傳感與檢測(cè)技術(shù)課件：ch12-光電光纖和紅外傳感器

1、 第12章 光電、紅外和光纖傳感器12.1 光電式傳感器12.1.1 概述光電式傳感器：它是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件或裝置，可檢測(cè)直接引起光參量變化的非電量，如光強(qiáng)、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件線度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。光電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)快、性能可靠、能非接觸測(cè)量等。因而在檢測(cè)和控制領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。光敏元件(光電器件)：各種光電傳感器和檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見(jiàn)及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。12.1 光電式傳感器12.1.1 概述1）光譜光波：波長(zhǎng)為10106nm的電磁波可見(jiàn)光：波長(zhǎng)3807

2、80nm紫外線：波長(zhǎng)10380nm， 波長(zhǎng)300380nm稱為近紫外線 波長(zhǎng)200300nm稱為遠(yuǎn)紫外線 波長(zhǎng)10200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線：波長(zhǎng)780106nm 波長(zhǎng)3m（即3000nm）以下的稱近紅外線 波長(zhǎng)超過(guò)3m 的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。 光譜分布如下圖所示。12.1.1 概述1）光譜遠(yuǎn)紫外近紫外可見(jiàn)光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長(zhǎng)/m光子能量/eV1001015050.5頻率/Hz10155101410145101351015101631018 光的波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系由光速確定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。

3、光的波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系為：v= 31010cm/s, v -單位為Hz， -單位為cm。 12.1 光電式傳感器12.1.1 概述2）光源（發(fā)光器件）(1) 鎢絲白熾燈特點(diǎn)：輻射光譜連續(xù)，除可見(jiàn)光外有大量紅外線和紫外線，任何光敏元件都能和它配合接收光信號(hào)，對(duì)光敏元件的光譜特性要求不高。但壽命短、發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特性差。(2) 氣體放電燈原理：利用電流通過(guò)氣體產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。特點(diǎn)：光譜不連續(xù)，與氣體種類及放電條件有關(guān)。消耗的能量?jī)H為白熾燈1/21/3。光譜儀器中常用光源: 低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈,統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長(zhǎng)為254nm，鈉燈輻射波長(zhǎng)為589nm，它們常用作光

4、電檢測(cè)儀器的單色光源。12.1 光電式傳感器12.1.1 概述2）光源(3) 發(fā)光二極管(LED，Light Emitting Diode)特點(diǎn)：由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，工作電壓低、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕。伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度不同，其開(kāi)啟（點(diǎn)亮）電壓略有差異。紅色的砷磷化鎵LED開(kāi)啟電壓約為1.7V，綠色的約2.2V。LED的典型光譜特性：如圖，GaAsP的曲線有兩根，其材質(zhì)成分差異導(dǎo)致不同峰值波長(zhǎng)(p)。 p決定發(fā)光顏色，峰寬()決定光的色彩純度，越小，光色越純。/nm.2.4.6.8 1. 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmG

5、aAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs相對(duì)靈敏度12.1 光電式傳感器12.1.1 概述2) 光源(4) 激光器 激光具有高方向性、高單色性和高亮度三個(gè)重要特性，其波長(zhǎng)從0.24m到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。按工作物質(zhì)分類：固體激光器(如紅寶石激光器)：小而堅(jiān)固、功率高氣體激光器(如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器):能連續(xù)工作，單色性好。波長(zhǎng)覆蓋從紫外到遠(yuǎn)紅外的頻譜區(qū)域。半導(dǎo)體(LED)激光器(如砷化鎵激光器):效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。液體激光器：波長(zhǎng)可在一定范圍調(diào)節(jié)，且效率不會(huì)降低。12.1 光電式傳感器12.1.2 光電效應(yīng) 物體吸收光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量

6、，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)是光敏元實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的物理基礎(chǔ)，光電式傳感器的工作原理基于某些物質(zhì)的光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)。1）外光電效應(yīng) 在光照射下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也叫光電發(fā)射效應(yīng)。其中，向外發(fā)射的電子稱為光電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱為光電材料。 基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。 光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量E=h，其中，h=6.62610-34Js，是普朗克常數(shù)；是光的頻率(s-1)。12.1 光電式傳感器12.1.2 光電效應(yīng)1）外光電效應(yīng) 根據(jù)愛(ài)因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能

7、量，要使一個(gè)電子從物體表面逸出，光子能量必須大于該物體的表面逸出功，超過(guò)部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。光電子的產(chǎn)生取決于其能量是否大于物體的表面電子逸出功。不同物質(zhì)有不同的逸出功，即每種物質(zhì)都有其對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為“紅限”頻率或波長(zhǎng)限。 光頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光微弱，也有光電子射出。 入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。光強(qiáng)愈大，則光子數(shù)目越多，逸出電子數(shù)也就越多。12.1 光電式傳感器12.1.2 光電效應(yīng)2）內(nèi)光電效應(yīng) 在光照射下，物體內(nèi)的電子不能逸出物

8、體表面，而使物體的電導(dǎo)率變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。此現(xiàn)象多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。 內(nèi)光電效應(yīng)可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。(1) 光電導(dǎo)效應(yīng) 在光作用下，電子吸收光子能量后從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，引起材料電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。 為實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg。對(duì)于一種光電導(dǎo)材料，只有波長(zhǎng)小于波長(zhǎng)限0的光照射，才能產(chǎn)生電子能級(jí)的躍進(jìn)，從而使電導(dǎo)率增加。自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶Eg12.1 光電式傳感器12.1.2 光電效應(yīng)2）內(nèi)光電效應(yīng)(2) 光生伏特效應(yīng) 光作用下使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。情況1：半

9、導(dǎo)體的光敏面受光照不均勻時(shí)，光照部分吸收光子能量產(chǎn)生光電子，使其電子濃度高于未照部分，出現(xiàn)濃度梯度，形成載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。由于電子的遷移率高于空穴，電子首先流向未光照部分，使光照部分帶負(fù)電，未照部分帶正電，形成光電動(dòng)勢(shì)。(丹培效應(yīng))情況2：光照射PN結(jié)的結(jié)區(qū)使兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。入射到PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)的光子激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和價(jià)帶的自由空穴在結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，電子被推向N區(qū)，空穴被推向P區(qū)，從而使P區(qū)帶正電、N區(qū)帶負(fù)電。光電子在N區(qū)積累，空穴在P區(qū)積累，使PN結(jié)兩端形成電位差，從而產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。若用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū)，電路中有光電流流過(guò)。(勢(shì)磊效應(yīng))12.1 光電式傳感器12.1.3 光電器件1）

10、外光電效應(yīng)器件(1) 光電管的結(jié)構(gòu)及原理 光電管由個(gè)涂有光電材料的陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，陽(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形置于玻璃管的中央。真空光電管的結(jié)構(gòu)如圖所示。(2) 光電倍增管的結(jié)構(gòu)及原理 光電倍增管由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽(yáng)極三部分組成。它利用二次電子釋放效應(yīng)將光電信號(hào)進(jìn)行放大。12.1 光電式傳感器12.1.3 光電器件2）內(nèi)光電效應(yīng)器件-光電導(dǎo)器件(1) 光敏電阻 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是基于光電導(dǎo)效應(yīng)原理制成的器件，幾乎都用半導(dǎo)體材料制成，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，如圖所示。工作原理：當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻的阻

11、值很高；當(dāng)其受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，光子的能量大于材料的禁帶寬度，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出導(dǎo)電的電子空穴對(duì)，使電阻降低；光愈強(qiáng)，激發(fā)出的電子空穴對(duì)越多，電阻值越低；光照停止，自由電子與空穴復(fù)合，導(dǎo)電性能下降，電阻恢復(fù)原值。A光導(dǎo)電材料絕緣襯低引線電極引線光電導(dǎo)體12.1 光電式傳感器12.1.3 光電器件2）內(nèi)光電效應(yīng)器件(1) 光敏電阻 因濕度影響光敏電阻的靈敏度，需要將光電導(dǎo)體密封在玻殼中。典型的結(jié)構(gòu)和符號(hào)及電路如圖所示。參數(shù)：暗電阻、暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗(無(wú)光照射)后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值稱暗電阻，此時(shí)在給定電壓下流過(guò)的電流稱暗電流。亮電流：光敏電阻

12、在某一光照下的阻值稱為該光照下的亮電阻。此時(shí)流過(guò)的電流為亮電流。光電流：亮電流與暗電流之差。暗電阻越大、亮電阻越小，也即暗電流越小，光電流越大，性能越好。RG1234567(a)結(jié)構(gòu) (b)電極 (c)符號(hào)RGRLEI12.1 光電式傳感器12.1.3 光電器件2）內(nèi)光電效應(yīng)器件(2) 光電池的結(jié)構(gòu)及原理 光照下光電池直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢(shì)，實(shí)質(zhì)是電壓源. 硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散法摻入一些P型雜質(zhì)(例如硼)形成PN結(jié)，如下左圖所示。光照射在PN結(jié)上時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度，則在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電

13、，因而PN結(jié)產(chǎn)生電勢(shì)。當(dāng)光照到PN結(jié)時(shí)，若在兩級(jí)間串接負(fù)載，電路中產(chǎn)生電流，如下中圖所示。其符號(hào)、電路如下右圖所示。IU(a)(b)12.1 光電式傳感器12.1.3 光電器件2）內(nèi)光電效應(yīng)器件(3) 光敏二極管 和光電池一樣，光敏二極管的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN結(jié)，與光電池不同的是其結(jié)面積小，因此其頻率特性好。 工作于光伏模式的光敏二極管的光生電勢(shì)與光電池的相同，但輸出電流比光電池的小，一般為幾A到幾十A。 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與普通半導(dǎo)體二極管類似的，裝在透明玻殼中，PN結(jié)裝在管芯頂部，接受光照射。12.1 光電式傳感器光敏二極管的結(jié)構(gòu)圖12.1.3 光電器件2）內(nèi)光電效應(yīng)器件(3) 光敏二極管 光

14、敏二極管符號(hào)如下左圖所示。 基于光電導(dǎo)效應(yīng)工作的光敏二極管在電路中處于反向偏置電壓狀態(tài)，其電路如下右圖所示。 光敏二極管無(wú)光照時(shí)反向電阻很大、反向電流即暗電流很小，有光照時(shí)的工作原理與光電池的相似。其光電流與光照度之間呈線性關(guān)系，適合用于模擬量檢測(cè)等應(yīng)用。PN光光敏二極管符號(hào)RL 光PN光敏二極管接線12.1 光電式傳感器12.1.3 光電器件2）內(nèi)光電效應(yīng)器件(4) 光敏三極管的結(jié)構(gòu)及原理 光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，其結(jié)構(gòu)與一般三極管相似，有電流增益，其發(fā)射極一邊很大，以擴(kuò)大光照射面積，一般不接基極引線，也有帶基極引線的。 當(dāng)集電極加正電壓, 基極開(kāi)路時(shí)，集電極處反偏狀態(tài)。當(dāng)光照射

15、在集電極的結(jié)區(qū)時(shí)產(chǎn)生電子 - 空穴對(duì)，在內(nèi)電場(chǎng)作用下，光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，大量電子流向集電極,形成輸出電流，集電極電流為光電流的倍。PPNNNPe b bc RL Eec12.1 光電式傳感器12.1.3 光電器件3）光電器件的主要特性* 光電器件的主要特性參數(shù)反映了其工作性能。(1) 光照特性 反映器件的輸入光量與輸出光電流(光電壓)之間的關(guān)系; 靈敏度可用光照特性表征。 光照特性常用響應(yīng)率R描述。對(duì)光生電流器件，輸出電流I與光輸入功率Pi之比稱為電流響應(yīng)率Ri；對(duì)光生伏特器件，輸出電壓Up與光輸入功率Pi之比稱為電壓響應(yīng)率Ru。 典型器件的光照特

16、性的非線性比較與適用范圍。12.1 光電式傳感器(a)光敏電阻 (b)光敏二極管 (c)光電池12.1.3 光電器件3）光電器件的主要特性*(2) 光譜特性 光譜特性指光電器件的相對(duì)靈敏度與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系，又稱光譜響應(yīng)。材料不同，器件的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)不同。 為提高光電傳感器靈敏度，對(duì)包含光源與光電器件的傳感器，應(yīng)根據(jù)器件的光譜特性合理選配光源和光電器件；對(duì)被測(cè)體本身作光源的傳感器，則應(yīng)按被測(cè)體的輻射光波長(zhǎng)選擇光電器件。 下圖給出典型器件的光普特性，不同器件的特點(diǎn)不同。12.1 光電式傳感器12.1.3 光電器件3）光電器件的主要特性*(3) 響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間反映器件的動(dòng)態(tài)特性。響應(yīng)時(shí)間短則動(dòng)

17、態(tài)特性好。采用調(diào)制光的傳感器，調(diào)制頻率上限受器件響應(yīng)時(shí)間限制。 如圖所示，光敏電阻響應(yīng)時(shí)間一般為10-110-5s，光敏三極管約20s。光敏二極管的響應(yīng)速度比光敏三極管高一數(shù)量級(jí)，硅管比鍺管高一數(shù)量級(jí)。響應(yīng)時(shí)間與負(fù)載有關(guān)，負(fù)載小的響應(yīng)快。應(yīng)根據(jù)性能需求與器件的響應(yīng)時(shí)間來(lái)選擇光敏器件12.1 光電式傳感器12.1.3 光電器件3）光電器件的主要特性*(4) 溫度特性 溫度變化既影響光電器件的靈敏度，也影響光譜特性。下圖為硫化鉛（PbS）的光譜溫度特性。 可見(jiàn)，光譜響應(yīng)峰值隨溫度升高而向短波方向移動(dòng)。降溫是提高光敏電阻對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)響應(yīng)的有效措施。在室溫下工作的光電器件由于靈敏度隨溫度而變，因此高精度檢

18、測(cè)時(shí)，有必要進(jìn)行溫度補(bǔ)償或在恒溫下工作。 根據(jù)應(yīng)用環(huán)境與性能要求選擇適當(dāng)方法補(bǔ)償溫度影響。12.1 光電式傳感器12.1.3 光電器件3）光電器件的主要特性*(4)伏安特性 在一定的光照下，對(duì)光電器件所加端電壓與光電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。它是傳感器設(shè)計(jì)時(shí)選擇工作狀態(tài)的電參數(shù)的依據(jù)。使用時(shí)應(yīng)注意不要超過(guò)器件最大允許的功耗。 由圖可見(jiàn)，光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其I-U曲線為直線。硫化鎘光敏電阻的伏安特性硅光敏二極管; 硅光敏晶體管12.1 光電式傳感器12.1.3 其他典型光電器件1）光電耦合器件 光電耦合器(光電隔離器)是利用發(fā)光元件與光敏元件封裝為一體而構(gòu)成的電-光-電轉(zhuǎn)換器件。加到發(fā)

19、光器件上的電信號(hào)為耦合器的輸入信號(hào)，接收器件輸出的信號(hào)為耦合器的輸出信號(hào)。有信號(hào)電壓加到光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)光器件發(fā)光，光敏管受光照而產(chǎn)生光電流，使輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了電-光-電的傳輸和轉(zhuǎn)換。 根據(jù)結(jié)構(gòu)與用途不同，光電耦合器可分為光電隔離器和光電開(kāi)關(guān)兩類。光電隔離器主要用于實(shí)現(xiàn)電路間的電氣隔離和消除噪聲影響；光電開(kāi)關(guān)主要用于物位檢測(cè)等場(chǎng)合。 (1) 光電隔離器 光電隔離器由發(fā)光二極管和光敏晶體管封裝在同一個(gè)管殼內(nèi)組成，在裝配上要使LED輻射能量能有效地耦合到光敏晶體管上。 12.1 光電式傳感器12.1.3 其他典型光電器件1）光電耦合器件 如圖所示為光電耦合器的幾種基本組合

20、。 選用哪種形式的光電隔離器要根據(jù)使用要求和目的確定。 光電隔離器的主要應(yīng)用方面：(1) 將輸入與輸出端兩部分電路的地線分隔開(kāi)，并各自使用一套電源供電，如右圖所示。12.1 光電式傳感器12.1.3 其他典型光電器件1）光電耦合器件光電隔離器的主要應(yīng)用方面：(2) 實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。如圖所示(3) 提高驅(qū)動(dòng)能力。 12.1 光電式傳感器12.1.3 其他典型光電器件2）光電開(kāi)關(guān) 光電開(kāi)關(guān)是通過(guò)把光的強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)變化，并以此來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的一種電子開(kāi)關(guān)。 光電開(kāi)關(guān)按結(jié)構(gòu)和工作方式的不同，可分為溝式、對(duì)射式、反光板反射式、擴(kuò)散反射式、聚焦式、光纖式等類型。 對(duì)射式開(kāi)關(guān)是將發(fā)光元件與接收元件分離，加

21、大了檢測(cè)距離，圖a所示為對(duì)射式的工作原理圖。 反光式開(kāi)關(guān)將發(fā)光與接收元件安裝在一起，并在光路設(shè)計(jì)上保證各自的光軸相交于對(duì)應(yīng)的反光板，如圖b所示。12.1 光電式傳感器12.1.3 其他典型光電器件2）光電開(kāi)關(guān) 如圖所示為幾種光電開(kāi)關(guān)的工作示意圖。12.1 光電式傳感器12.1.3 其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD） 電荷耦合器件(Charge Coupled Devices，CCD)是一種在20世紀(jì)70年代初問(wèn)世的新型半導(dǎo)體器件。利用CCD作為轉(zhuǎn)換器件的傳感器，稱為CCD傳感器，或稱CCD圖像傳感器。 CCD器件有兩個(gè)特點(diǎn)：一是它在半導(dǎo)體硅片上制有成百上千個(gè)(甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè))光敏元，它們

22、按線陣或面陣有規(guī)則地排列。二是它具有自掃描能力，亦即將光敏元上產(chǎn)生的光生電荷依次有規(guī)則地串行輸出，輸出的幅值與對(duì)應(yīng)的光敏元上的電荷量成正比。(1) 電荷耦合器件結(jié)構(gòu)與原理 電荷耦合器件分為線陣器件和面陣器件兩種，其基本組成部分是MOS光敏元列陣和讀出移位寄存器。12.1 光電式傳感器12.1.3 其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）（1）電荷耦合器件結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)：電荷耦合單元是組成CCD的基本單元，這種基本單元實(shí)際是MOS電容器。以P型（或N型）半導(dǎo)體為襯底，上面覆蓋一層厚度約120nm的SiO2，再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極構(gòu)成MOS電容轉(zhuǎn)移器件。 一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)光敏

23、元或一個(gè)像素。將MOS陣列加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成CCD器件。 下圖為MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的結(jié)構(gòu)及勢(shì)阱圖。12.1 光電式傳感器12.1.3 其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）（1）電荷耦合器件結(jié)構(gòu)與原理工作原理：MOS電容器存儲(chǔ)電荷，若半導(dǎo)體是P型硅，在金屬電極上加正電壓Ug時(shí)，P型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受排斥，少數(shù)載流子(電子)吸引到P-SiO界面處，在界面附近形成一帶負(fù)電的耗盡區(qū)，稱表面勢(shì)阱。 光照產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，光生電子被附近的勢(shì)阱吸收，且吸收的光生電子數(shù)與入射到該勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。 勢(shì)阱存儲(chǔ)了電荷，同時(shí)產(chǎn)生的空穴被排斥出耗

24、盡區(qū)。一定條件下，所加正電壓Ug越大，耗盡層越深，Si表面吸收少數(shù)載流子，表面勢(shì)(半導(dǎo)體表面對(duì)于襯底的電勢(shì)差)也越大，勢(shì)阱容納的少數(shù)載流子電荷量越大。 12.1 光電式傳感器12.1.3 其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）（1）電荷耦合器件結(jié)構(gòu)與原理 讀出移位寄存器工作原理：MOS電容器用同一半導(dǎo)體襯底制成，襯底上涂覆一層氧化層，并在其上制作許多相互絕緣的金屬電極，相鄰電極之間僅隔極小距離。對(duì)于可移動(dòng)的電荷信號(hào)都將力圖向表面勢(shì)大的位置移動(dòng)。為保證信號(hào)電荷按確定方向和路線轉(zhuǎn)移，在各電極上所加的電壓嚴(yán)格滿足相位要求，如下圖所示為以三相配線連接的讀出移位寄存器的結(jié)構(gòu)及控制時(shí)鐘波形。以此為例可

25、說(shuō)明電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程。12.1 光電式傳感器12.1.3 其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）(2) 線型CCD圖像傳感器 一列光敏元與一列移位寄存器并行且對(duì)應(yīng)構(gòu)成。兩者之間有一轉(zhuǎn)移控制柵，各光敏元都有一梳狀公共電極，由一個(gè)P型溝阻隔離。光敏元陣列有光照且梳狀電極加高電壓時(shí)，光敏元進(jìn)行光積分。積分結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)移柵的電壓提高(平時(shí)為低)，與移位寄存器對(duì)應(yīng)的電極同時(shí)處于高電壓。然后降低梳狀電極電壓，各光敏元中所積光電荷并行轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。轉(zhuǎn)移完畢，轉(zhuǎn)移柵電壓降低，梳妝電極電壓回復(fù)原高電壓狀態(tài)，準(zhǔn)備下一次光積分。同時(shí)，給移位寄存器加時(shí)鐘脈沖，將存儲(chǔ)電荷從寄存器轉(zhuǎn)移至輸出端。重復(fù)該過(guò)程得到相繼

26、的行輸出，從而讀出電荷圖形。轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)輸出12.1 光電式傳感器12.1.3 其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）(3) 面型CCD圖像傳感器 這種圖像傳感器由感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成?，F(xiàn)有三種典型結(jié)構(gòu)形式，其中行掃描型的如圖所示。 圖示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元信息轉(zhuǎn)移到水平方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號(hào)由信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號(hào)。該結(jié)構(gòu)方式的不足是易引起圖像模糊。二相驅(qū)動(dòng)視頻輸出行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅(qū)動(dòng)感光區(qū)12.1 光電式傳感器12.1.3 其他

27、典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）(4) CCD傳感器的應(yīng)用 CCD傳感器利用光敏元的光電轉(zhuǎn)換功能將射到光敏元件上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)“圖像”，即光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的、大小不等的電荷包空間分布，然后經(jīng)讀出移位寄存器的移位功能將電信號(hào)“圖像”轉(zhuǎn)送，并經(jīng)放大器輸出。CCD傳感器主要分為線陣、面陣兩種。 在非電量的測(cè)量中，CCD傳感器的三個(gè)主要用途：I. 組成測(cè)試儀器，可以測(cè)量物位、尺寸、工件損傷、自動(dòng)焦點(diǎn)等。II.用作光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，例如用于傳真技術(shù)、光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)(OCR)與圖像識(shí)別技術(shù)、光譜測(cè)量及空間遙感技術(shù)、機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)等方面。12.1 光電式傳感器12.

28、1.3 其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）(4) CCD傳感器的應(yīng)用CCD傳感器的三個(gè)主要用途： III. 作為自動(dòng)化流水線裝置中的敏感器件，例如可用于機(jī)床、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)搬運(yùn)車以及自動(dòng)監(jiān)視裝置等方面。如圖所示為用線陣CCD傳感器測(cè)量物體尺寸的基本原理。 12.1 光電式傳感器12.1.4 光電傳感器的應(yīng)用1）光電傳感器的構(gòu)成與類型除光源、光電探測(cè)器外，根據(jù)不同的光學(xué)測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)類型，光電傳感器還包括光學(xué)元件或系統(tǒng)、測(cè)量電路。光電傳感器中必須采用一定的光學(xué)元件，并按一些光學(xué)定律和原理構(gòu)成各種各樣的光路。常用光學(xué)元件有各種反射鏡和透鏡。要使光電傳感器能很好地工作，除合理選用光電轉(zhuǎn)換元

29、件，配備合適光源外，還需配備合適測(cè)量線路。測(cè)量線路主要根據(jù)所用光電器件及其工作方式選擇設(shè)計(jì)相應(yīng)的基本測(cè)量電路。類型：按輸出量性質(zhì)不同有模擬式和開(kāi)關(guān)式光電傳感器。12.1 光電式傳感器12.1.4 光電傳感器的應(yīng)用1）光電傳感器的構(gòu)成與類型1）模擬式傳感器將被測(cè)量被轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化光電流，要求光敏元件為線性，光源均勻恒定。其工作方式如下：(1)被測(cè)物本身是光輻射源，直接由光敏元件接收。如光電高溫計(jì)、紅外偵察、紅外遙感和天文探測(cè)等。(2)被測(cè)物體位于恒定光源與光敏元件之間，根據(jù)被測(cè)物對(duì)光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來(lái)測(cè)定被測(cè)參數(shù)。如測(cè)液體、氣體的透明度、混濁度，氣體成分分析等。(3)恒定光源釋出的光投

30、射到被測(cè)體上，再?gòu)钠浔砻娣瓷涞焦饷粼?，根?jù)反射的光通量多少測(cè)定被測(cè)物表面性質(zhì)和狀態(tài)。例如測(cè)零件表面缺陷、表面位移以及表面白度、露點(diǎn)、濕度等。12.1 光電式傳感器12.1.4 光電傳感器的應(yīng)用1）光電傳感器的構(gòu)成與類型(4)被測(cè)物位于恒定光源與光敏元件之間，根據(jù)被測(cè)物阻檔光通量的多少測(cè)定被測(cè)參數(shù)。如測(cè)長(zhǎng)度、厚度、線位移、角位移和角速度等。這種傳感器將被測(cè)對(duì)象作為光閘，主要用于測(cè)小孔、狹縫、細(xì)絲直徑等。(5)時(shí)差測(cè)距 恒定光源的光投射于目的物，再反射至光電元件，根據(jù)發(fā)射與接收之間的時(shí)差測(cè)距離。如光電測(cè)距儀。 2）開(kāi)關(guān)式光電傳感器 利用光敏元件光照或無(wú)光照時(shí)的“有”、“無(wú)”電信號(hào)輸出特性將被測(cè)

31、量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化信號(hào)。要求光敏元件靈敏度高，對(duì)光照特性線性要求不高。主要用于零件或產(chǎn)品自動(dòng)記數(shù)、光控開(kāi)關(guān)、計(jì)算機(jī)的光電輸入、光電編碼器及光電報(bào)警等。12.1 光電式傳感器12.1.4 光電傳感器的應(yīng)用2）光電式傳感器的其它應(yīng)用 (1) 反射式模擬光電傳感器 右圖所示為反射式模擬光電傳感器用于檢測(cè)工件表面粗糙度或表面缺陷的原理圖。(2) 透射式光電傳感器 如下圖所示為透射式光電傳感器用于檢測(cè)工件孔徑或狹縫寬度的原理圖。 12.1 光電式傳感器12.1.4 光電傳感器的應(yīng)用2）光電式傳感器的其它應(yīng)用 (3) 線紋瞄準(zhǔn)用光電傳感器 下圖所示為線紋瞄準(zhǔn)用光電傳感器原理圖。12.1 光電式傳感器12.1

32、.4 光電傳感器的應(yīng)用2）光電式傳感器的其它應(yīng)用 (4) 脈沖式光電傳感器 脈沖式光電傳感器的工作方式是使光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即“通”與“斷”的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以光電元件運(yùn)用在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 脈沖式光電傳感器可以用來(lái)測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)速。工作原理如圖所示。12.1 光電式傳感器12.1.4 光電傳感器的應(yīng)用2）光電式傳感器的其它應(yīng)用 (5) 煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀 煙道里的煙塵濁度是通過(guò)光在煙道里傳輸過(guò)程中的變化大小來(lái)檢測(cè)的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測(cè)器上的光減少，因而光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。 下圖所示為吸收式煙塵濁度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組

33、成框圖。 12.1 光電式傳感器12.1.4 光電傳感器的應(yīng)用2）光電式傳感器的其它應(yīng)用 (6) 燈光亮度自動(dòng)控制器 控制器主要由環(huán)境光照檢測(cè)電橋、放大器A、積分器、比較器、過(guò)零檢測(cè)器、鋸齒波形成電路、雙向晶閘管V等組成，電路框圖如圖所示。 12.1 光電式傳感器12.2 紅外傳感器12.2.1 概述1）紅外線 人眼能看到的可見(jiàn)光按波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短排列，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。紅光的波長(zhǎng)范圍0.620.76m。紅外線是一種不可見(jiàn)光，因位于可見(jiàn)光中紅色光以外(波長(zhǎng)大于紅光波長(zhǎng))的光線而稱紅外線。紅外線在電磁波譜中的位置如圖所示。12.2.1 概述2）紅外線的性質(zhì)及特點(diǎn)(1) 性質(zhì) 紅外輻射

34、的物理本質(zhì)是熱輻射，一個(gè)熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過(guò)紅外線輻射出來(lái)的。自然界中高于0 K的任何物體都能輻射紅外光。物體的溫度越高，輻射出來(lái)的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。 紅外光的本質(zhì)與可見(jiàn)光或電磁波性質(zhì)一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。 紅外光在介質(zhì)中傳播會(huì)產(chǎn)生衰減。其中，金屬對(duì)紅外輻射衰減非常大，多數(shù)半導(dǎo)體和一些塑料能透過(guò)紅外輻射；大多數(shù)液體對(duì)紅外輻射的吸收非常大；不同的氣體對(duì)其吸收程度不同。大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外光存在不同的吸收帶。12.2 紅外傳感器12.2.1 概述2）紅外線的性質(zhì)及特點(diǎn)(2) 主要特點(diǎn)易于產(chǎn)生，容易接

35、收； 采用紅外LED，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于小型化，且成本低； 調(diào)制簡(jiǎn)單，依靠調(diào)制信號(hào)編碼可實(shí)現(xiàn)多路控制； 不能通過(guò)遮擋物，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)串?dāng)_等誤動(dòng)作； 功率消耗小，反應(yīng)速度快； 對(duì)環(huán)境無(wú)污染，對(duì)人、物無(wú)損害； 抗干擾能力強(qiáng)。12.2 紅外傳感器12.2.2 紅外探測(cè)器 紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成，其核心是紅外探測(cè)器。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來(lái)探測(cè)紅外輻射。按探測(cè)機(jī)理的不同，分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。熱探測(cè)器 其工作原理是利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫升，進(jìn)而使某些物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)變化確定探測(cè)

36、器所吸收的紅外輻射。主要類型：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。光子探測(cè)器 其工作原理是利用入射光輻射的光子流與探測(cè)器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為光子效應(yīng)。12.2 紅外傳感器12.2.2 紅外探測(cè)器熱釋電型探測(cè)器原理*熱釋電效應(yīng)：石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產(chǎn)生溫度變化時(shí)，其原子排列變化，晶體自然極化使兩個(gè)極化面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。熱釋電探測(cè)器原理：基于熱釋電效應(yīng)制成的“鐵電體”的極化強(qiáng)度（單位面積的電荷）與溫度有關(guān)。紅外線照到已極化的鐵電體薄片表面時(shí)使薄片升溫、其極化強(qiáng)度下降，表面電荷減少，相當(dāng)于釋放部分電荷，所以稱熱釋電型器件。 將

37、負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連，負(fù)載電阻上產(chǎn)生電信號(hào)輸出，信號(hào)強(qiáng)弱取決于薄片溫度變化快慢，從而反映入射紅外的強(qiáng)弱，熱釋電型探測(cè)器的電壓響應(yīng)率正比于入射光輻射率變化率。 熱釋電效應(yīng)示意圖 鈦酸鋇的熱釋電系數(shù)基本變化規(guī)律 12.2.2 紅外探測(cè)器熱釋電紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)*特殊問(wèn)題* 熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的極化電荷不能永存，由于處于器件表面，如果就此擱置，必然被空氣中各種離子復(fù)合而使器件仍呈電中性。所以，一般要在器件前方加裝一個(gè)周期性遮斷被測(cè)紅外光的機(jī)械裝置，使器件接受紅外光而引起的溫度作周期性變化，使得測(cè)量過(guò)程中始終存在比例于紅外光強(qiáng)的極化電荷。熱釋電式紅外光敏元件構(gòu)造及其構(gòu)成的電路(a)樹(shù)脂成型式；(b)微透鏡

38、式；(c)電路構(gòu)成 12.2.3 紅外探測(cè)的原理1）相關(guān)概念紅外光的最大特點(diǎn)：具有光熱效應(yīng)、輻射熱量。紅外光照射到不同物體上產(chǎn)生的光熱效應(yīng)不同。能全部吸收投射到它表面的紅外輻射的物體稱為黑體；能全部反射紅外輻射的物體稱為鏡體；能全部透過(guò)紅外輻射的物體稱為透明體；能部分反射、部分吸收紅外輻射的物體稱為灰體。自然界中并不存在理想的黑體、鏡體和透明體。12.2 紅外傳感器12.2.3 紅外探測(cè)的原理2）測(cè)溫原理紅外輻射的基本定律是紅外測(cè)溫的基礎(chǔ)。 （1）基爾霍夫定律物體向周圍輻射熱能的同時(shí)也吸收周圍物體的輻射能，即 M(T) =(T) M0(T) M0(T)為黑體(理想物)在溫度T時(shí)單位面積內(nèi)的光譜

39、輻射功率,或稱輻射出射度；(T)為物體的吸收率，黑體的(T)=1, 非黑體的(T)n2）時(shí)，一部分入射光以折射角2折射入介質(zhì)2，其余部分以1反射回介質(zhì)1。 依據(jù)光折射和反射的斯涅爾（Snell）定律，有：(1)當(dāng)1角逐漸增大至1=2時(shí)，透射入介質(zhì)2的折射光也逐漸折向界面，直至沿界面?zhèn)鞑?2=90)。對(duì)應(yīng)于2 =90時(shí)的入射角1稱為臨界角c。(2)當(dāng)1c時(shí)，光線不再折射入介質(zhì)2，而在介質(zhì)1內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全反射，直至由終端面射出。12.3 光纖傳感器12.3.3 光纖的傳光原理 實(shí)際關(guān)心光以多大角度射入光纖時(shí)，能使折射光完全在纖芯中傳播，即上圖中光線入射角0什么情況下使1c 。 設(shè)光從空氣(折射

40、率n0)射入纖芯(折射率n1)端面，包層的折射率為n2, 根據(jù)Snell定律有: n0sin0 =n1sin(901)= n1cos1；要形成全反射，須滿足n1sin1n2。由上述兩個(gè)關(guān)系式可得：因此，入射角的最大值為0max=argsin( )。定義sin0max為光纖的數(shù)值孔徑(NA)，則NA=空氣的折射率n0為1，光纖的NA值由材料的折射率決定。NA大，則0max大，因此NA代表了光纖的集光能力。12.3 光纖傳感器12.3.4 光纖的特性(1) 光纖損耗光纖傳輸光時(shí)，隨傳輸距離增加其功率逐漸減小的現(xiàn)象。損耗用損耗系數(shù)表示。設(shè)Pi和Po分別為光纖入射端和出射端的光功率，則有： =(10/

41、L)log(Pi/Po)主要原因: 光纖材料的吸收（變熱能）；散射作用（材料不均或尺寸缺陷引起）；光纖在使用過(guò)程中由于連接、彎曲（影響全反射）而導(dǎo)致的附加光功率損失。12.3 光纖傳感器12.3.4 光纖的特性(2) 色散隨著光纖中傳輸光信號(hào)的距離增加，由不同成分的光傳輸時(shí)延不同引起的脈沖展寬效應(yīng)。色散用時(shí)延差表示，即光脈沖中不同模式或不同波長(zhǎng)成分傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時(shí)差。色散主要影響系統(tǒng)的傳輸容量及中繼距離。色散類型： 模式色散-多模式傳播時(shí)延不同而產(chǎn)生； 材料色散-光纖折射率隨波長(zhǎng)變化使模式內(nèi)不同波長(zhǎng)的光時(shí)延不同。 波導(dǎo)色散-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)而產(chǎn)生。12.3 光纖傳感器12.3.4 光纖的組成與分類1）光纖傳感器的組成 光纖傳感器系統(tǒng)包括了光源、光纖、傳感頭、光探測(cè)器和信號(hào)處理電路等5個(gè)部分。 光源相當(dāng)于一個(gè)信號(hào)源，負(fù)責(zé)信號(hào)的發(fā)射；光纖是傳輸媒質(zhì)，負(fù)責(zé)信號(hào)的傳輸；傳感頭感知外界信息，相當(dāng)于調(diào)制器；光探測(cè)器負(fù)責(zé)信號(hào)轉(zhuǎn)換，將光纖送來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；信號(hào)處理電路的功能是還原外界信息，相當(dāng)于解調(diào)器。12.3 光纖傳感器12.3.4 光纖傳感器的組成與分類2）光纖傳感器的類型 光纖傳感器按照