李新光-Y2014600102现代检测技术基础Chapter4-6

1、第四章 光电检测器件4.2 4.2 器件的基本特性参数器件的基本特性参数n响应特性n噪声特性n量子效率n线性度n工作温度一、响应特性一、响应特性响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。 响应度是随入射光波长变化而变化的 响应度分电压响应率和电流响应率n电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比n电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率之比ioVPVSioIPIS光谱响应度：探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度()()()oViVSP()()

2、()oIiISP响应时间：响应时间是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数。 上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。 下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。n光电探测器响应率与入射调制频率的关系 为调制频率为f 时的响应率 为调制频率为零时的响应率为时间常数（等于RC） 0S2/120)2(1 )(fSfS)( fS频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应 由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。0002 1/21122()0.7071(1

3、) 2fRCSSS fSc：上限截止频率：上限截止频率时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽fc返回返回二、噪声特性n在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。01( )TIii t dtTn用均方噪声来表示噪声值大小2201( ) ( )( )Ti ti ti tdtTn噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。n由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。n一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。n所以在精密测量、通信、自动控制

4、等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。光电探测器常见的噪声n热噪声n散粒噪声n产生-复合噪声n1/f噪声1、热噪声n或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。n导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。n热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声2、散粒噪声n散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通过结区的载流子数也是随机的。n散粒噪声也是白噪声，与频率无关。n散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数

5、光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。n例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。3、产生-复合噪声n半导体受光照，载流子不断产生-复合。n在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的n但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。n载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。4、1/f噪声n或称闪烁噪声或低频噪声。这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在引起的。n噪声的功率近似与频率成反比n多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减到可忽略不计。、信噪比n信噪比是判定噪声大小的参数。n是负载电阻上信号功率与噪声功率之比n若用分贝（dB）表示，为2222NS

6、LNLSNSIIRIRIPPNSNSNSIIIINSlg20lg1022、噪声等效功率(NEP)n定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。n这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流）n一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。nNEP越小，噪声越小，器件的性能越好。()eNEPWSNR 噪声等效功率是一个可测量的量。 设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0 然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN 则按比例计算，要使U0UN，的辐射功率为20()NPNEPWUU、探测率与归一化探测率 探

7、测率D定义为噪声等效功率的倒数 经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad和放大 器带宽f 乘积的平方根成正比 归一化探测率D*，即 D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。1DNEP*1/ 2*1()dDDAfNEP返回三、量子效率（）n量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。n对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1n实际上， AA。由于不同材料具有不同的逸出功，。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多率限，当入射光的频率低于

8、此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限红限”。相应的波长相应的波长K K为为: : (4.3)(4.3)式中，式中，c c为光速；为光速；A A为逸出功。为逸出功。A-hm212图图4.3.1 光电管结构示意图光电管结构示意图AhcK 光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图如图4.3.2所示。在入射光频率大于所示。在入射光频率大于“红限红限”的的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，位的阳极所吸引，在光电管内

9、形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图多，光电流变大。在图4.3.2所示的所示的电路中，电流电路中，电流I和电阻和电阻RL上的电压降上的电压降U0就和就和光强成函数关系，从而实现光电转换。光强成函数关系，从而实现光电转换。 阴极材料不同的光电管，具有不同的红阴极材料不同的光电管，具有不同的红限，因此适用于不同的光谱范围。此外，限，因此适用于不同的光谱范围。此外，即使入射光的频率大于红限，并保持其强度即使入射光的频率大于红限，并保持其强度不

10、变，但阴极发射的光电子数量还会随入射不变，但阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度光频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特性，要求人们应当根据检测对象是并不相同。光电管的这种光谱特性，要求人们应当根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获得满意的灵敏度。得满意的灵敏度。图图4.3.2 光电管测量电路图光电管测量电路图D1D2D3D4D5D6AKU0IRL 图图4.3.3 光电倍增管结构示意图光电倍增管结构示意图

11、光电倍增管主要由光阴极光电倍增管主要由光阴极K、倍增极、倍增极D和阳极和阳极A组成，并组成，并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。依据封根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。依据封装方法，可分成端窗式和侧窗式两大类。端窗式光电倍装方法，可分成端窗式和侧窗式两大类。端窗式光电倍增管的阴极通常为透射式阴极，通过管壳的端面接受入增管的阴极通常为透射式阴极，通过管壳的端面接受入射光。侧窗式阴极则是通过管壳的侧面接收入射光，它射光。侧窗式阴极则是通过管壳的侧面接收入射光，它的阴极通常为反射式阴极。的阴极通常为反射式阴极。 二、光电倍增管由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光由于真空

12、光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。图电流能力的光电倍增管。图4.3.3是光电倍增管结构示意图。是光电倍增管结构示意图。 光阴极的量子效率是一个重要的参数。波长为光阴极的量子效率是一个重要的参数。波长为的光辐的光辐射入射到光阴极时，一个入射光子产生的光电子数，定射入射到光阴极时，一个入射光子产生的光电子数，定义为光阴极的量子效率。光阴极有很多种，常用的有双义为光阴极的量子效率。光阴极有很多种，常用的有双碱，碱，S11及及S20三种。光阴极通常由脱出功较小的锑铯或三种。光阴极通常由脱出功较小的锑铯或钠钾锑铯的薄膜组成，光阴极接负高压，各倍增极的加钠钾锑铯的薄膜组成，光

13、阴极接负高压，各倍增极的加速电压由直流高压电源经分压电阻分压供给，灵敏检流速电压由直流高压电源经分压电阻分压供给，灵敏检流计或负载电阻接在阳极计或负载电阻接在阳极A处，当有光子入射到光阴极处，当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。电子从阴极的表面逸出而成为光电子。 在在K和和D1之间的电场作用下，光电子被加速后轰击第一之间的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极倍增极D1，从而使，从而使D1产生二次电子发射每一个电子产生二次电子发射每一个电子的轰击约可产生的轰击约可产生35个二次

14、电子，这样就实现了电子数个二次电子，这样就实现了电子数目的放大。目的放大。D1产生的二次电子被产生的二次电子被D2和和D1之间的电场加速后轰击之间的电场加速后轰击D2，。这样的过程一直持续到最后一级倍增极。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的每经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有数目有813个，最后一级倍增极个，最后一级倍增极Dn发射的二次电子被发射的二次电子被阳极阳极A收集。若倍增电极有收集。若倍增电极有n级，各级的倍增率为级，各级的倍增率为，则，则光电倍增管的倍增率可以认为是光电倍增管的倍增率可以认为是n，因此，光电倍增管

15、，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。有极高的灵敏度。在输出电流小于在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。若将灵敏检流计串接在阳极回路使它多用于微光测量。若将灵敏检流计串接在阳极回路中，则可直接测量阳极输出电流。若在阳极串接电阻中，则可直接测量阳极输出电流。若在阳极串接电阻RL作为负载，则可测量作为负载，则可测量RL两端的电压，此电压正比于两端的电压，此电压正比于阳极电流。阳极电流。 图图4.3.4 光电倍增管的基本电路光电倍增管的基本电路

16、图图4.3.4所示为光电倍增管的基本电路。各倍增极的电压是用分所示为光电倍增管的基本电路。各倍增极的电压是用分压电阻压电阻R1、R2、Rn获得的，阳极电流流经负载电阻获得的，阳极电流流经负载电阻RL得到得到输出电压输出电压U0。当用于测量稳定的辐射通量时，当用于测量稳定的辐射通量时，图中虚线连接的电图中虚线连接的电容容C1、C2、Cn和输出隔离电容和输出隔离电容Ca都可以省去。都可以省去。这时电路往这时电路往往将电源正端接地，往将电源正端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连接，从并且输出可以直接与放大器输入端连接，从而使它能够响应变化缓慢的入射光通量。而使它能够响应变化缓慢的入射光通量。但当

17、入射光通量为脉冲但当入射光通量为脉冲通量时，则应将电源的负端接地，通量时，则应将电源的负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比因为光电倍增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声，此时输出端应接人隔离电容，同时各倍阳极接地有更低的噪声，此时输出端应接人隔离电容，同时各倍增极的并联电容亦应接人，以稳定脉冲工作时的各级工作电压，增极的并联电容亦应接人，以稳定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防止饱和。稳定增益并防止饱和。 与测量有关的两个参数与测量有关的两个参数：(1)(1) 暗电流暗电流 光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。光电倍增管在工作时，其

18、阳极输出电流由暗电流和信号电流两部分组成。当信号电流比较大时，暗电流的影响可以忽略，但是当光信号非常弱，以至于阳极信号电流很小甚至和暗电流在同一数量级时，暗电流将严重影响对光信号测量的准确性。所以暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电流小并且稳定。 (2) 光谱响应特征光谱响应特征 光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不相同的，这一特性可用光谱响应率表示。在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率，表示为 (4.4) 式中，P()为入射到光阴极上的单色辐射功率；I()是在该辐射功率照射下所产生的阳极电流；S()

19、是波长的函数，它与波长的关系曲线称为光电倍增管的绝对光谱响应曲线。)()()(PIS测量S()十分复杂，因此在一般测量中都是测量它的相对值。为此，可以把S()中的最大值当作一个单位对所有S()值进行归一化，这时就得到 (4.5) s( s() )称为光电倍增管的相对光谱响应率称为光电倍增管的相对光谱响应率，它与波长的关系曲线称为光电倍增管的相对光谱响应曲线。s()1，是一个无量纲的量，只表示光电倍增管的光谱响应特征。)()()(maxSSs一、光敏电阻n光敏电阻是光电导型器件。n光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。n特点： 光谱响应范围宽（特

20、别是对于红光和红外辐射）； 偏置电压低，工作电流大； 动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； 光电导增益大，灵敏度高； 无极性，使用方便； 在强光照射下，光电线性度较差 光电驰豫时间较长，频率特性较差。光敏光敏电阻电阻 (LDR) (LDR) 和它的和它的符号符号： 符号符号1. 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理n光敏电阻结构光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。（有窗口的金属或

21、塑料外壳内。（如图如图）n工作机理工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。入射光入射光返回本征型和杂质型光敏电阻n本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。n杂质型光敏电阻：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。n本征型用于可见光长波段,杂

22、质型用于红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴施主光电导与光电流n光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。n光电流：亮电流和暗电流之差；I光 = IL - Idn光电导：亮电导和暗电导之差；g = gL - gd 光In光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。n光电流与光照强度电阻结构的关系。光敏电阻的工作特性光敏电阻的工作特性n光电特性光电特性n伏安特性伏安特性n时间响应和频

23、率特性时间响应和频率特性n温度特性温度特性n光电特性：光电流与入射光照度的关系：(1)弱光时，弱光时，=1，光电流与照度成线性关系，光电流与照度成线性关系(2)强光时，强光时， =0.5，光电流与照度成抛物线，光电流与照度成抛物线光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）改善） ：外加电压，欧姆接触为电压指数光电导，照度指数光USUESIgg) 1(:) 1

24、5 . 0(:光敏电阻的光电特性在弱光照下，光电流与E具有良好的线性关系在强光照下则为非线性关系其他光敏电阻也有类似的性质。n光电导灵敏度: 光电导g与照度E之比.：入射通量光敏面积，:AAgEggS不同波长的光，不同波长的光，光敏电阻的灵敏光敏电阻的灵敏度是不同的。度是不同的。在选用光电器件在选用光电器件时必须充分考虑时必须充分考虑到这种特性。到这种特性。n光电导增益光电导增益反比于电极间距的平方。n量子效率：光电流与入射光子流之比。：电极间距：外加电压，：迁移率，：载流子寿命，量子产额，UlUG:2伏安特性伏安特性n在一定的光照下，光敏电阻的光电流与在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的

25、电压关系所加的电压关系n光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。定律，其伏安特性曲线为直线。n不同光照度对应不同直线不同光照度对应不同直线受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压图中虚线为允许功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。n光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有率低。只有PbSPbS光敏电阻的频率特性稍好光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。些，可工作到几千赫。频率特性n光敏电阻的时间响应特性较差n材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：n停止光

26、照，光生载流子浓度的变化为00(1 exp()tppp 为稳态光生载流子浓度0exp()tpp 响应时间光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。变化也会影响光谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。值将向短波方向移动。尤其是红外探测器要采取制冷措施尤其是红外探测器要采取制冷措施温度特性光敏电阻参数n使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅

27、（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）.n光敏面：1-3 mmn工作温度：-40 80 oCn温度系数： 1n极限电压：10 300Vn耗散功率：R0，则负载功率则负载功率P0为：为： 另一方面，计算光电二极管直接与负载电阻相连另一方面，计算光电二极管直接与负载电阻相连时负载上的功率时负载上的功率 为：为： 比较两种情况可见，采用阻抗变换器可以使功率输出比较两种情况可见，采用阻抗变换器可以使功率输出提高提高(Rf/RL)2倍。例如，倍。例如， 当当RL=1M，Rf=10M时，功率提高时，功率提高100倍。这倍。这种电路的时间特性较差，但用在信号带宽没有特

28、殊要种电路的时间特性较差，但用在信号带宽没有特殊要求的缓变光信号检测中，可以得到很高的功率放大倍求的缓变光信号检测中，可以得到很高的功率放大倍数。此外，用场效应管代替双极性晶体管作前置级，数。此外，用场效应管代替双极性晶体管作前置级，其偏置电流很小，因此适用于光功率很小的场合。其偏置电流很小，因此适用于光功率很小的场合。4.5 4.5 常见光电传感器及应用常见光电传感器及应用4.5.1 4.5.1 各种光电检测器件的性能比较各种光电检测器件的性能比较参看75页表2-6（第1版) 典型光电探测器件工作特性的比较. 动态性能(即频率响应): 光电倍增管和光电二极管最好;光电特性(线性): 光电倍增

29、管、光电二极管和光电池;灵敏度:光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管;长期稳定性:光电二极管和光电池最好,其次是光电倍增管.4.5.2 4.5.2 光电检测器件的应用选择要点光电检测器件的应用选择要点* *1. 光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特光谱特性性上匹配上匹配;2. 光电检测期间的光电检测期间的光敏面必须和入射辐射能量相对准光敏面必须和入射辐射能量相对准；3. 光电检测器的光电转换特性必须和光电检测器的光电转换特性必须和入射辐射能量入射辐射能量相匹相匹配配(器件的感光面要和照射光匹配好器件的感光面要和照射光匹配好);4.

30、光电检测器必须和光信号的调制形式光电检测器必须和光信号的调制形式、信号频率及波信号频率及波形形相匹配相匹配,以保证得到没有频率失真的输出波形和良好以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应的时间响应;5. 光电检测器件的光电检测器件的最小可探测功率必须与入射辐射相匹最小可探测功率必须与入射辐射相匹配配；6. 光电检测器件必须和光电检测器件必须和输入电路在电特性输入电路在电特性上良好地匹配上良好地匹配,以保证有有足够的线性范围、信噪比及快速的动态响以保证有有足够的线性范围、信噪比及快速的动态响应应;7. 为使器件具有长期工作的可靠性为使器件具有长期工作的可靠性,必须注意选好器件的必须注意选

31、好器件的规格和使用的环境条件规格和使用的环境条件.4.5.3 光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等，以相对的方向装在中间带槽的支架上。当槽内无物体时，发光管发出的光直接照在光敏三极管的窗口上，从而产生一定大的电流输出，当有物体经过槽内时则挡住光线，光敏管无输出，以此可识别物体的有无。适用于光电控制、光电计量等电路中，可检测物体的有无、运动方向、转速等方面。防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。 图图4.5.1 透射型透射型BYD3M.

32、TDT光电传感器使用示意图光电传感器使用示意图 图图4.5.2 吸收式烟尘浊度监测系统组成框图吸收式烟尘浊度监测系统组成框图 DST9702激光反射式烟尘浓度仪 图4.5.3 DST9702激光反射式烟尘浓度仪组成框图 技术特点n 采用激光背散射原理,不怕烟道的机械振动及烟气温度不均造成的折射率不均造成的光束摆动；n 单端安装,无需光路对中，且安装简单方便； n 采用标准4-20mA工业标准电流输出,连接方便；n 仪器整体功耗非常小,大约5w左右；n 一般标准设置参数可适用于烟道璧厚小于400，烟道直径大于仪器名牌标示（D.GT. 2000）,在特殊的要求条件下测量区大小可以订制. 用户也可以

33、在经维护人员的认可及指导下调整. 烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少。因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。本应用中应用奥托尼克斯(Autonics)公司的BYD3M-TDT透射式小型光电传感器BYD3M-TDT透射式小型光电传感器，其光源(发光器)与接收器不在同一个机壳内，见图4.5.1使用示意图：先将发射器和接收器对准并固定好后才可以通电(12.24)VDC；接着在ON状态设定好发射器的中心位置，然后左右上下方向调节接收器和发射器的位置；最后检测目标稳定后固定好发射器和接收

34、器。 图4.5.2是吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图：为了检测出烟尘中对人体危害性最大的亚微米颗粒的浊度和避免水蒸气对光源衰减的影响，选取可见光作光源(400-700nm波长的白炽光)。光检测器光谱响应范围为400-600nm的光电管，获取随浊度变化的相应电信号。为了提高检测灵敏度，采用具有高增益、高输入阻抗、低零漂、高共模抑制比的运算放大器，对信号进行放大。刻度校正被用来进行调零与调满刻度，以保证测试准确性。显示器可显示浊度瞬时值。报警电路由多谐振荡器组成，当运算放大器输出浊度信号超过规定时，多谐振荡器工作，输出信号经放大后推动喇叭发出报警信号。 4.5.4 4.5.4 光电式带材跑偏检测器

35、光电式带材跑偏检测器带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向,从而为纠偏控制电路提供纠偏信号,主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。光电式带材跑偏检测器原理如图4.5.4所示。光源发出的光线经过透镜1会聚为平行光束,投向透镜2,随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中,有部分光线受到被测带材的遮挡,使传到光敏电阻的光通量减少。 图图4.5.4 带材跑偏检测器工作原理带材跑偏检测器工作原理 图图4.5.5 测量电路测量电路 图4.5.5为测量电路简图。1、2是同型号的光敏电阻。1作为测量元件装在带材下方，2用遮光罩罩住,起温度补偿作用。当带材处于正确位置(中间

36、位)时，由1、2、3、4组成的电桥平衡，使放大器输出电压为0。当带材左偏时，遮光面积减少，光敏电阻1阻值减少，电桥失去平衡。差动放大器将这一不平衡电压加以放大，输出电压为负值，它反映了带材跑偏的方向及大小。反之，当带材右偏时，为正值。输出信号一方面由显示器显示出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。 包装充填物高度检测包装充填物高度检测 用容积法计量包装的成品，除了对重量有一定误差范围要求外，一般还对充填高度有一定的要求，以保证商品的外观质量，不符合充填高度的成品将不许出厂。图4.5.6所示为借助光电检测技术控制充填高度的原理。当充填高度偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执

37、行机构将包装物品推出进行处理。图图4.5.64.5.6利用光电检测技术控制充填高度利用光电检测技术控制充填高度 利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料等。 激光器在光电检测中的应用n激光测距，测长，测平面度等n激光大气污染检测n激光检测n激光海洋探测n激光制导n激光雷达n激光干涉测量（探伤）n激光全息测量激光式气体分析仪在转炉煤气回收中的应用测量原理是基于朗伯-比尔定律(1)“单线光谱”测量技术 该技术利用激光的光谱比较窄、远小于被测气体的吸收谱线的特性，选择某一位于特定波长的吸收光谱线，使得

38、在所选吸收谱线波长附近无测量环境中其他气体组分的吸收谱线，从而避免了这些背景气体组分对该被测气体的交叉吸收干涉。单线光束测量原理图(2)激光频率扫描技术 激光气体分析仪通过调制激光频率使之周期性地扫描过被测气体吸收谱线，激光频率的扫描范围被设置成大于被测气体吸收谱线的宽度。(3)谱线展宽自动修正技术在气体温度和压力发生变化时被测气体谱线的展宽及高度会发生相应的变化从而影响测量的准确性。通过输入420 mA方式的温度和压力信号，激光气体分析仪能自动修正温度和压力变化对气体浓度测量的影响。从而保证了测量数据的精确作业：文献查阅及对光电测量部分的分析查阅一篇光电检测方面的近期文献（近35年之内），围

39、绕系统组成、光电探测器的选用、前置放大器设计这三方面进行分析，写成讲解的写成讲解的PPT，在，在11月月08日前日前发我邮箱，文件以学号发我邮箱，文件以学号+名字命名，并附名字命名，并附上文献。上文献。我的邮箱：我的邮箱：作业计入平时成绩。第五章第五章 CCD 图像传感器图像传感器 图像传感器图像传感器( (Imaging Sensor ,缩写为缩写为IS，又称成像，又称成像器件、摄像器件器件、摄像器件) )作为现代视觉信息获取的一种基作为现代视觉信息获取的一种基础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展的扩展( (光谱拓宽、灵敏度范围扩大光

40、谱拓宽、灵敏度范围扩大) )，能给出直观、，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，所真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。 图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息( (可见光和非可见光可见光和非可见光) )、转换为按时序串行输出的电、转换为按时序串行输出的电信号信号 视频信号，而视频信号能再现入射的光视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。把空间图像转换为按时序

41、变化的电信号辐射图像。把空间图像转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描。的过程称为扫描。 50年代前，电子束摄像管年代前，电子束摄像管( (如光导摄像管、飞点如光导摄像管、飞点扫描管等扫描管等) ) 。60年代后期，年代后期，MOS集成电路工艺成熟，集成电路工艺成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展，到各种固体图像传感器得到迅速发展，到70年代末期，年代末期，已有一系列产品在军事、民用各方面得到广泛应用。已有一系列产品在军事、民用各方面得到广泛应用。 固体图象传感器固体图象传感器(Solid State Imaging Sensor 缩缩写为写为SSIS)主要有三大类型、一种是电荷耦合器件主要有

42、三大类型、一种是电荷耦合器件(Charge Coupled Device简称简称CCD)；第二种是；第二种是MOS图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵(Self Scanned Photodiode Array，简称，简称SSPA)，第三种是，第三种是电荷注入器件电荷注入器件(Charge Injection Device，简称，简称CID)。目前，前两种用得比较多。目前，前两种用得比较多。同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点：同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点： (1)全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都全固体化，体积很小

43、，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性好可靠性高，寿命长。很低；耐冲击性好可靠性高，寿命长。 (2)基本上不保留残象，无象元烧伤、扭曲，不受电磁基本上不保留残象，无象元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。干扰。 (3)红外敏感性。硅的红外敏感性。硅的SSPA光谱响应：光谱响应：0.201.0；CCD可作成红外敏感型；可作成红外敏感型；CID主要用于光谱响应大于主要用于光谱响应大于35微米的微米的红外敏感器件。红外敏感器件。 (4)象元尺寸的几何位置精度高象元尺寸的几何位置精度高(优于优于1微米微米)，因而可用，因而可用于不接触精密尺寸测量系统。于不接触精密尺寸测量系统。 (5)视频信号与微机接口容易视

44、频信号与微机接口容易 主要应用领域：小型化黑白主要应用领域：小型化黑白/彩色彩色TV摄象机；传真摄象机；传真通讯系统；光学字符识别（通讯系统；光学字符识别（OCR: Optical Character Recognition）；工业检测与自动控制；医疗仪器；）；工业检测与自动控制；医疗仪器；多光谱机载和星载遥感；天文应用；多光谱机载和星载遥感；天文应用；军事应用。军事应用。 CCD摄像器件由光敏（光积摄像器件由光敏（光积分）单元和电荷转移单元（读出移分）单元和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成，每个光敏单元对位寄存器）组成，每个光敏单元对应一个象素如下图所示。各单元的应一个象素如下图所示。各单

45、元的基本结构如右图所示，由金属、绝基本结构如右图所示，由金属、绝缘层、半导体构成。缘层、半导体构成。VG加正向偏加正向偏压后在半导体内形成压后在半导体内形成“电子势阱电子势阱（耗尽区）（耗尽区）”，势阱的深度由，势阱的深度由VG的大小来控制。电子势阱可以用来的大小来控制。电子势阱可以用来存放电子，这些电子的注入方式既存放电子，这些电子的注入方式既可用可用“光注入光注入”（光敏单元采用光（光敏单元采用光注入），也可以用注入），也可以用“电注入电注入”（转（转移电荷时采用电注入）。移电荷时采用电注入）。 对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作用下，对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作用下

46、，半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱俘获。这种光生电子作为反映光强的载体俘获。这种光生电子作为反映光强的载体电荷包被收电荷包被收集，成为光电荷注入，这就是集，成为光电荷注入，这就是CCD摄像器件的光电变换过摄像器件的光电变换过程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。 光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移位寄存器在读出

47、脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值。来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值。 光线光线 n主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。n输入部分：将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。n电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入 电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。 光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形

48、成信号电荷。的工作原理的工作原理P-Si输入栅输入二极管输出二极管输出栅SiO2以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD，简称为P型CCD。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N型CCD比P型CCD的工作频率高得多。光电转换光电转换当一束光线投射到MOS电容上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型硅衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子能量跃入导带，价电子能否跃迁至导带形成电子空穴对，将由入射光子能量h是否大于等于Eg来确定，即Eg=1.24/c, 对于硅材料来说，Eg=1.12eV，c=1.11m。也存在红限。波长太短的光，

49、则会穿透半导体层而不起作用。的工作原理的工作原理 读出移位寄存器的读出移位寄存器的工作原理工作原理是依靠是依靠MOS电容电容与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当MOS电容栅压电容栅压VG增高时，在半导体内部被排斥增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。陷阱一样，称为电子势阱。电子势阱可以用

50、来存电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当放电子。其特点是：当VG增加，势阱变深；当增加，势阱变深；当VG减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。 n在栅极加正偏压之前，在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。n加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。n当当UG Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子体内的电子(少子少子)吸引到表面，

51、形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。n反型层电荷的存在表明了反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。结构存储电荷的功能。电荷存储电荷存储5.1 CCD图像传感器图像传感器电荷的转移（耦合）电荷的转移（耦合）n第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。n若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。nCCD

52、电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD，1m的间隙长度是足够了。 为确保为确保CDD的转移功能，对时钟脉冲的要求是：的转移功能，对时钟脉冲的要求是：1 1）三相时钟脉冲有一定的交叠，在交叠）三相时钟脉冲有一定的交叠，在交叠区内，电荷包的源势阱与接收势阱同时共存，区内，电荷包的源势阱与接收势阱同时共存，以保证在这两个势阱间进行充分转移；以保证在这两个势阱间进行充分转移；2 2）时钟脉冲的低电平必须保证沟道表面）时钟脉冲的低电平必须保证沟道表面处于耗尽状态；处于耗尽状态；3 3）时钟脉冲幅度选取得当。）时钟脉冲幅度选取得当。值得指出的是，我们通常所说的值得指

53、出的是，我们通常所说的CCDCCD的位数的位，的位数的位，不是这里的一个栅电极，对三相不是这里的一个栅电极，对三相CCDCCD来说，电荷来说，电荷包转移了三个栅电极是时钟脉冲的一个周期，包转移了三个栅电极是时钟脉冲的一个周期，我们把这三个栅电极称之为我们把这三个栅电极称之为CCDCCD的一个单元，或的一个单元，或CCDCCD的一位，也就是通常所说的一个像元。的一位，也就是通常所说的一个像元。 CCD的特性参数的特性参数作为成像器件，作为成像器件，CCD的主要特性参数仍然是的主要特性参数仍然是灵敏度、分辨力、光谱响应以及信噪比等。灵敏度、分辨力、光谱响应以及信噪比等。但但CCD还起着电荷传输的作

54、用，故还应包还起着电荷传输的作用，故还应包括转移效率、噪声、功耗等参数。括转移效率、噪声、功耗等参数。 主要参数：主要参数：1 转移效率转移效率 和损耗率和损耗率 =(Q(t)/Q(0) 100% 式中：式中：Q(0)为为t=0时某电极下的电荷；时某电极下的电荷； Q(t)为在时间为在时间t后转移到下一个势井后转移到下一个势井中的电荷。中的电荷。 =1- 如果如果CCD有有n个栅电极，则总的转移效率个栅电极，则总的转移效率为为的的n次方。次方。2 时钟频率的上、下限时钟频率的上、下限1 光谱特性和光电特性光谱特性和光电特性 CCD的特性参数的特性参数2 时钟频率的上、下限时钟频率的上、下限 频

55、率下限：频率下限：CCD是一种非稳态器件，如果是一种非稳态器件，如果驱动脉冲电压变化太慢，则存储的电荷会驱动脉冲电压变化太慢，则存储的电荷会受到干扰而不能准确测量。为了避免由于受到干扰而不能准确测量。为了避免由于热产生的少数载流子对于注入信号的干扰，热产生的少数载流子对于注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到下一个电极所注入电荷从一个电极转移到下一个电极所用的时间用的时间t，必须小于少数载流子的平均，必须小于少数载流子的平均寿命寿命，即，即 t 在正常工作条件下，对于三相在正常工作条件下，对于三相CCD，t为为 t=T/3=1/(3f) ， 即即 f下下1/(3) CCD的特性参数的特性参数

56、频率上限：由于频率上限：由于CCD电极长度不是无限小，电极长度不是无限小，信号电荷通过电极需要一定时间。若要电信号电荷通过电极需要一定时间。若要电荷有效转移，对三相荷有效转移，对三相CCD来说，必须使转来说，必须使转移时间移时间t T/3 即即 f上上 1/(3t)3 光谱特性和光电特性光谱特性和光电特性 略。略。 此外还有分辨率、暗电流和动态范围等。此外还有分辨率、暗电流和动态范围等。CCDCCD的特性参数的特性参数n像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等n像素数是指CCD上感光元件的数量。4444万（万（768768* *576576）、）、100100万（万（10241024* *10

57、241024）、）、200200万（万（16001600* *12001200）、）、600600万万（28322832* *21282128）n信噪比：典型值为典型值为46分贝分贝n感光范围感光范围 可见光、红外可见光、红外n CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型1、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输 表面沟道CCD(简称SCCD)。2、电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输， 体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。的类型的类型n线阵：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从128位至5000位以至7000位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数

58、十种型号的器件可供选用。n面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。n目前达到实用阶段的象元数由25万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有13英寸、l2英寸、23英寸以至1英寸之分。5.2 CCD图像测量的二值化图像测量的二值化CCD图像测量的基本原理是：光学系统把被图像测量的基本原理是：光学系统把被测对象的光信息投射在测对象的光信息投射在CCD的光敏面元上，的光敏面元上，形成了光学图像。由形成了光学图像。由CCD器件把光敏元上的器件把光敏元上的光信息转换成与光强成比例的电荷量，积累光信息转换成与光强成比例的电荷量，积累起来的光电荷在一定频率的时钟脉冲的驱动起来的光电荷在一定频

59、率的时钟脉冲的驱动下，在下，在CCD 输出端得到被测对象的视频信号。输出端得到被测对象的视频信号。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收的光强强弱，而信号输出着该光敏元所接收的光强强弱，而信号输出的时序则对应着的时序则对应着CCD光敏元位置的顺序。通光敏元位置的顺序。通过后续处理线路对过后续处理线路对CCD输出的视频信号进行输出的视频信号进行二值化或量化处理后，将被测对象从背景中二值化或量化处理后，将被测对象从背景中分离出来，为下一步的数据处理做好准备。分离出来，为下一步的数据处理做好准备。图7-5-12 二值化处理二值化处理电路二值化处理

60、电路5.2 CCD图像测量的基本原理图像测量的基本原理二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。光学系统把被测对象成像在像对待。光学系统把被测对象成像在CCD光敏光敏元上，由于被测对象与背景在光强上的强烈变元上，由于被测对象与背景在光强上的强烈变化，反映在化，反映在CCD视频信号中所对应的图像尺寸视频信号中所对应的图像尺寸边界处会有急剧的电平变化，通过二值化处理边界处会有急剧的电平变化，通过二值化处理把把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平。实现离成二值电平。实现CCD视频信号二值化的处视频信号二值