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1、传感器原理及应用,第8章 光电式传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,主要内容：8.1 光电效应 8.2 光电器件 光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电晶体管、光电池、其他光电器件、电荷耦合器件 8.3 光纤传感器 8.4 光栅式传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,概述,光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。光敏器件种类很多，如：光电管、光敏二极管、光电倍增管、光敏三极管、光敏电阻、光电池、光电耦合器、光纤等等。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,概述,指纹锁,指
2、纹门禁,光电鼠标,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,概述,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,概述,8.1 光电效应,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏器件主要利用各种光电效应光电效应可分为：外光电效应 内光电效应 光电导效应 光生伏特效应,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.1 光电效应(1)外光电效应,在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。,J.S,g,普朗克常数()光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大,每个光子具有的能量是：,入射光的频谱成分 不变时，产生的光电子与光强成正比,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.1 光电效应(1)外光电效应,光
3、照射物体时，物体中电子吸收入射光子的能量E，当物体吸入的能量超出逸出功A时电子就会逸出物体表面，产生光电子发射。超出的能量就表现在电子逸出的动能上。能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体 表面的电子逸出功。,由能量守恒定律有：,A 电子的逸出功；,一个电子逸出的动能（能量）；,爱因斯坦光电效应方程,传感器原理及应用,光电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，由于在入射光作用下电子吸收光子能量，从价带激发到导带过度到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空穴浓度增大引起电阻率减小。为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E
4、0应大于禁带宽度的能量Eg。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。,8.1 光电效应(2)内光电效应,第8章光电式传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.1 光电效应(2)内光电效应,光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？下面分两种情况讨论：不加偏压时的PN结 处于反偏时的PN结,传感器原理及应用,第8章 光电传感器,不加偏压时的PN结 当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0 Eg）,可激发出电子空穴对在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光
5、生电动势.,8.1 光电效应(2)内光电效应,基于这种效应的器件有光电池,PN结开路电压：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,处于反偏时的PN结：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能量足够大产生光生电子空穴对，在PN结电场作用下，电子 N，空穴 P运动，形成光电流；光电二极管一般反向连接。电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管 从原理上讲，不加偏压的 光电二极管就是光电池。,8.1 光电效应(2)内光电效应,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件（1）光电管,光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光
6、阴极、阳极，光阴极涂有光敏材料，当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（EA），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻 R上产生正比于电流大小的压降。,入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件（1）光电管,主要用于：分光光度计、光电比色计等分析仪器 和各种自动装置。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件（2）光电倍增管,光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。光
7、电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极（10个左右），在阳极和阴极之间加有几百上千伏的高压，每个倍增极间有100200V高压；光电倍增管的电流增益在105数量极。倍增极外加电压Ud与增益G的关系近似为：式中：常数 倍增极数,8.2 光电器件（1）光电倍增管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,上式可见，外加电压Ud的变化引起光电倍增管增益的变化，因此对供给光电倍增管的工作电源电压要求较高，必须有极好的稳定性。仪器稳定性与光电倍增管的指标、参数密切相关。为减
8、少光电倍增管受温度影响，对射线仪器的电源稳定性要求高，在核探测技术中“稳谱”是一个重要内容。,增益变化为：,核仪器测量中的谱线漂移,8.2 光电器件（1）光电倍增管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,基于光电倍增管的输入设备滚筒扫描仪,8.2 光电器件（1）光电倍增管,X射线荧光仪闪烁探测器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件（3）光敏电阻,光敏电阻的工作原理是基于光电导效应 结构：在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。,光敏电阻结构及符号,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件（3）光敏电阻,传感器原理
9、及应用,第8章光电式传感器,光敏电阻光照特性 无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；有光照时，电阻值随光强增加而降低；光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。,8.2 光电器件（3）光敏电阻,光敏电阻主要参数 暗电阻 无光照时的电阻；暗电流 无光照时的电流；亮电阻、亮电流 受光照时的阻值、电流；光电流 亮电流与暗电流之差称亮电流。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,伏安特性 给定偏压 光照越大光电流越大；给定光照度 电压越大光电流越大；光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和，但受最大功耗限制。光照度 Lx=lm（流明）/s 单位面积的光通量,8.2 光电器件（3）光敏电阻
10、基本特性,光敏电阻伏安特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光谱特性 光敏电阻灵敏度与入射波长有关;光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，材料与相对灵敏度峰位波长例图：硫化镉（CdS）0.30.8(m)硫化铅（PbS）1.03.5(m)硫化铊（TlS）1.07.3(m),8.2 光电器件（3）光敏电阻 基本特性,光敏电阻的光谱特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,温度特性 温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。温度T，波长变短。,光敏电阻温度特性,8.2 光电器件（3）光敏电阻 基本特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏电阻开关电路,有光照时，光敏电阻Rg下降,
11、8.2 光电器件（3）光敏电阻,应用,Rg,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏电阻在声、光控开关中的应用,应用,8.2 光电器件（3）光敏电阻,白天，Rg小VT2导通VT3截止，VT4导通，晶闸管VS截止，H灭；晚上，Rg大，VT2截止，VT3由VT1控制，待机，VT2失去对VT3控制压电陶瓷片B接收声音触发信号，VT3导通，VT4截止，晶闸管VS导通，H点亮；同时D整流压降突然下降VT3保持低电压，保持VS通，H亮后，C3经电阻缓慢放电，直到不再维持VT4截止。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件(4)光敏二极管和光敏三极管,光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应
12、。特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高;广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。,电梯平层用光电开关,光电开关器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个PN结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大。,硅光敏二极管结构,注：发光二极管与光敏二极管不同，发光二极管利用固体材料发光（电致发光），材料不同发光颜色不同，是一种将电能 光能的器件，加正向电压时，在N-P的电子、空穴结合过程中发射一定频率的光信号。工作时加正向电压。,光敏二极管,8.2 光电器件(4)光
13、敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,工作原理：光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，PN结处产生光生 电子空穴对；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；光电流方向与反向电流一致。,光敏二极管基本电路,光敏二极管,8.2 光电器件(4)光敏二极管和光敏三极管,I,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,基本特性：光照特性图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。光电流与照度成线性关系。,光谱特性，当入射波长0.9m时响应下降，因波长长光子能量小于禁带宽度，不产生电子、空穴对；当入射波长0.9m时，响应也逐 渐下降，波长
14、短的光穿透深度小，使光电流减小。,8.2 光电器件(4)光敏二极管和光敏三极管,光敏二极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,伏安特性当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。,温度特性，由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。,光敏二极管,8.2 光电器件(4)光敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,频率响应:光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。图中光敏二极管
15、频率响应曲线说明，调制频率高于1000Hz时，硅光敏晶体管灵敏度急剧下降。,光敏二极管频率响应曲线,光敏二极管,8.2 光电器件(4)光敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极集电极结作为光敏二极管，集电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。大多数光敏晶体管的基极无引线，无论NPN、PNP一般集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。,8.2 光电器件(4)光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管,光敏晶极管结构,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,硅（Si）光敏晶体极管一般都是NPN结构，光照射在集电结的基区，产
16、生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。,晶体管电流放大系数,光敏三极管,8.2 光电器件(4)光敏二极管和光敏三极管,在负载电阻RL上的输出电压为：,+,-,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,所以光敏晶体管对光信号具有放大作用,光敏三极管,8.2 光电器件(4)光敏二极管和光敏三极管,光敏晶体管伏安特性曲线,光敏晶体管等效电路,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏晶体管的光谱特性硅材料的光敏管峰值波长在0.9m附近（可见光）灵敏度最大；探测可见光或赤
17、热状物体时波长短0.9m一般都用硅管；锗管的峰值波长约为1.5m（红外光）对红外进行探测时用锗管较适宜。P134基本参数,光敏晶体管光谱特性,光敏三极管,8.2 光电器件(4)光敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电转换电路 电视遥控器检测电路100电阻限流在15mA，开关闭合时复合管截止，LED不发光；用遥控器对准光敏管按键，LED点亮时说明遥控器有红外线发射。硅管压降0.7V（两只）1.5V/100=15mA,10K,光敏三极管,8.2 光电器件(4)光敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转
18、换成电能的器件。有光线作用时就是电源，太阳能电池，所以广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。硒、硅光电池转换效率高、价廉；砷化镓材料的光谱响应与太阳光谱吻合、耐高温和宇宙射线。,8.2 光电器件(5)光电池（有源器件）,光电池符号,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件(5)光电池,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下面有一抗反射膜，下电极是一层衬底铝，。原理：当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关
19、的电动势。一般可产生0.2V0.6V电压50mA电流。,光电池结构,光电池工作原理图,8.2 光电器件(5)光电池,光电池符号,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光照特性开路电压光生电动势与照度之间关系；开路电压与光照度关系是非线性关系，开路电压在照度2000lx趋于饱和，非线性。短路电流光电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是指外接负载相对内阻很小时的光电流。实验证明，RL小线性范围好，具体根据光照大小而定，通常RL100作控制元件时当电流源使用。,光电池光照与负载的关系,光电池光照特性,8.2 光电器件(5)光电池,RL,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光谱特性 光电池对不
20、同波长的光灵敏度不同，硅光电池的光谱响应峰值在0.8m附近，波长范围0.41.2m。硅光电池可在很宽的波长范围应用。硒光电池光谱响应峰值在0.5m附近,波长范围0.380.75m。,8.2 光电器件(5)光电池,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,频率特性 频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。硅、硒光电池的频率特性不同，硅光电池频率响应较好硒光电池较差。所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件。,硅、硒光电池的频率特性,温度特性特性参数 P137,8.2 光电器件(5)光电池,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,硅管的发射结导通电压为0.6V0.7V，光电池的0.
21、5V电压起不到控制作用，可将两个光电池串联后接入基极，或用偏压电阻、二极管产生附加电压。有光照度变化时，引起基极电流Ib变化，集电极电流发生倍的变化。电流Ic与光照近似线性关系。（应用P145）,光电池电路连接,光电池作为电源使用时的不同连接。需要高电压时应将光电池串联使用；需要大电流时应将光电池并联使用。,光电池电路连接,8.2 光电器件(5)光电池,光电池作为控制元件时作为电流源的形式应用，通常接非线性负载，如接在基极控制晶体管工作。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,PIN型硅光电二极管，高速光电二极管，响应时间达1nS，适用于遥控装置。雪崩式光电二极管，具有高速响应和放大功能，高电
22、流增益，可有效读取微弱光线，用于0.8m范围的光纤通信、光磁盘受光元件装置。光电闸流晶体管（光激可控硅），由入射光线触发导通的可控硅元件。,8.2 光电器件(6)其他光电管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,达林顿光电三极管（光电复合晶体管），输入是光电三极管，输出是普通晶体管，增益大，I=IgI1I2 作驱动。光敏场效应晶体管，具有灵敏度高、线性动态范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗低、体积小等优点。广泛用于对微弱信号和紫外光的检测。半导体色敏传感器，可直接测量从可见光到红外波段的单色辐射波长。,8.2 光电器件(6)其他光电管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电耦合器件又称光电隔
23、离器（器件的光信号封闭）,“光耦”器件由发光元件和接收光敏元件（光敏电阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小。通过电光、光电，两次转换进行输入输出耦合。,8.2 光电器件(6)其他光电管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电耦合器件,“光耦”集成器件的特点：输入输出完全隔离，有独立的输入输出抗，绝缘电阻在1万兆以上。器件有很强的抗干扰能力和隔离性能，可避免振动、噪声干扰。特别适宜工业现场做数字电路开关信号传输、逻辑电路隔离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。,8.2 光电器件(6)其他光电管,传感器原理及应用,第8章光
24、电式传感器,光电耦合器用于天然气高压点火器确认电路P145,8.2 光电器件(6)其他光电管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受器产生相应的电信号。反射式，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面上，以某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经过待测点时，接受元件接收到物体表面反射的光线。,光电开关结构与外形P139,光电开关（由外部光信号控制）,8.2 光电器件(6)其他光电管,器件由发光元件和接收光敏元件组成,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电开关结构与外形P139,光电开关,8.2 光电器件(6)其他光电管,光电开关基本电路,传感器原
25、理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件(7)光电器件的测量方法,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件(7)光电器件的测量方法,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件(7)光电器件的测量方法,小车行驶路线,2003年全国大学生电子设计大赛题目：自动寻迹小车,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件(7)光电器件的测量方法,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件(7)光电器件的测量方法,红外传感器应用,障碍传感器安装位置 速度传感器安装位置,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件(7)光电器件的测量方法,自动寻
26、迹、避障自动存储记忆,寻迹传感器安装位置 寻迹过程中的常见的情况,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件(7)光电器件的测量方法,反射式红外传感器工作原理和电路形式,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,电荷耦合器件，又称CCD图象传感器，是一种大规模集成电路光电器件；电荷耦合器件具有光电转换，信息存储、转移传输、处理以及电子快门等功能。特点：1.集成度高、尺寸小、电压低（DC712V）功耗小。2.空间分辨率高，线阵分辨能力可达7m，面阵分辨率在1000电视线以上；3.光电灵敏度高，好的器件可达0.01lx；动态范围大，106：1；信噪比60-70dB；4.可选模拟、数字不同输
27、出形式，便于和计算机连机。,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件（CCD）Charge Coupled Devices,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个领域。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,图象传感器发展趋势,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,高性能小容量,廉价高容量,专用显示系统控制器在线动态分析医
28、学低功耗空间设备,汽车计算机显示生物科学光学显微镜可视电话玩具条形码识别,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,CCD基本结构分两部分：MOS光敏元阵列；MOS（金属氧化物半导体）读出移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。,CCD结构示意图,显微镜下的MOS元表面,CCD基本结构和工作原理,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,一个MOS光敏元当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，
29、称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而光电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。,一个MOS光敏元结构,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,电荷存储原理：,CCD基本结构和工作原理,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,电荷存储原理：,一个MOS光敏元结构,一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金属电极加电压就形成成百上千个势阱，产生成百上千的电荷包；如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度
30、响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,CCD基本结构和工作原理,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,265180,13390,6645,3322,分辨率（像素）不同的图象比较,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏元上的电荷还需经输出电路输出，而CCD电荷耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流作信号输出的。读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、半导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。,读出移位寄存器结构,8.2 光电器件（8）电荷
31、耦合器件,由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；在三个电极上分别施加脉冲波123，称三相时钟脉冲。,电荷转移原理（读出移位寄存器）,CCD基本结构和工作原理,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,t=t1时刻，1电极下出现势阱存入光电荷t=t2时刻，两个势阱形成大势阱存入电荷t=t3时刻，1中电荷全部转移至2。t=t4时刻，2中电荷向3势阱转移。t=t5时刻，3电荷向下一个1势阱转移,读出移位寄存器三相时钟脉冲,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,电荷转移原理（读出移位寄存器）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,不同时刻势阱深度变化，使电荷按设计好的方向，在时钟脉冲控制下从寄存器的一端转移
32、到另一端。这样一个传输过程，实际上是一个电荷耦合过程，所以称电荷耦合器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器。,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,电荷转移原理（读出移位寄存器）,电荷信息转移原理,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,输出结构：在CCD阵列的末端制作（扩散）一个N+区，形成反向偏置二极管，收集信号电荷控制A点电位变化，二极管反偏形成一个深势阱，转移3电极下的电荷包越过输出栅OG，电荷包流入势阱中，在负载电阻RL形成输出电流I0，输出电流I0与电荷成正比。扩散区收集的信号控制放大管VT2的电位：,电荷耦合器信号输出方式,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光
33、电式传感器,CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种,以电压输出型为例：有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA）由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管VT2的栅极电位：,式中，,为浮置扩散节点上的总电容。,电荷耦合器信号输出方式,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,复位管VT1导通，VT2的沟道抽走浮置扩散区的剩余电荷，直到下一个时钟周期信号到来如此循环下去。,单沟道CCD驱动,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有
34、关的特性,是器件理论设计的重要依据；外部参数描述的是与CCD应用有关的性能指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率。,CCD的特性参数,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、行间转移结构CCD。,CCD器件,CCD器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,线阵CCD结构 线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅
35、，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位寄存器组成。读出移位寄存器的输出端Ga将存储的电荷信息一位位输出。,单沟道CCD结构,CCD器件,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,电荷输出控制光敏元曝光时光积分，金属电极加正向脉冲电压p，光敏元吸收光生电荷，积累很快结束；转移控制栅加转移脉冲T，转移控制栅打开，光敏元俘获的光生电荷经转移控制栅耦合到移位寄存器；这是一并行输出过程，转移栅关闭；接着三个时钟脉冲123工作，读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出信息，这一过程是一串行输出过程。,单沟道CCD结构,电荷输出控制波形,CCD器件线阵CCD结构,
36、8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,64位线阵CCD结构,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,面阵电荷耦合器（二维）面型CCD是把光敏元件排列成二维矩阵形式，主要用于摄象机及测量技术 传输读出结构有不同类型，基本构成有：线转移方式 帧转送方式（Frame Transfer CCD）行间转送方式（Inter Line Transfer CCD）P143图8-28,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同的。不同型号的CCD器件具有完全不同的外型
37、结构和驱动时序，在实际使用时必须加以注意。我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索取相关资料，为CCD器件的应用提供技术支持。,典型的CCD器件,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,以TCD142D型CCD为例做简单介绍，其它型号的器件大同小异。TCD142D是一种具有2048位像元的两相线阵CCD器件，TCD142D有22个引脚，其中12个是空脚；1A、2A、1B、2B时钟端，SH转移栅，RS复位栅，SS地，NC空闲。OS为信号输出端，DOS为补偿输出端，,TCD142D引脚,TCD142D结构示意图,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用
38、,第8章光电式传感器,TCD142D的驱动电路可分为两部分：一部分是脉冲产生电路；另一部分是驱动电路。脉冲电路产生HS、1、2、RS四路脉冲，由非门及晶体振荡器构成的晶体振荡电路输出频率为4MHz方波；,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,经JK触发器分频，得到频率为2MHz的方波，将4MHz与2MHz脉冲相与，形成RS脉冲。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,TCD142D驱动电路,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,将RS经JK触发器分频，产生频率为1MHz的1脉冲，1脉冲送入分频器；经译码电路产生转移脉冲SH并且使SH周期TSH1061s；,将SH和1相与产生2,1=2，至此就产生了
39、四路脉冲。将这四路脉冲经反相器反相，再经阻容加加速电路送至H0026驱动器，放大至一定量以后用以驱动TCD142D。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCD被广泛用于在线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。,CCD诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像，利用CCD测量几何量，CCD输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷；例
40、如用CCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；用于传真技术，文字、图象识别。自动流水线，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机。,CCD传感器的应用,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,线阵CCD进行工件尺寸测量,实例1：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,实例2：,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,测量原理:在荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生产过程进行调整，以便提高产品质量。玻璃管的平均外径12mm,壁厚1.2mm,要求测量精度为外径0.1mm,壁厚0
41、.05mm。利用CCD配合适当的光学系统，对玻璃管相关尺寸进行实时监测，用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸影像投影在CCD光敏像元阵列面上。,实例2：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚成像。成像物镜的放大倍率为，CCD相元尺寸为t，上壁厚、下壁厚分别为n1、n2，外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为N，测量结果有：,分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。,实例2：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学扫描系
42、统（电子束扫描），与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小，且不需要高压;作为机器人视觉系统；,M2A摄影胶囊（Mouth anus）由发光二极管做光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，6小时后排除体外，可拍摄2万多张图片，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。,M2A胶囊 CCD在医疗诊断中的应用,CCD传感器的应用,8.2 光电器件（8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光导纤维简称光纤 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特
43、点：不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。,8.3 光纤传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.3 光纤传感器（1）光纤的结构和传输原理 光纤结构：,主要由三部分组成 中心纤芯；外层包层；护套尼龙料。,光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1N2）。,基本采用石英玻璃，有不同掺杂,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光纤的传播基于光的全反射原理。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；光线在光纤端面入射角减小到某一角度c时，光线全部反射。光线全部
44、被反射时的入射角c称临界角，只要c，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。,8.3 光纤传感器（1）光纤的结构和传输原理 光纤的传光原理：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,为保证全反射，必须满足全反射条件（即c）由斯乃尔（Snell）折射定律可导出，外介质折射率为n0射入纤芯时实现全反射的临界入射角为：,空气中,可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。,8.3 光纤传感器（1）光纤的结构和传输原理,光纤的传光原理：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.3 光纤传感器（2）光纤的性能（几个重要参数）数值孔径（N
45、A）,临界入射角c的正弦函数定义为光纤的数值孔径.,空气中：,NA意义讨论：NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2c张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。产品光纤不给出折射率N只给数值孔径NA，石英光纤的数值孔径一般为：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同，模式值定义为：,式中：,为纤芯半径；,为入射波长。,8.3 光纤传感器（
46、2）光纤的性能（几个重要参数）光纤模式（V）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,模式讨论：模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。模式值V小，就是值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。,8.3 光纤传感器（2）光纤的性能（几个重要参数）光纤模式（V）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光纤在传播时，由于材
47、料的吸收、散射和弯曲的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗，用衰减率A表示：,在一根衰减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输1Km后，光强下降到入射时的1/10。,8.3 光纤传感器（2）光纤的性能（几个重要参数）传播损耗（A）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光纤目前可以测量70多种物理量，光纤的类型较多，大致可分为功能型和非功能型两类。,8.3 光纤传感器(3)光纤传感器,光纤传感器进行产品检测动画,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调
48、制后的信号携带了被测信息。,8.3 光纤传感器(3)光纤传感器,FF（Function Fibre Optil Sensor）,功能型（又称传感型）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.3 光纤传感器(3)光纤传感器,分束器1把激光器的输出光束分成两部分，经上、下光路的传输后又重新合路，使其在光检测器处互相干涉。这种干涉仪灵敏度，可精确到10-13nm。但实现非常困难，限制在实验室工作。,马赫泽德干涉仪,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光纤干涉传感器几公里光路对光纤是容易实现的，在光源和检测器之间，干涉仪只含光纤元件，换能把被测量转换成光束的相位变化，利用集成和光电技术可把所有元件
49、装入一个很小装置内与光纤对接耦合。,光纤干涉传感器原理 各种光纤耦合器,8.3 光纤传感器(3)光纤传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,马赫泽德光纤干涉仪原理,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。,8.3 光纤传感器(3)光纤传感器,非功能型（又称传光型）,NFF（Non-Function Fibre Optil Sensor）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,利用半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信号
50、。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透过薄片的光强受温度的调制温度T升高，半导体禁带宽度Eg变化，材料吸收光波长向长波移动，半导体薄片透过的光强度变化。,8.3 光纤传感器(3)光纤传感器,光纤温度传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到光敏元件上。被测物体与光纤间距离变化，反射到接受光纤上，光通量发生变化。再通过光电传感器检测出距离的变化。,8.3 光纤传感器(3)光纤传感器,反射式光纤位移传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,反射式光纤位移传感
