随着光照E增强而增大。ERI。,2)光照特性（IE）,光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中。,3）光谱特性（Kr%）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。亦称为光谱响应。,不同材料，其峰值波长不同。同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。,4）温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应。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。因此,硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻,其温度影响要小一些。,5.光敏电阻的应用,1.光照度计 农作物日照时数测定。输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。1天查询720次。无光照V0=VL。有光照V0=VH。,2.环境照度监视器,3.带材跑偏检测仪,四、光敏二极管与三极管,一.光敏二极管,1.工作原理与结构光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个PN结，两根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不同之处在于光敏二极管的PN结状在管壳的顶部，可直接受到光的照射，其结构和电路如图所示。,没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态,这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。当光照射在PN结上时,光子打在PN结附近,PN结附近产生光生电子和光生空穴对。从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在反向外加电压和内电场的作用下,P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。光的照度越大,光电流越大。,2.光敏二极管的基本特性,1）光谱特性 在入射度一定时，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感，这就是它的光谱特性。如图所示。,2）伏安特性,3）光照特性,4）温度特性,温度变化对光敏二极管输出电流影响较小,但对暗电流的影响却十分显著.,3.光敏二极管的应用,1）光电路灯控制电路,2）光强测量电路,二.光敏三级管,光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。1.工作原理与结构,基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时,在结附近产生电子-空穴对,电子在结电场的作用下，由P区向N区运动，形成基极电流，放大倍形成集电极电流（光电流）,所以光电三极管有放大作用。,2.光敏三极管的基本特性,1）光谱特性与伏安特性 光谱特性与二极管相同，伏安特性如图。,2）温度特性与光照特性,温度特性与光敏二极管相同，光照特性如图,3.光敏三极管的应用,1.脉冲编码器,2.转速传感器,7.2 CCD图像传感器,固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合器件（简称CCD）、MOS图像传感器（简称SSPA）和电荷注入器件（简称CID）。目前，前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。在本节中仅说明CCD图像传感器的工作原理与特性,一、电荷耦合器件(CCD),电荷耦合器件（Charge Couple Device，简称CCD），它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。广泛应用于自动控制和自动测量,尤其适用于图像识别技术。,1.MOS光敏单元的结构及原理,CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。CCD器件的基本单元结构是MOS（金属氧化物半导体）结构。即在P型硅衬底上生长一层SiO2(120nm),再在 SiO2层上沉积金属铝构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。,A、势阱的产生 MOS的金属电极加正压，电极下的P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于U的大小。,B、电荷的存储 势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量。,2.读出移位寄存器,研究如何实现势阱下的电荷从一个MOS元位置转移到另一个MOS元位置，并依次转移并传输出来。,A、电荷的定向转移 当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。要求：多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。,B、三相CCD电极的结构 MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120时钟脉冲驱动。,C、电荷的输出,在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。,输出二极管电流法,二.CCD图像传感器 1.线阵电荷耦合器件,线阵CCD结构原理图,（1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的MOS势阱中，光像变为电像电荷包。（光积分）（2）积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过移位寄存器并行输出。（3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。,图7-12 各脉冲的波形和相位,2.面阵型CCD图像传感器,面阵型CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输三种。下面主要介绍前两种。1）行传输（LT）面阵CCD,2）帧传输（FT）面阵CCD,光敏区和存储区分开，光敏区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分周期结束后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到读出寄存器。然后，整帧信号再向下移，进入水平读出移位寄存器，串行输出。（一帧对应光敏区MOS的数量）,三.CCD图像传感器的特性参数,1.转移效率 当CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷，则转移效率定义为,若转移损耗定义为,则电荷进行N次转移时，总转移效率为,要求转移效率必须达到99.9999.999%,2.分辨率,CCD图象传感器的分辨率用调制转移函数MTF表征。当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化为调制转移函数MTF。根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0的一半，即,3.暗电流,暗电流起因于热激发产生的电子空穴对，是缺陷产生的主要原因。CCD器件暗电流越小越好。,4.灵敏度,图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，即,四.CCD图像传感器应用 1、线阵CCD器件检测工件尺寸,L工件尺寸，N覆盖的光敏单元d相邻光敏单元中心距离M光学系统放大率,2d为图象末端两个光敏单元之间可能的最大误差。根据目前产品情况d0013003mm。,2.线列CCD摄像系统,3.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。,7.3 光纤传感器,光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。,上一页,下一页,返 回,7.3 光纤传感器,7.3.1 光导纤维的结构和导光原理7.3.2 光导纤维的主要参数7.3.3 光纤传感器结构原理7.3.4 光纤传感器的分类7.3.5 光纤传感器的特点7.3.6 光纤传感器的应用,上一页,下一页,返 回,7.3.1 光导纤维的结构和导光原理,圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率,上一页,下一页,返 回,斯乃尔定理,当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射,（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：,上一页,下一页,返 回,光纤导光,上一页,下一页,返 回,n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n01,上一页,下一页,返 回,当r=90的临界状态时，,Sin i定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture）,相对折射率差,arcsinNA是一个临界角，i arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；i arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。,上一页,下一页,返 回,7.3.2 光导纤维的主要参数,1.数值孔径（NA）2.光纤模式3.传播损耗,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,1.数值孔径（NA）,反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。,上一页,下一页,返 回,2.光纤模式,光波沿光导纤维传播的途径和方式在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为,希望V小：d不能太大，n2与n1之差很小,上一页,下一页,返 回,3.传播损耗,损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响,传播损耗（单位为dB）,式中,I光纤长度；a单位长度的衰减；I0光导纤维输入端光强；I光导纤维输出端光强。,上一页,下一页,返 回,7.3.3 光纤传感器结构原理,把被测量的状态转变为可测的光信号的装置,上一页,下一页,返 回,光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。,光纤传感器光学测量的基本原理,光就是一种电磁波，,光的电矢量E,被测量调制：光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制,上一页,下一页,返 回,7.3.4 光纤传感器的分类,上一页,下一页,返 回,注：MM多模光纤；SM单模光纤；PM偏振保持光纤,光纤传感器的分类,光纤在传感器中的作用光受被测量调制的形式光纤传感器中对光信号的检测方法不同,上一页,下一页,返 回,(1)光纤的传感器中的作用,功能型非功能型拾光型,上一页,下一页,返 回,(a)功能型（全光纤型）光纤传感器,光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。,上一页,下一页,返 回,(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器,光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。,上一页,下一页,返 回,(c)拾光型光纤传感器,用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器,上一页,下一页,返 回,(2)根据光受被测对象的调制形式,(a)强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器,上一页,下一页,返 回,(a)强度调制型光纤传感器,利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：压力、振动、位移、气体优点:结构简单、容易实现、成本低。缺点:易受光源波动和连接器损耗变化等的影响,上一页,下一页,返 回,（b）偏振调制光纤传感器,利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用：电流、磁场传感器：法拉第效应；电场、电压传感器：泡尔效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；温度、压力、振动传感器：双折射性优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。,上一页,下一页,返 回,（c）频率调制光纤传感器,被测对象引起的光频率的变化来进行监测利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。,上一页,下一页,返 回,（d）相位调制传感器,被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器 利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）优点：灵敏度很高，缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。,上一页,下一页,返 回,7.3.5 光纤传感器的特点,（1）电绝缘。（2）抗电磁干扰。（3）非侵入性。（4）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。,上一页,下一页,返 回,7.3.6 光纤传感器的应用,强度调制型：基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，常用于位移的光纤检测技术；相位调制型：利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。,上一页,下一页,返 回,光纤压力传感器,（1）采用弹性元件的光纤压力传感器,膜片反射式光纤压力传感器示意图,膜片的中心挠度,若利用Y形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。,1 Y形光纤2 壳体 3 膜片,与所加的压力呈线性关系,上一页,下一页,返 回,传感器的固有频率可表示为,式中,膜片材料的密度；g重力加速度。,结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。,上一页,下一页,返 回,差动式膜片反射型光纤压力传感器,1输出光纤 2输入光纤 3输出光纤 4胶 5膜片,两束输出光的光强之比,A常数；p待测量压力,输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关,上一页,下一页,返 回,将上式两边取对数，在满足(Ap)21时，得到,表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。,上一页,下一页,返 回,（b）光弹性式光纤压力传感器,光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。,1 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波长板 4、10 光弹性元件 5、11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜,上一页,下一页,返 回,光弹性式光纤压力传感器 2,在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度,上一页,下一页,返 回,（c）微弯式光纤压力传感,基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。,1 聚碳酸酯薄膜 2 可动变形板 3 固定变形板 4、5 光纤,微弯式光纤水听器探头,上一页,返 回,思考题,试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管的性能差异，给出什么情况下应选用哪种器件最为合适。,
