光電式傳感器與光纖傳感器

第7章光電式傳感器和光纖傳感器

將光量轉換為電量的器件稱為光電傳感器或光電元件。光電式傳感器的工作原理是：首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后通過光電轉換元件變換成電信號。光電傳感器的工作基礎是光電效應。7.1光電效應和光電器件

光電效應按其作用原理可分為外光電效應和內光電效應。一、外光電效應在光線作用下，物體內的電子逸出物體表面，向外發(fā)射的現象稱為外光電效應?；谕夤怆娦墓怆娖骷晒怆姽?、光電倍增管等。我們知道，光子是具有能量的粒子，每個光子具有的能力由下式確定。若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0時，電子就逸出物體表面，產生電子發(fā)射。故要使一個電子逸出，則光子能量hν必須超出逸出功A0，超過部分的能量，表現為逸出電子的動能。即二、內光電效應

受光照的物體導電率發(fā)生變化，或產生光生電動勢的效應叫內光電效應。內光電效應又可分為以下兩大類。1）光電導效應。在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化，這種效應稱為光電導效應?；谶@種效應的器件有光敏電阻等。2）光生伏特效應。在光線作用下能夠使物體產生一定方向電動勢的現象叫光生伏特效應?；谠撔钠骷泄怆姵睾凸饷艟w管等。三、光敏電阻為了防止周圍介質的影響,在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜,漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長范圍內透射率最大。1.光敏電阻的結構它是涂于玻璃底板上的一薄層半導體物質,半導體的兩端裝有金屬電極,金屬電極與引出線端相連接,光敏電阻就通過引出線端接入電路。2.光敏電阻的工作原理

光敏電阻又稱光導管,它幾乎都是用半導體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性,純粹是一個電阻器件,使用時既可加直流電壓,也可以加交流電壓。無光照時,光敏電阻值（暗電阻）很大,電路中電流（暗電流）很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時,它的阻值（亮電阻）急劇減少,電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好,亮電阻越小越好,此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級,亮電阻在幾千歐以下。3．光敏電阻的主要參數１）暗電阻光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻,此時流過的電流稱為暗電流。２）亮電阻光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻,此時流過的電流稱為亮電流。３）光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。4．光敏電阻的基本特性1）伏安特性：在一定照度下,流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系①一定光照，R一定，I正比于U。②一定電壓，I隨著光照E增強而增大。

E↑→R↓→I↑。2)光照特性（I～E）

光敏電阻的光照特性為非線性，不宜作檢測元件，主要用于自動控制中。3）光譜特性（Kr%）光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關系稱為光譜特性。亦稱為光譜響應。①不同材料，其峰值波長不同。②同一種材料，對不同波長的入射光，其相對靈敏度不同，響應電流不同。應根據光源的性質，選擇合適的光電元件（匹配）使光電元件得到較高得相對靈敏度。4）溫度特性溫度變化影響光敏電阻的光譜響應。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線,它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此,硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對于可見光的光敏電阻,其溫度影響要小一些。5.光敏電阻的應用1.光照度計農作物日照時數測定。輸出接單片機的I/O口，每2分鐘對此口查詢1次，為高電平，計數一次，為低電平，不計數。1天查詢720次。無光照V0=VL。有光照V0=VH。2.環(huán)境照度監(jiān)視器3.帶材跑偏檢測儀四、光敏二極管與三極管一.光敏二極管1.工作原理與結構光敏二極管的結構與普通二極管一樣，都有一個PN結，兩根電極引線，而且都是非線性器件，具有單向導電性。不同之處在于光敏二極管的PN結狀在管殼的頂部，可直接受到光的照射，其結構和電路如圖所示。沒有光照射時，處于反向偏置的光敏二極管，工作于截止狀態(tài),這時只有少數載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流即暗電流。這時反向電阻很大。當光照射在PN結上時,光子打在PN結附近,PN結附近產生光生電子和光生空穴對。從而使P區(qū)和N區(qū)的少數載流子濃度大大增加，因此在反向外加電壓和內電場的作用下,P區(qū)的少數載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結的反向電流大為增加，形成光電流。這時二極管處于導通狀態(tài)。光的照度越大,光電流越大。2.光敏二極管的基本特性1）光譜特性在入射度一定時，輸出的光電流（或相對靈敏度）隨光波波長的變化而變化。一種光敏二極管只對一定波長的入射光敏感，這就是它的光譜特性。如圖所示。2）伏安特性3）光照特性4）溫度特性溫度變化對光敏二極管輸出電流影響較小,但對暗電流的影響卻十分顯著.3.光敏二極管的應用1）光電路燈控制電路2）光強測量電路二.光敏三級管光電三極管比具有相同有效面積的光電二極管的光電流大幾十至幾百倍，但相應速度較二極管差。1.工作原理與結構基極開路，集電極與發(fā)射極之間加正電壓。當光照射在集電結上時,在結附近產生電子-空穴對,電子在結電場的作用下，由P區(qū)向N區(qū)運動，形成基極電流，放大β倍形成集電極電流（光電流）,所以光電三極管有放大作用。2.光敏三極管的基本特性1）光譜特性與伏安特性光譜特性與二極管相同，伏安特性如圖。2）溫度特性與光照特性

溫度特性與光敏二極管相同，光照特性如圖3.光敏三極管的應用1.脈沖編碼器2.轉速傳感器7.2CCD圖像傳感器

固態(tài)圖像傳感器按其結構可分為三類：電荷耦合器件（簡稱CCD）、MOS圖像傳感器（簡稱SSPA）和電荷注入器件（簡稱CID）。目前，前兩種用得較多。廣泛用于圖像傳輸與識別。例如，攝像機、數碼照相機、掃描儀、復印機和機器人的眼睛等。在本節(jié)中僅說明CCD圖像傳感器的工作原理與特性一、電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，簡稱CCD），它將光敏二極管陣列和讀出移位寄存器集成為一體，構成具有自掃描功能的圖象傳感器。是一種金屬氧化物半導體（MOS）集成電路器件，它以電荷作為信號,基本功能是進行光電轉換電荷的存儲和電荷的轉移輸出。廣泛應用于自動控制和自動測量,尤其適用于圖像識別技術。1.MOS光敏單元的結構及原理CCD器件完成對物體的成像，在其內部形成與光像圖形相對應的電荷分布圖形。這就要求它的基本單元具有存儲電荷的功能，同時還具有電荷轉移輸出功能。CCD器件的基本單元結構是MOS（金屬—氧化物—半導體）結構。即在P型硅襯底上生長一層SiO2(120nm),再在SiO2層上沉積金屬鋁構成MOS結構，它是CCD器件的最小工作單元。A、勢阱的產生

MOS的金屬電極加正壓，電極下的P型硅區(qū)域內空穴被趕盡，留下帶負電荷的負離子，其中無導電的載流子，形成耗盡層。它是電子的勢阱。勢阱的深淺取決于U的大小。B、電荷的存儲勢阱具有存儲電荷的功能，勢阱內所吸收的光生電子數量與入射到勢阱附近的光強成正比。

CCD器件將物體的光像形成對應的電像時，就是CCD器件中上千個相互獨立的MOS單元勢阱中存儲與光像對應的電荷量。2.讀出移位寄存器研究如何實現勢阱下的電荷從一個MOS元位置轉移到另一個MOS元位置，并依次轉移并傳輸出來。A、電荷的定向轉移

當外加電壓一定時，勢阱的深度隨勢阱中的電荷量的增加而線性減少。由此通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調節(jié)勢阱的深淺。要求：多個MOS電容緊密排列且勢阱相互溝通。金屬電極上加電壓脈沖嚴格滿足相位要求。B、三相CCD電極的結構

MOS上三個相鄰電極，每隔兩個所有電極接在一起。由3個相位差120°時鐘脈沖驅動。C、電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴散形成輸出二極管，二極管加反壓，在PN結形成耗盡層。輸出柵OG加壓使電荷轉移到二極管的耗盡區(qū)，作為二極管的少數載流子形成反向電流輸出。輸出電流的大小與電荷大小成正比，通過負載變?yōu)殡妷狠敵?。輸出二極管電流法二.CCD圖像傳感器

1.線陣電荷耦合器件線陣CCD結構原理圖

（1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二極管產生光生電子空穴對，電子注入對應的MOS勢阱中，光像變?yōu)殡娤瘛姾砂?。（光積分）（2）積分周期結束，控制信號使轉移柵打開，光生電荷就通過轉移柵耦合到移位寄存器中，通過移位寄存器并行輸出。（3）轉移柵關閉后，光敏單元開始下一行圖像信號積分采集。圖7-12各脈沖的波形和相位2.面陣型CCD圖像傳感器

面陣型CCD圖像器件的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測二維平面圖像。按傳輸和讀出方式可分為行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。下面主要介紹前兩種。1）行傳輸（LT）面陣CCD2）幀傳輸（FT）面陣CCD

光敏區(qū)和存儲區(qū)分開，光敏區(qū)在積分時間內，產生與光像對應的電荷包，在積分周期結束后，利用時鐘脈沖將整幀信號轉移到讀出寄存器。然后，整幀信號再向下移，進入水平讀出移位寄存器，串行輸出。（一幀對應光敏區(qū)MOS的數量）光敏區(qū)存儲區(qū)讀出寄存器三.CCD圖像傳感器的特性參數1.轉移效率當CCD中電荷包從一個勢阱轉移到另一個勢阱時，若Q1為轉移一次后的電荷量，Q0為原始電荷，則轉移效率定義為若轉移損耗定義為則電荷進行N次轉移時，總轉移效率為要求轉移效率必須達到99.99％－99.999%2.分辨率CCD圖象傳感器的分辨率用調制轉移函數MTF表征。當光強以正弦變化的圖像作用在傳感器上時，電信號幅度隨光像空間頻率的變化為調制轉移函數MTF。根據奈奎斯特采樣定理，定義圖像傳感器的最高分辨率fm等于它的空間采樣頻率f0的一半，即3.暗電流

暗電流起因于熱激發(fā)產生的電子－空穴對，是缺陷產生的主要原因。CCD器件暗電流越小越好。4.靈敏度

圖象傳感器的靈敏度是指單位發(fā)射照度下，單位時間、單位面積發(fā)射的電量，即

四.CCD圖像傳感器應用

1、線陣CCD器件檢測工件尺寸L——工件尺寸，N——覆蓋的光敏單元d——相鄰光敏單元中心距離M——光學系統放大率2d為圖象末端兩個光敏單元之間可能的最大誤差。根據目前產品情況d＝0．013～0．03mm。2.線列CCD攝像系統3.文字圖像識別系統郵政編碼識別系統。寫有郵政編碼的信封放在傳送帶上，傳感器光敏元的排列方向與信封的運動方向垂直，光學鏡頭將編碼的數字聚焦到光敏元上。當信封運動時，傳感器以逐行掃描的方式把數字依次讀出。讀出的數字經二值化等處理，與計算機中存儲的數字特征比較，最后識別出數字碼。由數字碼，計算機控制分類機構，把信件送入相應分類箱中。驅動電路分類機構計算機細化二值化處理傳送帶CCD透鏡1分類箱23郵政編碼識別系統7.3光纖傳感器光纖傳感優(yōu)點：靈敏度較高；幾何形狀具有多方面的適應性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉等）的器件；可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；而且具有與光纖遙測技術的內在相容性。應用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。上一頁下一頁返回7.3光纖傳感器7.3.1光導纖維的結構和導光原理7.3.2光導纖維的主要參數7.3.3光纖傳感器結構原理7.3.4光纖傳感器的分類7.3.5光纖傳感器的特點7.3.6光纖傳感器的應用上一頁下一頁返回7.3.1光導纖維的結構和導光原理圓柱形內芯和包層組成，而且內芯的折射率略大于包層的折射率上一頁下一頁返回斯乃爾定理當光由光密物質出射至光疏物質時，發(fā)生折射（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：（c）全反射：上一頁下一頁返回光纖導光上一頁下一頁返回n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n0≈1上一頁下一頁返回當θr=90°的臨界狀態(tài)時，Sinθi定義為“數值孔徑”NA（NumericalAperture）相對折射率差arcsinNA是一個臨界角，θi>arcsinNA，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；θi<arcsinNA，光線才可以進入光纖被全反射傳播。上一頁下一頁返回7.3.2光導纖維的主要參數1.數值孔徑（NA）2.光纖模式3.傳播損耗上一頁下一頁返回上一頁下一頁返回1.數值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少，標志光纖接收性能。意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θi張角之內的光功率能被光纖接受傳播。 大的數值孔徑：有利于耦合效率的提高。 但數值孔徑太大，光信號畸變也越嚴重。上一頁下一頁返回2.光纖模式光波沿光導纖維傳播的途徑和方式 在光導纖維中傳播模式很多對信息的傳輸是不利的，導致合成信號的畸變，因此我們希望模式數量越少越好。階躍型的圓筒波導內傳播的模式數量表示為

希望V?。篸不能太大，n2與n1之差很小上一頁下一頁返回3.傳播損耗損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響

傳播損耗（單位為dB）式中,I——光纖長度；

a——單位長度的衰減；

I0——光導纖維輸入端光強；

I——光導纖維輸出端光強。上一頁下一頁返回7.3.3光纖傳感器結構原理把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置上一頁下一頁返回光受到被測量的調制，已調光經光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘枺浶盘柼幚硐到y得到被測量。光纖傳感器光學測量的基本原理光就是一種電磁波，

光的電矢量E被測量調制：光的強度、偏振態(tài)（矢量B的方向）、頻率和相位解調：光的強度調制、偏振調制、頻率調制或相位調制上一頁下一頁返回7.3.4光纖傳感器的分類上一頁下一頁返回傳感器光學現象被測量光纖分類干涉型光纖傳感器相位調制干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應光彈效應干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非干涉型光纖傳感器強度調制遮光板斷光路半導體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄模溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纖傳感器偏振調制法拉第效應泡克爾斯效應雙折射變化光彈效應電流、磁場電場、電壓溫度振動、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纖傳感器頻率調制多普勒效應受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動、加速度氣體濃度溫度MMMMMMCbb注：MM——多模光纖；SM——單模光纖；PM——偏振保持光纖光纖傳感器的分類光纖在傳感器中的作用光受被測量調制的形式光纖傳感器中對光信號的檢測方法不同

上一頁下一頁返回(1)光纖的傳感器中的作用功能型非功能型拾光型

上一頁下一頁返回(a)功能型（全光纖型）光纖傳感器光纖在其中不僅是導光媒質，而且也是敏感元件，光在光纖內受被測量調制。優(yōu)點：結構緊湊、靈敏度高。 缺點：須用特殊光纖，成本高， 典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。

上一頁下一頁返回(b)非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖在其中僅起導光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調制。 優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現，成本低。 缺點：靈敏度較低。 實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。上一頁下一頁返回(c)拾光型光纖傳感器

用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。典型例子： 光纖激光多普勒速度計 輻射式光纖溫度傳感器上一頁下一頁返回(2)根據光受被測對象的調制形式(a)強度調制型光纖傳感器(b)偏振調制光纖傳感器(c)頻率調制光纖傳感器(d)相位調制傳感器上一頁下一頁返回(a)強度調制型光纖傳感器

利用被測對象的變化引起敏感元件參數的變化，而導致光強度變化來實現敏感測量的傳感器。應用：壓力、振動、位移、氣體優(yōu)點:結構簡單、容易實現、成本低。缺點:易受光源波動和連接器損耗變化等的影響上一頁下一頁返回（b）偏振調制光纖傳感器利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息應用： 電流、磁場傳感器：法拉第效應； 電場、電壓傳感器：泡爾效應； 壓力、振動或聲傳感器：光彈效應； 溫度、壓力、振動傳感器：雙折射性優(yōu)點：可避免光源強度變化的影響，靈敏度高。上一頁下一頁返回（c）頻率調制光纖傳感器被測對象引起的光頻率的變化來進行監(jiān)測利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器； 利用物質受強光照射時的喇曼散射構成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器； 利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。上一頁下一頁返回（d）相位調制傳感器被測對象導致光的相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。

利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器； 利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器； 利用電致伸縮的電場、電壓傳感器利用Sagnac效應的旋轉角速度傳感器（光纖陀螺）優(yōu)點：靈敏度很高，缺點：特殊光纖及高精度檢測系統，成本高。上一頁下一頁返回7.3.5光纖傳感器的