新型傳感器第二章1444課件

第二章新型固態(tài)光電傳感器

§2.2普通光敏器件陣列§2.3自掃描光電二極管陣列(SSPD)§2.4光電位置傳感器(PSD)＊＊＊＊§2.1概述概述利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)來接受和探測(cè)光信號(hào)為電信號(hào)的功能器件。什么是新型固態(tài)光電傳感器？★定義：光敏器件包括光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管及線性光敏傳感器等。已從可見光波段，延伸到紅外光區(qū)和紫外光區(qū)。

★探測(cè)光源的波長：紅外夜視鏡§2。1普通光敏器件陣列一、象限探測(cè)器------將整塊的光敏器件敏感面分隔成若干面，利用光電效應(yīng)來探測(cè)光信號(hào)?！镌恚?。。。有光敏電阻、光電二極管、硅光電池等?！锏湫偷墓饷羝骷?1)光敏電阻結(jié)構(gòu)、外形：二、坐標(biāo)測(cè)量原理分析1、直差測(cè)量XYucuAuBuD4132÷÷3421直差電路uDucuA-uCuA+uB

+uc+

uD)(uAuBXYuB-uD二、坐標(biāo)測(cè)量原理分析2、和差測(cè)量XYucuBuD3124uA象限數(shù)

4光敏面直徑(mm)

14mmSPD-043A四象限光電探測(cè)器用途：0.4～1.1μm波長信號(hào)的優(yōu)良探測(cè)器，適用于光功率計(jì)、激光測(cè)距、測(cè)速、測(cè)角、光電探測(cè)、光電信息傳輸?shù)认到y(tǒng)特點(diǎn)：在低偏置電壓下可獲得較高的響應(yīng)度主要技術(shù)指標(biāo)：應(yīng)用舉例一種新型光電定向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

用來確定光點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量、光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)，一般用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤等方面。1基本原理

光電定向是指用光電系統(tǒng)測(cè)定目標(biāo)的方向，這是光學(xué)雷達(dá)和光學(xué)制導(dǎo)的重要組成部分[1]，利用光電系統(tǒng)可以直接、間接測(cè)定目標(biāo)的方向，該系統(tǒng)主要由發(fā)射部分、光電探測(cè)器，信號(hào)處理電路，A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)、計(jì)算機(jī)顯示器組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。應(yīng)用舉例小資料2具體實(shí)現(xiàn)

2.1發(fā)射部分

光發(fā)射電路主要由光源驅(qū)動(dòng)器、光源（主要是半導(dǎo)體光源，包括LED（發(fā)光二極管），LD（激光二極管）等）、光功率自動(dòng)控制電路等部分組成，我們用NE555組成的脈沖發(fā)射電路來驅(qū)動(dòng)650nm的激光器，為了使半導(dǎo)體激光器克服供電電源波動(dòng)、器件老化等因素的影響，確保激光器輸出功率穩(wěn)定，還必須有自動(dòng)功率控制電路。小資料3）實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的手動(dòng)跟蹤和自動(dòng)跟蹤。每個(gè)象限的光強(qiáng)伏值可以直接從單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)讀??；目標(biāo)光源的運(yùn)動(dòng)軌跡可以固定光斑的半徑，而通過確定光心位置坐標(biāo)的改變來觀察光源的運(yùn)動(dòng)軌跡，而且直觀地把目標(biāo)光源的中心坐標(biāo)顯示出來，但要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的手動(dòng)跟蹤和自動(dòng)跟蹤，則要通過手動(dòng)平移臺(tái)和電控平移臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)控制是希望通過在目標(biāo)控制界面下直接輸入目標(biāo)坐標(biāo)來直接定位探測(cè)器。在計(jì)算機(jī)中輸入目標(biāo)的坐標(biāo)，單片機(jī)接收上位機(jī)的指令，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，把從計(jì)算機(jī)讀入的數(shù)值和從步進(jìn)電機(jī)讀取的數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者在一個(gè)很小的誤差范圍內(nèi)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，而光斑也到了需要達(dá)到的位置，從而實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)控制。

自動(dòng)控制是指當(dāng)偏移目標(biāo)時(shí)，可以通過自動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到從計(jì)算機(jī)讀入的坐標(biāo)和從電控平移臺(tái)讀取的坐標(biāo)不一致時(shí)，就會(huì)給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)驅(qū)動(dòng)指令，從而控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動(dòng)控制。小資料三、光敏管陣列:

-----是將N個(gè)光敏管（光電二極管或光電三極管）集成在一個(gè)硅片上，將各管的每一同極端連接在一起，另一端各自單獨(dú)引出。1、定義：與分立光電二極管完全相同，只不過外型結(jié)構(gòu)不同而已。陣列的每一個(gè)光電管稱作象元，通常也稱它們?yōu)檫B續(xù)工作方式。

2、工作原理及特性：第二節(jié)自掃描光電二極管陣列(SSPD)SSPD的內(nèi)部集成了數(shù)字移位寄存器等電路，以電荷存貯方式工作。與普通光電管陣列相似，自掃描光電二極管(SSPD)也是將N個(gè)光電二極管集成在一個(gè)硅片上，但工作原理以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同。線陣的象元數(shù)有64、128、256、512、4096位等。分線陣、面陣以及其它形式的特殊列陣。簡(jiǎn)介：--------SelfScanningPhotodiodeArraySDGn-Si一、電荷存貯工作原理Ip+IDCdDpAlSiO2電荷儲(chǔ)存原理定性分析充電（預(yù)充電）積分充電（信號(hào)輸出）電荷儲(chǔ)存原理定量分析（二）Ts內(nèi)，交變照度E(t)產(chǎn)生的平均光生電流ＩｐCd上所釋放的電荷：Cd的電壓因放電而下降到Vcd：電荷儲(chǔ)存原理定量分析（三）Cd上補(bǔ)充的電荷等于曝光時(shí)釋放的電荷。充電電流在RL上的壓降等于光生電流在RL上的壓降，其最大值為：

VLmax=Vc

-Vcd=Q/Cd。負(fù)載電阻RL上的電流：二、SSPD器件移位寄存器：T1～TN掃描控制(負(fù)脈沖)。

S：幀起始脈沖，：時(shí)鐘信號(hào)

感光部分：D1～DN排列（即“線陣”）多路開關(guān)：T1～TN，漏極連在一起，組成視頻輸出線（即Vo）。采樣脈沖出現(xiàn)的瞬間(前后沿)，MOSFET形成微分狀尖脈沖，并串入視頻輸出信號(hào)，產(chǎn)生開關(guān)噪聲。輸出信號(hào)VO（T）T開關(guān)噪聲補(bǔ)償陣列產(chǎn)生相同的開關(guān)噪聲VN。VN和視頻輸出Vs送差分放大。陣列補(bǔ)償電路：第一位光電二極管輸出開關(guān)噪聲信號(hào)，抵消了相鄰位的開關(guān)噪聲。鄰近位補(bǔ)償電路：三、光電特性入射光的輻照度和積分時(shí)間Ts的乘積。曝光量H：光照引起SSPD器件的二極管輸出電荷Q正比于曝光量。曝光量H/lx.sCd能存儲(chǔ)的電荷量有限，曝光量達(dá)到某一值Hmax后，輸出電荷達(dá)到最大值Qmax

，稱Qmax稱為飽和電荷。若允許的最小起始脈沖周期為Tsmin

，那么飽和照度為：

Es=Hs/TsminHmax輸出電荷Q/pCQmax飽和曝光量Hmax結(jié)電容Cd的飽和電荷Qmax=Cd·Vc，因此，飽和曝光量為：可用于光信息處理；文字、圖像識(shí)別；傳真；尺寸和位置的不接觸測(cè)量；表面缺陷檢測(cè)；機(jī)器視覺、光譜配量檢測(cè)。I2I0I1第三節(jié)光電位置傳感器(PSD)一、PSD的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：在同一硅片上制作的三層結(jié)構(gòu)：LPNI+②①③P層：既是光敏層，又是高摻雜的均勻的電阻層。I層：接近本征的高阻層。N層：高摻雜的均勻的電阻層。XA--------PositionSensitiveDevice二、PSD的工作原理原理：光照射在光敏層上，入射點(diǎn)產(chǎn)生與光能成比例的電荷，并形成光電流通過電阻層由電極輸出。p層的電阻是均勻的，由電極①和②輸出的電流I1

、I2分別與光點(diǎn)到各電極的距離(電阻值)成反比。I2I0I1LPNI+②①③XA電極③上的電流為總電流I0，則I0＝I1+I2。設(shè)光點(diǎn)離中心點(diǎn)的距離為xA，有：進(jìn)而有：I2I0I1LPNI+②①③XA二、PSD及其等效電路一維PSD感光面：大多是細(xì)長矩形條。 等效電路：并聯(lián)電阻Rsh，電流源Ip

，理想二極管D，定位電阻RD

，結(jié)電容Cj入射光點(diǎn)的坐標(biāo)位置：123二維PSD電流分路少、靈敏度高，位置線性度和空間分辨率高。上表面形成電流Ix、Ix’，匯總后在下表面分解形成電流Iy、Iy’。上下表面都是均勻電阻層，并設(shè)電極。兩面分離型電流：特性：結(jié)構(gòu)：表面分離型結(jié)構(gòu)：上表面是均勻電阻層。電極在同一表面上。電流：光電流在上表面分解成：Ix、Ix’、Iy、Iy’，并作為位移信號(hào)輸出。特性：施加偏壓容易，暗電流小和響應(yīng)速度快。二維PSD暗電流小、響應(yīng)快、邊緣位置誤差小，易于加反偏電壓。改進(jìn)表面分離型結(jié)構(gòu)：改進(jìn)了光敏面和電極。電流：同表面分離型特性：二維PSD3、PSD轉(zhuǎn)換電路3123、PSD轉(zhuǎn)換電路3124

1）對(duì)光斑形狀無嚴(yán)格要求，只與光的能量中心位置有關(guān)，這給測(cè)量帶來很多方便。2）光敏面上無須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測(cè)量光斑位置，位置分辨率高，一維PSD可達(dá)0.2m；3）可同時(shí)檢測(cè)位置和光強(qiáng)：PSD器件輸出的總光電流與入射光強(qiáng)有關(guān)，而各信號(hào)電極輸出光電流之和等于總光電流，所以從總光電流可求得相應(yīng)的入射光強(qiáng)。4）光電位置傳感器被廣泛地應(yīng)用于激光束對(duì)準(zhǔn)、位移和振動(dòng)測(cè)量、平面度檢測(cè)、二維坐標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)等。ＰＳＤ與象限探測(cè)器相比，其特點(diǎn)是：應(yīng)用案例案例-----測(cè)距PSD可用于精密尺寸、三維空間位置和角度的測(cè)量,是近程(10m以內(nèi))實(shí)時(shí)測(cè)量飛行器位置和距離的極佳器件,如空中加油機(jī)等空間飛行器對(duì)接中可精確提供目標(biāo)的相對(duì)位置、距離及角度姿態(tài);空間光通信中位置誤差信號(hào)的提取等。隨著光電子技術(shù)和MEMS技術(shù)的結(jié)合,集成PSD器件系統(tǒng)的應(yīng)用將更加廣泛。第二章習(xí)題與思考1、什么是新型固態(tài)光電傳感器？2、光敏器件有哪些？列舉其應(yīng)用。4、SSPD的感光部分是什么？以什么方式工作3、光電位置傳感器的敏感元件是什么?5、簡(jiǎn)述光電位置傳感器(PSD）的結(jié)構(gòu)、工作原理、它能測(cè)哪些參數(shù)？。

轟-6最新改型是轟油-6空中加油機(jī)，該機(jī)在翼下加裝兩個(gè)軟式加油吊艙，能為殲-8ⅡD空中加油型戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行加油。該型號(hào)取消了機(jī)頭玻璃鑲嵌結(jié)構(gòu)的觀察轟炸艙、尾炮等，尾部觀察窗略有增大。該改型全機(jī)可載油37噸，輸油18.5噸，約夠6架殲-8D型機(jī)使用。對(duì)接操作通過儀表指引和目視控制。該型機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)為兩套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成，互為備用，加裝了兩套塔康導(dǎo)航系統(tǒng)，用于加、受油機(jī)空中測(cè)距和對(duì)地近程導(dǎo)航、定向儀。加裝航向姿態(tài)系統(tǒng)。機(jī)頭裝有氣象雷達(dá)。通信系統(tǒng)增加了兩套超短波單邊帶電臺(tái)、兩部保密電臺(tái)和救生電臺(tái)。電子對(duì)抗設(shè)備中增裝了雷達(dá)告警設(shè)備和箔條/紅外誘餌投放器。為了實(shí)施夜間加油，在左右掛架兩側(cè)、左右起落架短艙內(nèi)側(cè)的尾錐內(nèi)、后機(jī)務(wù)艙兩側(cè)各裝了一個(gè)白光燈。加油吊艙也裝有指示燈。

空中加油機(jī)

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用于在空中對(duì)飛行中的飛機(jī)補(bǔ)充燃油的飛機(jī)?？罩屑佑偷哪康氖窃龃箫w機(jī)的航程和續(xù)航時(shí)間?？罩屑佑图夹g(shù)起源于第一次世界大戰(zhàn)后美國的一種航空竟技活動(dòng)。1949年，英國和美國分別研制出實(shí)用的空中加油裝置。蘇聯(lián)也研制出類似插頭錐套式的裝置?？罩屑佑蜋C(jī)多由運(yùn)輸機(jī)或轟炸機(jī)改裝而成。所采用的空中加油裝置有兩類：①插入錐套式：加油機(jī)上裝有一根長20-30米的軟管。軟管一端與貯油箱相通，另一端裝一錐套，通過絞盤可以收放。受油機(jī)機(jī)頭或機(jī)翼前緣裝有一根可伸縮的或固定的受油管。受油機(jī)飛到加油機(jī)后下方適當(dāng)位置，將受油管伸進(jìn)錐套，