光电式传感器课件.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、/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
8、,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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、。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、
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