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1、1,第4章 光电式传感器,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。,2,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
2、A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即,3,二.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。,4,4.1 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
3、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。,5,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。,7,光敏二极管组成的电路(防盗报警器),平时开关K
4、受抽屉的推力作用而断开,整个报警器不工作.白天打开抽屉,开关K接通,因VD受光,阻值变小,VT1截止,报警电路不工作,YD没有声音.夜晚打开抽屉,VD阻值变大,VT1获得合适偏流而导通,IC得到工作电压,报警电路工作,并经VT2放大,推动YD发出响亮的警笛声.,VD光敏二极管VT1/VT2晶体管YD扬声器IC集成电路输出音频,光控开关,报警电路,8,光敏二极管组成的电路(防止翻车机翻车电路),光线被挡住时，2CU20显高阻态，VT1截止，VT2导通，VT3截止，继电器J释放，红灯亮。如果光线射到2CU20上，显低阻状态，产生光电流，使VT1饱和导通，从而使VT2截止，VT3饱和导通，J吸合，绿
5、灯亮,市电经过B降压,VD1VD4整流、C滤波，输出近30V的直流电为电路供电,9,光敏二极管组成的电路(节电的走廊灯),白天VD1阻值很小，F3的13脚呈低电位，F4的10脚低电位，VD3截止；F5的6脚呈高电位，F6的8脚低电位，VT也截止，VS无触发电压呈关断状态，H不亮夜晚VD1阻值增大，F3的13脚电位虽上升，但未达到开启F3的阈值，电路处于等待状态，故F6的8脚依然呈低电位，H依然不亮,整流电路（二极管VD4VD7）、降压与滤波电路（R10与C4）、受控灯H的控制开关VS（VS导通，H亮）、光控电路（VD1、反相器F3F6、VT），声控电路（声-电转换压电陶瓷片BH，F1F6以及V
6、D3/C3/R8）,10,光敏二极管组成的电路(节电的走廊灯),外界有声响，BH输出电信号经过F1、F2变换，F2的4脚输出的信号由C1与R3耦合至F3的13脚并达到阈值电压，F3的12脚呈低电位，F4的10脚为高电位，VD3因有正向偏压而导通，并给C3充电，F5的6脚则下降，F6的8脚呈高位，VS获得高电位而导通，H亮；无声响时，F3的13脚恢复到原电位，VD3截止，C3开始向R8放电，F6的8脚仍维持高电位，H仍亮；但经过一定时间，C3放电至一定低电位，F5的6脚变成高电位，使F6的8脚变低，VS关断，H熄灭。,11,4.2 光敏三极管,光敏三极管简易测试,12,光敏三极管组成的电路(门控
7、电灯开关电路),从RS触发真值表可知，只有当R=0（无光），S=1（门开）时，其输出端Q才为“0”，经过IC-4反相后VT2导通，继电器K吸合，电灯亮；当R=1（有光）或S=0（门闭）时，Q=1，经IC-4反相后VT2截止，继电器K释放，灯不亮；VD5、C1等组成延时电路，这样当门被打开、人进（出）后又关上时，电灯并不随之马上关闭，而是延时一段时间后再关闭。,门关时，干簧因靠近磁铁被磁化而导通，S接点闭合，输出高电平“1”；门开时，S接点断开，输出低电平“0”。经过IC-3后的门控信号为：门关=0，门开=1,13,光敏三极管组成的电路(语言电路),平常光源照射，VT1呈低阻态，VT2饱和导通，
8、IC触发端3脚得不到正触发脉冲而不工作，扬声器无声。当VT1被物体遮挡，产生负脉冲电压，通过C1耦合到VT2的基极，VT2截止，IC获得一正触发脉冲而工作，输出音频信号通过VT3放大，推动扬声器发出声响。,VT1、VT2，电阻R1R3和电容C1/C2构成光控开关电路。语音集成电路IC及VT3，电阻R4、R5构成语音放大电路。,14,光敏二极管和光敏三极管 比较,光敏二极管,光敏三极管,光敏二极管,光敏三极管,15,4.3 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
9、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。,16,17,18,19,光敏电阻组成的电路(延迟节能灯),白天,光敏电阻GR受光,阻值变小,与非门D1的1脚为低电平,输出锁定为高电平,与2脚输入高低无关,所以电路封锁了声音通道,即灯泡亮灭不受声音控制,这时,门D1输出的高电平经过3次反相后D4输出的为低电平,晶闸管VS不导通,灯不亮;夜间,GR呈高阻,门D1的1脚为高电平,其输出状态受2脚控制(高则D1输出为低,低则D1输出为高),没有声音时,VT7工作在饱和状态,2脚为低电平,此时D1输出为高,则同样灯不亮;夜间有声音,VT7进入放大状态,2脚为高电
10、平,则D1输出为低,经D2时给C2充电,经过D4后输出高电平,VS导通,灯亮;声音消失后,D2为低电平,因此VD6阻断,C2通过R5放电,仍能使VS导通,灯亮,当C2放电完毕,VS关断,灯自动熄灭.,20,光敏电阻组成的电路(鉴别物体运动方向),测量时,当物体由下往上运动时候,Rs2首先被遮光,阻值增大,Rs1被光照,阻值较小,电桥失衡,UAUB,UAB0V,则VT1,VT2截止,VT3,VT4导通,继电器J1保持断开,J2吸合.当物体继续向上运动到RS1位置时,情况相反,J1吸合,J2打开.如果物体由上向下运动,则与上述情况相反,J1先吸合,J2后吸合.,21,当光照到PN结区时，如果光子能
11、量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。,若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,4.4 光电池,22,特性参数,23,2.基本特性,（）光谱特性,故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。,硅光电池的光谱峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。,光电池的光谱特性,24,(2)光照特性,不同光照射下有不同光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。,光电池的光照特性,开路电压与光强是非线性的，且在2000 lx时趋于饱和。光电池作为测
12、量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。,25,(3)频率特性,硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。,光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。,光电池的频率特性,26,(4)温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。,开路电压随温度升高而下降的速度较快。短路电流随温度升高而缓慢增加。因此作测量元件时应考虑进行温补。,光电池的温度特性,27,(5)伏安特性当硅光电池接上负载R时,硅光电池可以工作在反向偏置电压状态或无偏压状态:,有图可看到,在一定光照下,负载曲线在电流轴上的截距是短路电流,在电压轴上的截
13、距即为开路电压。,28,4.5 高速光电二极管1.PIN结光电二极管,P、N间加了层很厚的高电阻率 的本征半 导体I。P层做的很薄。比普通的光电二极管施加较高的反偏压。,29,PIN光电二极管,由于P层很薄，大量的光被较厚的I层吸收，激发较多的载流子形成光电流；又PIN结光电二极管加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。在交界处形成电子和空穴的浓度差别，N区的电子要向P区扩散,留下带正电的杂质离子，P区空穴向N区扩散,留下带负电的杂质离子，即在交界处形成了很薄的空间电荷区(耗尽层)，耗尽层的电阻率很高。,扩散越强，耗尽层越宽，PN结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了
14、响应速度。PIN结光电二极管仍然具有一般PN结光电二极管的线性特性。,工作原理,30,4.雪崩式光电二极管（APD）,在PN结的P区外增加一层掺杂浓度极高的P+层，且在其上加上高反偏压。,雪崩式二极管,当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增,31,（2）APD雪崩式光电二极管,（1）PIN结光电二极管,高速二极管基本特性,32,由阴极
15、、次阴极（倍增电极）、阳极组成阴极由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可达30级。通常为1214级。,使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。,4.6 光电倍增管及其基本特性,33,当光子照射至光阴极上时,由于光电效应,致使从光阴极表面上逸出相应数目的光电子.由于相邻电极之间的电压逐渐增高,在电场作用下,电子将被加速轰击到第一倍增极上,发射出成倍的二次电子.继而它们又轰击第二倍增极,依次下去,电子逐级倍增.最后聚集到阳极上的电子数目,可以达到阴极发射电子的108倍.,34,
16、光电倍增管的电流放大倍数为,如果n个倍增电极二次发射电子的数目相同,则in 因此阳极电流为i in,M与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。,主要参数：1.倍增系数M：等于各个倍增电极的二次发射电子数i的乘积。,35,一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度.,(2)光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度,由图可见,最大灵敏度可达10A/lm极间电压越高,灵敏度越高;但极间电压也不能太高,太高反而会使阳极电流不稳.,36,（3）暗电流和本底电流由于环境温度、热辐射
17、和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。在阴极前面放置的闪烁体受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍增管会有电流信号输出,称为本底脉冲。,(4)光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的相似。,37,国产光电倍增管的技术参数,38,4.7 色敏光电传感器,1.结构与基本原理色敏光电传感器相当于两支结构不同的光电二极管的组合，故又称光电双结二极管,P+-N-P不是晶体管，而是结深不同的两个P-N结二极管，浅结的二极管是P+-N结；深结的二极管是P-N结。不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。,它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件,3
18、9,2.基本特性,1）光谱特性,图中VD1代表浅结二极管 VD2代表深结二极管,40,2）短路电流比波长特性,短路电流比波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。,41,4.8、光位置传感器,42,1.PSD器件的工作原理,当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻p型层分别由电极1与2输出。设p型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过n型层上电极的电流I0为I1和I2之和。,I0=I1+I2,43,1.一维PSD器件,一维PSD器件主要
19、用来测量光斑在一维方向上的位置或位置移动量的装置。图3-34（a）为典型一维PSD器件S1543的结构示意图，其中1和2为信号电极，3为公共电极。它的光敏面为细长的矩形条。,44,图3-35所示，为一维PSD位置检测电路原理图，光电流I1经反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4，而光电流I2经反向放大器A2放大后也分别送给放大器A3与A4，放大器A3为加法电路，完成光电流I1与I2相加的运算（放大器A5用来调整运算后信号的相位）；放大器A4用作减法电路，完成光电流I2与I1相减的运算。,45,2.二维PSD器件,如图3-36（a）所示，在正方形的PIN硅片的光敏面上设置2对电极，分别标注
20、为Y1，Y2和X3，X4，其公共N极常接电源Ubb。二维PSD器件的等效电路如图3-36（b）所示,46,4.9 热探测器,一.红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76-1000m,红外线在电磁波谱中的位置如下图。,红外辐射的物理本质:热辐射,一个物体向外辐射的能量大部分通过红外线辐射.物体表面温度越高,辐射的红外线越多,能量就越强.物体吸收红外线转变成热能.,47,二.红外光传感器的工作原理与结构,红外光传感器按工作原理可分为光量子型和热电型两大类。光量子型可直接把红外光转换成电能。如，红外光敏电阻和红外PN结
21、型光生伏特器件，用于遥感成像方面。热电型吸收红外光后变为热能，使材料的温度升高，电学性能发生变化，人们利用这个现象制成了测量光辐射的器件。如红外热释电传感器。,红外光,电能,热能,48,1.热释电效应,对于某些材料(如锆钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘肽等)，具有自发极化的特征。自发极化与温度有很大关系。若温度因吸收红外光而升高，则极化强度减少，使单位面积上极化电荷减少，释放一定量的吸附电荷；若与一个电阻连成回路，会形成电流，如图所示。,这种因温度变化引起自发极化值发生变化的现象称为热释电效应,49,通过采用陶瓷薄片使光照材料的温度达到热平衡(吸热等于放热时温度不再变化),此时热释电效应只能探
22、测辐射的变化.由实验证实，电阻上压降的变化为,由于dT/dt与红外线强度的变化成正比，结合上式，可得出输出电压正比与红外线强度的变化。,50,2.单元件热释电传感器的结构和等效电路,51,3.双元件（双元型）红外传感器,此传感器专门用来检测人体辐射的红外线能量。市场上常见有国产的SD02、PH5324，日本的SCA02-1，美国的P2288等。SD02由敏感单元、场效应管、高阻抗变换管、滤光窗等组成，并在氦气环境下封装而成。,52,应用(红外测温仪),红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件
23、及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。,53,应用(红外线气体分析仪),红外线气体分析仪是根据不同组分气体对不同波长的红外线具有选择性吸收的特性而工作的分析仪表。测量这种吸收光谱可判别出气体的种类；测量吸收强度可确定被测气体的浓度。红外线分析仪的使用范围宽，不仅可分析气体成分，也可分析溶液成分，且灵敏度较高，反应迅速,能在线连续指示,也可组成调节系统。工业上常用的红外线气体分析仪的检测部分由两个并列的结构相同的光学系统组成。,54,一个是测量室，一个是参比室。两室通过切光板以一
24、定周期同时或交替开闭光路。在测量室中导入被测气体后，具有被测气体特有波长的光被吸收，从而使透过测量室这一光路而进入红外线接收气室的光通量减少。气体浓度越高，进入到红外线接收气室的光通量就越少；而透过参比室的光通量是一定的，进入到红外线接收气室的光通量也一定。因此，被测气体浓度越高，透过测量室和参比室的光通量差值就越大。,这个光通量差值是以一定周期振动的振幅投射到红外线接收气室的。接收气室用几微米厚的金属薄膜分隔为两半部，室内封有浓度较大的被测组分气体，在吸收波长范围内能将射入的红外线全部吸收，从而使脉动的光通量变为温度的周期变化，再可根据气态方程使温度的变化转换为压力的变化，然后用电容式传感器
25、来检测，经过放大处理后指示出被测气体浓度。,55,除用电容式传感器外，也可用直接检测红外线的量子式红外线传感器，并采用红外干涉滤光片进行波长选择和配以可调激光器作光源，形成一种崭新的全固体式红外气体分析仪。这种分析仪只用一个光源、一个测量室、一个红外线传感器就能完成气体浓度的测量。此外，若采用装有多个不同波长的滤光盘，则能同时分别测定多组分气体中的各种气体的浓度。与红外线分析仪原理相似的还有紫外线分析仪、光电比色分析仪等，在工业上也用得较多。,56,4.10 光固态图象传感器,光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件CTD（Charge Transfer D
26、evice），最常用的是电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）。由于它具有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，以及集成度高、功耗低的优点，因此被广泛地应用。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。,57,1CCD的结构和基本原理,CCD是一种半导体器件，由若干个电荷耦合单元组成。CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚约120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极而构成金属-氧化物-半导体的电容式转移器。其中，“金属”为SiO2层上沉积的金属或掺杂多晶硅电极，称为“栅极”；半导体硅作为底电极，俗称“衬底”
27、；“氧化物”为两电极之间夹的绝缘体SiO2。,58,当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子空穴对，电子空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱”中。,59,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。,60,在金属电极（栅极）上加正向电压 G时，由此形成的电场穿过SiO2 薄层，吸引硅中的电
28、子在SiSiO2的界面上，而排斥SiSiO2界面附近的空穴，因此形成一个表面带负电荷，而里面没有电子和空穴的耗尽区。与此同时，SiSiO2界面处的电势（称表面势 S）发生相应变化，若取硅衬底内的电位为零，表面势 S的正值方向朝下。当金属电极上所加的电压 G超过MOS晶体上开启电压时，SiSiO2界面可存储电子。由于电子在那里势能较低，可以形象地说，半导体表面形成了电子势阱，习惯称贮存在MOS势阱中的电荷为电荷包。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。,61,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
29、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。,62,2.读出移位寄存器,是电荷图像的输出电路,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。,63,(a)初始状态；(b)电荷由电极向电极转移；(c)电荷在、电极下均匀分布；(d)电荷继续由电极向电极转移；(e)电荷完全转移到电极；(
30、f)3相交叠脉冲。,64,假设电荷最初存储在电极(加有10V电压)下面的势阱中，如图2(a)所示，加在CCD所有电极上的电压，通常都要保持在高于某一临界值电压Vth，Vth称为CCD阈值电压，设Vth=2V。所以每个电极下面都有一定深度的势阱。显然，电极下面的势阱最深，如果逐渐将电极的电压由2V增加到10V，这时，、两个电极下面的势阱具有同样的深度，并合并在一起，原先存储在电极下面的电荷就要在两个电极下面均匀分布，如图2(b)和(c)所示，然后再逐渐将电极下面的电压降到2V，使其势阱深度降低，如图2中(d)和(e)所示，这时电荷全部转移到电极下面的势阱中，此过程就是电荷从电极到电极的转移过程。
31、如果电极有许多个，可将其电极按照1、4、7，2、5、8和3、6、9的顺序分别连在一起，加上一定时序的驱动脉冲，如图2(f)所示，即可完成电荷从左向右转移的过程。用3相时钟驱动的CCD称为3相CCD。,65,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。,66,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。,67,3线型CCD图像传感器 线型CCD图像传感器由一
32、列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅,如图所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个P型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。,在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从CCD
33、中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。,68,实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，就形成了原来光敏信号电荷的顺序。,69,4面型CCD图像传感器 面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种形式。,图(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。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图
34、像信号。这种结构易于引起图像模糊。,行传输,70,图（b）增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。,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
35、寄存器，串行输出。（一帧对应光敏区MOS的数量）,71,图(c)是将图(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。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。,这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能生产的产品的单元数也越来越多，最多已达10241024像元。我国也能生产512320像元的面型CCD图像传
36、感器。,72,三.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%,73,2.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,74,3.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
37、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,75,4.11 光纤传感器,一、光纤的传光原理1、光纤结构由纤芯和包层组成（石英玻璃5100um)（n1n2)。外层一层尼龙保护套。,76,光线在光纤中的折射,折射角,入射角,包层（低折射率的媒体）,包层（低折射率的媒体）,纤芯（高折射率的媒体）,包层,纤芯,77,光纤的工作原理,高折射率(纤芯),低折射率(包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,光的全内反射是光纤传输光的基础。,78,（1）光的全反射条件,光由纤芯到包层表面，由光的折射定律可知：,（2）数值孔径NA光由空气射入光纤端
38、面，与轴成 角。,79,即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）传输。,希望NA越大越好。它表明无论光源发射功率多大，只有2 内的光才能被光纤接受，全反射传输。,80,二.光纤分类1.按传输模式分单模光纤、多模光纤.模的概念 光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。当它在横向往返依次的相位变化为2的整数倍时，形成驻波。形成驻波的光线组成为模。模是离散存在的。一定材质一定尺寸的光纤只能传输特定模数的光波。模的确定光纤传输模数由归一化频率确定。,81,芯径大，折射率差大（NA大），N大，多模。芯径小到6m,折射率差小到0.5%。N=1光纤只能传输
39、一定波长光，单模。,82,多模光纤与单模光纤,多模光纤,83,多模光纤：可以存在许多条不同角度入射得光线在一条光纤中传输单模光线：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光线就像一根波导那样，它可使光纤一直向前传播，而不会产生多次反射,84,2.按折射率分布阶跃型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变，纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。渐变型光纤(梯度型)纤芯的折射率nl随着半径的增加而按一定规律(如平方律、双正割曲线等)逐渐减少，到纤芯与包层交界处为包层折射率n2，纤芯的折射率不是均匀常数。,85,三.光纤传感器的工作原理将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区
40、的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。,86,四 光纤传感器分类1.功能型（传感型）传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制过的信号进行解调,从而得出被测信号。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，多采用多模光纤。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,87,2.非功能型（传光型）传感器是利用其它敏感元
41、件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。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。,88,按调制类型将光纤传感器分为：光强调制、相位调制、偏振调制、频率调制、时分调制 内容略,89,五 光纤传感器优点：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。六 光纤传感器应用：磁、声、
42、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。,90,4.11 激光传感器,一.激光产生的机理 1、原子在正常分布状态下，总是稳定的处于低能级E1，如无外界作用，原子将长期保持这种稳定状态。一旦受到外界光子的作用，赋予原子一定的能量E后，原子就从低能级E1跃迁到高能级E2，这个过程称为光的受激吸收。光受激后，其能量有下列关系：E=h=E2-E1 E-光子的能量-光的频率 h-普朗克常数（6.62310-23J.s),91,2、受激辐射:处于高能级E2的原子在外来光的诱发下，从高能级E2 跃迁至低能级E1而发光。这个过程叫光的受激辐射。受激辐射的条件：根据外光电效应
43、，只有外来光的频率等于激发态原子的某一固有频率（即红限频率）时,原子的受激辐射才能产生。3、粒子反转：在外来光的激发下，如果受激辐射大于受激吸收，原子在某高能级的数目就多于低能级的数目，像对于原子正常分布状态来说，称之为粒子反转。,92,当激光器内工作物质中的原子处于反转分布，这时受激辐射占优势，光在这种物质中传播时，会变得越来越强。通常把这种处于粒子反转分布状态的物质称为增益介质。4、增益介质放在光学谐振腔内。光学谐振腔除了有增益介质外，还有两个平行对置的反射镜，一个为全反射镜，另一个为半反半透镜。当原子发出的光焰谐振腔轴向传播时，光子碰到反射镜后，就被反射折回，在两反射镜间往返运行，不断碰
44、撞，使工作物质受激辐射，产生雪崩似的放大，从而形成了强大的受激辐射光该辐射光称为激光。然后由半反半透镜输出。,93,二.激光的特性,激光与普通光源相比，具有如下特点。方向性强能量集中 具有高平行度，发散角小。光束扩展角小。能量高度集中，其亮度很高，一般比同能量的普通光源好几百万倍单色性好 比普通光频率的1/10还小相干性好 所谓相干性好就使两束光在相遇区域内发出的波相叠加，并能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频信号。时间相干 空间相干,94,三.激光器及其特性,要产生激光必须具备三个条件：1）必须由能形成粒子数反转分布的工作物质（增益介质）2）激励能量（光源）3）光学谐振腔。将这 三者结
45、合在一起的装置称为激光器。到目前为止，激光器按增益介质可分为如下四种。1.固体激光器 2.液体激光器 3.气体激光器 4.半导体激光器,95,4.13 核辐射传感器,利用放射性同位素来进行测量的传感器，又称放射性同位素传感器。核辐射传感器是基于被测物质对射线的吸收、反散射（或射线对被测物质的电离激发作用）而进行工作的。放射性同位素在衰变过程中放出带有一定能量的粒子（或称射线），包括粒子、粒子、射线和中子射线。用粒子使气体电离比用其他辐射强得多，所以粒子常用于气体成分分析，测量气体的压力、流量或其他参数。粒子在气体中的射程可达20米。根据材料对辐射的吸收，可测量材料的厚度和密度；根据对辐射的反射
46、可判断覆盖层厚度；利用粒子的电离能力可测量气体流量。射线是一种电磁辐射，它在物质中的穿透能力比较强，在气体中的射程为数百米，能穿过几十厘米厚的固体物质，因此广泛应用于金属探伤、测厚，以及流速、料位和密度的测量。中子射线常用于测量湿度、含氢介质的料位或成分。,96,核辐射传感器包括放射源、探测器和信号转换电路。放射源一般为圆盘状（放射源）或丝状、圆柱状、圆片状（放射源）。例如TI204（铊）镀在铜片上，上面覆盖云母片，然后装入铝或不锈钢壳内，最后用环氧树脂密封，就成为放射源。探测器又称接收器，是通过射线和物质相互作用来探测射线的存在和强弱的器件。探测器一般是根据某些物质在核辐射作用下产生发光效应或气体电离效应来工作的。常用的探测器有电流电离室、盖格计数管和闪烁计数管三种。,97,应用(测量流速),图1示出用射线测量流速的原理图。将一个射线源如Co60或Sb124快速注入管道截面上需要测速的某一点上，用两个相隔距离已知的探测器（如盖格计数管或闪烁计数管）来确定示踪波形峰值经历的时间,这样就可以算出某点的流速。,98,应用(测量厚度),图2是射线金属板材测厚装置。它包括射线传感器、主电子控制柜、显示器和键盘等。这套装置具有操作灵活、功能齐全、显示直观和工作可靠等优点。,
