第四章光电式传感器原理与应用

1、2本章教学本章教学: :p了解了解光学的基本知识，光栅传感器的原理、光学系统光学的基本知识，光栅传感器的原理、光学系统的构成、测量方法的构成、测量方法；p理解光电传感器利用的各种效应的机理；理解光电传感器利用的各种效应的机理；p掌握常用光电器件的结构、特性、测量电路、应用方掌握常用光电器件的结构、特性、测量电路、应用方法；的原理与应用；光纤传感器的原理、特点法；的原理与应用；光纤传感器的原理、特点与应用；与应用；3 光电器件或者光电元件是一种能够将光量转换为光电器件或者光电元件是一种能够将光量转换为电量的器件。光电传感器就是以光电器件为检测元件电量的器件。光电传感器就是以光电器件为检测元件的传

2、感器，它先将被测非电量转换成光量的变化，然的传感器，它先将被测非电量转换成光量的变化，然后通过光电器件将相应的光量转换成电量。本章介绍后通过光电器件将相应的光量转换成电量。本章介绍光电效应、光电器件、电荷耦合器件、光纤传感器及光电效应、光电器件、电荷耦合器件、光纤传感器及光栅传感器。光栅传感器。4原理原理 首先把首先把被测量的变化被测量的变化转换成转换成光信号的变化光信号的变化，然后通过光电器件变换成然后通过光电器件变换成电信号电信号。辐射源光学通路光电器件输出输出被测量被测量特性特性 频谱宽、非接触测量、体积小、重量轻等5 光电效应和光电效应和光电器件光电器件 电荷耦合器件电荷耦合器件 光纤

3、传感器光纤传感器 光栅传感器光栅传感器 本章本章重点重点：光电效应和光电效应和光电器件、光纤光电器件、光纤传感器的原理、特传感器的原理、特点与点与应用；应用；本章难点本章难点：电荷耦合摄像器件（）的原理。：电荷耦合摄像器件（）的原理。本章教学本章教学: :6n热辐射光源热辐射光源n气体放电光源气体放电光源n电致发光器件电致发光器件n激光器激光器 光源是光电式传感器的一个组成部分，大多数光电光源是光电式传感器的一个组成部分，大多数光电传感器都离不开光源。传感器都离不开光源。7一、热辐射光源一、热辐射光源n原理：热物体都会向空间发出一定的光辐射n特点：物体温度越高，辐射能量越大n代表：白炽灯、卤钨

4、灯8一、热辐射光源一、热辐射光源9二、气体放电光源二、气体放电光源原理：电流通过气体会产生发光现象特点：改变气体成分、压力、电流、阴极材料和放电电流的大小，可以得到不同光谱范围的辐射源体代表：日光灯10二、气体放电光源二、气体放电光源11三、电致发光器件三、电致发光器件原理：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光特点：体积小、寿命长、工作电压低、响应速度快代表：发光二极管12四、激光器四、激光器定义：能够产生光受激辐射放大现象的器件特点：单色性好、方向性好、亮度高分类：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、 液体激光器13光电传感器的工作原理基于光电效应光电传感器的工作原理基于光电

5、效应 光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子光光子所组成，每一个光子能量为：子所组成，每一个光子能量为：Ehfh 普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34J.s；f 光的频率（光的频率（s-1）。）。光电效应：光电效应：当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相光子的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势）。应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势）。光电效应 ？141 1）外光电效应：）外光电效应：在光

6、照作用下，物体内电子逸出物体表面，形成光电流。在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，形成光电流。 光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功A0和动能，即：和动能，即：20012kEmvhfA 不同材料有不同的逸出功，对某种材料而言有一个频率限，当入射光的不同材料有不同的逸出功，对某种材料而言有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发电子，频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发电子，此频率限成为此频率限成为“红红限限”，其临界波长，其临界波长K K为：为：m电子质量；电子质量；v0电子逸出速度；电子逸出速度；A0物体的表

7、面电子逸出功。物体的表面电子逸出功。0/Khc Ac 光在真空中的速度。光在真空中的速度。逸出物体表面电子具有的动能逸出物体表面电子具有的动能光电效应按原理又分为以下光电效应按原理又分为以下3 3种：种：外光电效应典型元件有外光电效应典型元件有光电管、光电倍增管等。光电管、光电倍增管等。15光电效应按原理又分为以下光电效应按原理又分为以下3 3种：种：2 2）内光电效应：内光电效应：又称光导电效应，又称光导电效应， 在光照作用下，在光照作用下，物体导电性能（如电阻率发生变化）发生改变的现物体导电性能（如电阻率发生变化）发生改变的现象。典型的光电元件有象。典型的光电元件有光敏电阻等。光敏电阻等。

8、16光电效应按原理又分为以下光电效应按原理又分为以下3 3种：种：3 3）光生伏特效应：光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。典型光电元件有一定方向的电动势的现象。典型光电元件有光电池、光电池、光敏（电）二极管、光敏（电）三极管等。光敏（电）二极管、光敏（电）三极管等。17光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光电器件所代替光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光电器件所代替 目前光电管主要用途：光电比色计等分析仪器、各种光学目前光电管主要用途：光电比色计等分析仪器、各种光学自动装置自动装置 光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。光

9、电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。 18 当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。A AK KA AK K金属底层光电管金属底层光电管 光透明光电管光透明光电管A阳极，阳极，K阴极阴极19真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管充气光电管: : 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高。构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高。所不同的仅仅是在玻

10、璃泡内充以少量的惰性气体所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体, ,其灵敏度随其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差 20 在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电流光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极组成：光电阴极+ +若干倍增极若干倍增极+ +阳极阳极 21 倍增系数倍增系数M等于各倍增电极的二次发射系数等于各倍增电极的二次发射系数i 的乘积。如果的乘积。如果n个倍增个倍增电极的电极的i 都一样（都一样（ ），则），则nM所以所以niI式中，式中，i为

11、光电阴极的光电流为光电阴极的光电流 i22231)光敏电阻的工作原理及结构当无光照时，光敏电阻值当无光照时，光敏电阻值( (暗电阻暗电阻) )很大，电路中电流很小很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值当有光照时，光敏电阻值( (亮电阻亮电阻) )急剧减少，电流迅速增加急剧减少，电流迅速增加241)光敏电阻的工作原理及结构1.1.玻璃玻璃 2.2.光电导层光电导层 3.3.电极电极 4.4.绝缘衬底绝缘衬底 5.5.金属壳金属壳 6.6.黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃 7.7.引线引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装

12、在带有玻璃的壳体中。在带有玻璃的壳体中。半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏度。极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏度。252)光敏电阻的基本特性 伏安特性伏安特性 光照特性光照特性光谱特性光谱特性响应时间和频率特性响应时间和频率特性温度特性温度特性262)光敏电阻的基本特性-伏安特性伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。加的电压与光电流之间的关系。 光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积

13、以光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。及散热条件等因素有关。 在给定的偏压情况下，光照度越大，在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；光电流也就越大； 在一定光照度下，加的电压越大，在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光电流越大，没有饱和现象。272)光敏电阻的基本特性-光照特性 光敏电阻的光电流与光强之光敏电阻的光电流与光强之间的关系。间的关系。 由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。一般在自动控制系

14、统中常用作开关式光电信号传感元件。 282)光敏电阻的基本特性-光谱特性 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的 可见光区域可见光区域红外区域红外区域292)光敏电阻的基本特性-响应时间n光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。n通常用响应时间通常用响应时间t t表示。表示。 302)光敏电阻的基本特性-频率特性n不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。频率特性也就不尽相同。 312)光敏电阻

15、的基本特性-温度特性 光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。 硫化镉光敏电阻的温度特性硫化镉光敏电阻的温度特性 121212%100)(CRTTRR温度系数温度系数: 在一定光照下，温度每变化在一定光照下，温度每变化11，光敏电阻阻值的平均变化率光敏电阻阻值的平均变化率 322)光敏电阻的基本特性-温度特性 温度对光谱特性影响 随着温度升高，光谱响随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。高光敏电阻对长

16、波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 331 1）工作原理）工作原理 结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中。在电路中一般是处结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中。在电路中一般是处于反向工作状态的于反向工作状态的 光敏二极管光敏二极管341 1）工作原理）工作原理 与一般晶体管很相似，具有两个与一般晶体管很相似，具有两个pnpn结。把光信号转换为电信号结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。同时，又将信号电流加以放大。 光敏晶体管 351 1）工作原理）工作原理362 2）基本特性光谱特性光谱特性 伏安特性伏安特性光照特性光照特性温度特性温度特

17、性频率响应频率响应372 2）基本特性-光谱特性入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降 硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时，一般都可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。用硅管。 在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。 382 2）基本特性-伏安特性硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性 二极管二极管晶体管晶体管392 2）基本特性-光照特性硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好光敏二极管的光照特性曲线的线性较好 402 2）基本特

18、性-温度特性其暗电流及光电流与温度的关系其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。412 2）基本特性-频率响应 具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流( (或负载上的电或负载上的电压压) )随频率的变化关系随频率的变化关系 硅光敏晶体管的频率响应硅光敏晶体管的频率响应 42 有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。就不再需要外加电源。 1. 1. 工作原理工作原理 2 2基本特性基本特性43

19、太阳能电池片太阳能电池片44- - - - -+ + + + +PN- - + - -+ + - + +PN光+-光照射光照射光电子空穴对光电子空穴对内建电场作用内建电场作用光生电光生电子被拉向子被拉向N区，光生空穴被拉向区，光生空穴被拉向P区区光电动势光电动势阻挡层阻挡层内建电场内建电场PN结结当光照到当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子出电子-空穴对，在空穴对，在N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样区聚积正电荷，这样N区区和和P区之间出现电位差区之间出现电位差。1）工作原理452）基本特性光谱特性光谱特性光

20、照特性光照特性频率响应频率响应 温度特性温度特性 稳定性稳定性462）基本特性-光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的 472）基本特性-光照特性不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。 短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用 482）基本特性-光照特性 负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽负载越小，光电流与照度

21、之间的线性关系越好，而且线性范围越宽 492）基本特性-频率响应 指输出电流随调制光频率指输出电流随调制光频率变化的关系变化的关系 硅光电池具有较高的频率响应硅光电池具有较高的频率响应 , ,用于高速计数的光电转换用于高速计数的光电转换 502）基本特性-温度特性 开路电压和短路电流随温开路电压和短路电流随温度变化的关系。度变化的关系。 关系到应用光电池的仪器关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标。或控制精度等重要指标。硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性( (照度照度1000lx)1000lx)512）基本特性-稳定性n当光电池密封良好

22、、电极引线可靠、应用合理时，光电当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定硅光电池的性能比硒光电池更稳定 n影响性能和寿命因素影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺光电池的材料及制造工艺使用环境条件使用环境条件 52n模拟式传感器模拟式传感器n脉冲式传感器脉冲式传感器531）模拟式光电传感器n基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量光通量的函数的函数 。对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通

23、量又随被测非电量的变化而变化，这确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。样光电流就成为被测非电量的函数。n这类传感器将被测量转换成连续变化的光电流，要求光这类传感器将被测量转换成连续变化的光电流，要求光电元件的光照特性为单值线性，而且光源的光照均匀恒电元件的光照特性为单值线性，而且光源的光照均匀恒定。定。 541）模拟式光电传感器-光电比色高温计 1 1物镜；物镜；2 2平面玻璃；平面玻璃；3 3光阑；光阑；4 4光导棒；光导棒；5 5分光镜；分光镜；6 6滤光片；滤光片；7 7硅光硅光电池；电池；8 8滤光片；滤光片；9 9硅光电池；硅光电池；1010

24、瞄准反射镜；瞄准反射镜；1111圆柱反射镜；圆柱反射镜；1212目镜；目镜；1313多夫棱镜多夫棱镜1414、1515硅光电池负载电阻；硅光电池负载电阻；1616可逆电机；可逆电机；1717电子电位差计电子电位差计552）脉冲式光电传感器 光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通通”与与“断断”的的开关状态。开关状态。 光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测

25、量线位移、线速度、角位移、角速度电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度( (转速转速) )的光电的光电脉冲传感器等等。脉冲传感器等等。 为此，要求光电元件灵敏度高，而对光照特性的线性要求不高。为此，要求光电元件灵敏度高，而对光照特性的线性要求不高。 562）脉冲式光电传感器-光电式数字转速表 60ZTNc 57精彩图片欣赏（精彩图片欣赏（1）58精彩图片欣赏（精彩图片欣赏（2）59精彩图片欣赏（精彩图片欣赏（3）60精彩图片欣赏（精彩图片欣赏（4）61精彩图片欣赏（精彩图片欣赏（5）62精彩图片欣赏（精彩图片欣赏（6）63精彩图片欣赏（精彩图片欣赏（7）64精彩图片欣赏（精彩图片欣赏（

26、8）是谁将美丽是谁将美丽留驻留驻？6570年代发展起来，发展自年代发展起来，发展自MOS器件器件 功能：功能：以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、转移及以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、转移及输出信号电荷的功能。输出信号电荷的功能。 用途：用途：广泛用于图像识别、传输；典型应广泛用于图像识别、传输；典型应 用：摄像机固态用：摄像机固态图像拾取。图像拾取。（Charge-Coupled Device，简称，简称CCD）是一种大规模金属氧化物半导体集成电路器件是一种大规模金属氧化物半导体集成电路器件66 电荷耦合器件电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD）是按照一定规

27、律排列的）是按照一定规律排列的 MOS电容器电容器阵列组成的移位寄存器，在阵列组成的移位寄存器，在MOS电容器电容器阵列阵列加上输入、输出加上输入、输出端，便构成了端，便构成了CCD。可以实现可以实现光电转换、信号储存、转移光电转换、信号储存、转移(传输传输)、输出、输出、处理处理以及电子快门等一系列功能。以及电子快门等一系列功能。金属金属SiO2p-SiVG67具有以下一些具有以下一些特点特点：一般特性：一般特性：体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长。体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长。分辨率高：分辨率高：线阵线阵7000Pixel、分辨能力、分辨能力7 m，面阵，面阵409640

28、96， 整机分辨能力整机分辨能力1000线以上。线以上。兼容性：兼容性：任选模拟、数字输出形式，与同步信号、任选模拟、数字输出形式，与同步信号、I/O接接 口及微机兼容，组成高性能系统。口及微机兼容，组成高性能系统。分类：分类：线阵和面阵器件。线阵和面阵器件。光电特性：光电特性：灵敏度高、动态范围大。灵敏度灵敏度高、动态范围大。灵敏度0.01Lx，动态范围，动态范围 106：1，信噪比，信噪比6070dB。68 MOS MOS电容的结构电容的结构1 1金属金属 2 2绝缘层绝缘层SiOSiO2 269V1=5VV2=10VV3=15VV1=5VP型或型或N型衬底型衬底SiO2电极电极 施加正电

29、压于电极上施加正电压于电极上P型区形成势阱型区形成势阱产生电子和空穴产生电子和空穴势阱势阱俘获电子（与光强成正比）俘获电子（与光强成正比）形成形成MOS光敏元（象素）光敏元（象素）光光70n当当MOSMOS电容器栅压大于开启电压电容器栅压大于开启电压U UG G，周围电子迅速地聚，周围电子迅速地聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。 势阱：深耗尽条件下的表面势。势阱：深耗尽条件下的表面势。势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。 71nCCDCCD的基本功能是存储与转移信息电荷的基本功能

30、是存储与转移信息电荷n为实现信号电荷的转换为实现信号电荷的转换： 1 1、必须使、必须使MOSMOS电容阵列的排列足够紧密，以致相电容阵列的排列足够紧密，以致相邻邻MOSMOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。电容的势阱相互沟通，即相互耦合。2 2、控制相邻、控制相邻MOCMOC电容栅极电压高低来调节势阱深电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处3 3、在、在CCDCCD中电荷的转移必须按照确定的方向。中电荷的转移必须按照确定的方向。 72定向转移的实现n在在CCDCCD的的MOSMOS阵列上划分成以几个相邻阵列上划分成以几个相

31、邻MOSMOS电荷为一单元的无限电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每一位中对应位置上的电循环结构。每一单元称为一位，将每一位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。一位一位CCDCCD中含的电容个数即为中含的电容个数即为CCDCCD的相数。每相电极连接的电的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为容个数一般来说即为CCDCCD的位数。的位数。n通常通常CCDCCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。脉冲也分别为二相、三相、四

32、相。n当这种时序脉冲加到当这种时序脉冲加到CCDCCD的无限循环结构上时，将实现信号电的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。荷的定向转移。 73定向转移的实现三相三相CCDCCD信息电荷传输原理图信息电荷传输原理图 74定向转移的实现 1 3 2遮光层遮光层氧化物氧化物P型硅型硅金属金属读出移位寄存器读出移位寄存器 1 2 3tt1t2t3t4CCD时钟电压与电荷传输关系时钟电压与电荷传输关系读出移位寄存器是电荷图像输出电路读出移位寄存器是电荷图像输出电路75CCDCCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。 CCDCCD通过输

33、入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。电流转换为信号电荷。 CCDCCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入入 。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。76（a a）背面光注入）背面光注入（b b）电压信号注入）电压信号注入电荷注入方法电荷注入方法77电流输出方式电流输出方式浮置扩散放大器输出方式浮置扩散放大器输出方式浮置栅放大器输出方式浮置栅放大器输出方式78n利用利用CCDCCD的光电转移

34、和电荷转移的双重功能，得的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在而将照射在CCDCCD上的光学图像转移成了电信号上的光学图像转移成了电信号“图像图像”。n由于由于CCDCCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的一致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。一致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。n线列和面阵线列和面阵791)CCD线列图像器件1 1CCDCCD转移寄存器转移寄存器 2 2转移控制

35、栅转移控制栅 3 3积蓄控制电极积蓄控制电极 4 4PDPD阵列阵列 SHSH转移控制栅输入端转移控制栅输入端 RSRS复位控制复位控制 V VODOD漏极输出漏极输出 OSOS图像信号输出图像信号输出 OGOG输出控制栅输出控制栅线型图像传感器结构线型图像传感器结构801)CCD线列图像器件单通道线阵单通道线阵转移栅转移栅光积分单元光积分单元不透光不透光输出移位寄存器移位寄存器一列光敏单元组成；一列光敏单元组成；由转移栅及一系列移位寄存器组成。由转移栅及一系列移位寄存器组成。光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏单元中，接通转移光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏单元中，接通转移栅后，信号电荷

36、流入传输区。传输区是遮光的，以防因光生噪声电栅后，信号电荷流入传输区。传输区是遮光的，以防因光生噪声电荷干扰导致图像模糊。荷干扰导致图像模糊。811)CCD线列图像器件光积分光积分区区输出输出转移栅转移栅双通道线阵双通道线阵A寄存器寄存器B寄存器寄存器有两个移位寄存器平行地配置在感光区的两侧。当光生有两个移位寄存器平行地配置在感光区的两侧。当光生信号电荷积累后，时钟脉冲接通转移栅，信号电荷转移到移位信号电荷积累后，时钟脉冲接通转移栅，信号电荷转移到移位寄存器，奇数光敏单元的电荷转移到寄存器，奇数光敏单元的电荷转移到A寄存器，偶数光敏单元的寄存器，偶数光敏单元的电荷转移到电荷转移到B寄存器。双通

37、道线阵总的转移效率比单通道高。寄存器。双通道线阵总的转移效率比单通道高。822)面型固态图像传感器(a)x-y (a)x-y 选址选址 (b)(b)行选址行选址 (c)(c)帧场传输式帧场传输式 (d)(d)行间传输式行间传输式832)面型固态图像传感器输出输出面阵：光敏元排列成矩阵面阵：光敏元排列成矩阵光敏元面阵、光敏元面阵、存储器面阵、存储器面阵、读出移位寄存读出移位寄存器线阵。器线阵。842)面型固态图像传感器851 1尺寸测量尺寸测量2 2用于光学文字识别装置用于光学文字识别装置86被测对象长度被测对象长度LpnfanpML) 1(1pnllL21l1 视场视场l2传感器的长度传感器的

38、长度87光学文字识别装置光学文字识别装置(OCR)(OCR)原理原理 88RFID Tag汽车车牌汽车车牌RFID ReaderCCD後端資料庫後端資料庫後端電腦後端電腦触发触发存取資料存取資料收发信号收发信号拍照拍照通过通过API传送传送传回信号传回信号8990驱动电路驱动电路分类机构分类机构计算机计算机细化二值化细化二值化处理处理传送带传送带CCD透镜透镜1分类箱分类箱2391p 光光(导导)纤纤(维维)是是20世纪世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电

39、子学的新天地(领域领域)。p 光纤传感器始于光纤传感器始于1977年，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光年，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。纤传感器。p特点：极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、良好的抗电磁干扰能特点：极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、良好的抗电磁干扰能力、高绝缘强度、耐力、高绝缘强度、耐 高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带。高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带。p应用：机械、电子仪器仪表、航空航天、通讯、生物医学、环保、食应用：机械、电子仪器仪表、航空航天、通讯、生物医学、环保、食品、化工品、化工 p测量对象：电流磁场、电压电场、温度、速度、振动、压力、射线、

40、测量对象：电流磁场、电压电场、温度、速度、振动、压力、射线、图像图像 92光导纤维的结构和导光原理光导纤维的结构和导光原理光导纤维的主要参数光导纤维的主要参数光纤传感器结构原理光纤传感器结构原理光纤传感器的分类光纤传感器的分类光纤传感器的特点光纤传感器的特点光纤传感器的应用光纤传感器的应用93 圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率（的折射率（n n2 2n arcsinNA arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；i i arcsinNA arcsinNA，光线才可以进入

41、光纤被全反射传播。，光线才可以进入光纤被全反射传播。0sini101数值孔径（数值孔径（NANA）光纤模式光纤模式传播损耗传播损耗102反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：意义：无论光源发射功率有多大，只有无论光源发射功率有多大，只有2 2ii张角之内的光张角之内的光功率能被光纤接受传播。功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。2221sinnnNAi103按传输模式分为单模光纤和多模光纤。按传输模式分为单模光纤和多

42、模光纤。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为 。/)(212221nndV希望希望V V小：小：d d不能太大，不能太大，n n2 2与与n n1 1之差很小之差很小 104损耗原因：损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响的辐射损耗等的影响 0201IAalgI传播损耗（单位为传播损耗（单位为dBdB） 式中式中, I, I光纤长度；光纤长度； a a单位长度的衰减；单位长度的衰减； I I0 0光导纤维输入端光强；光导纤维输入端光强； I I光导纤维输出端光强。光导纤维输出端光强。105目前

43、常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。复合材料等。 在这些材料中，由于存在在这些材料中，由于存在杂质离子、原子的杂质离子、原子的缺陷缺陷等都会吸收光，从而造成材料损耗。等都会吸收光，从而造成材料损耗。是由于是由于材料密度及浓度不均匀材料密度及浓度不均匀引起的。光纤拉引起的。光纤拉制时制时粗细不均匀粗细不均匀，造成纤维尺寸沿轴线变化，造成纤维尺寸沿轴线变化， 同样会引起同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的不光滑、污染不光滑、污染等，等，也会造成严重的散射损耗。也会造成严重的散射损耗。是使用过程中可能产

44、生的一种损耗。是使用过程中可能产生的一种损耗。光纤弯曲光纤弯曲会会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。 106 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图导线连接，见图(a)。 光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件光发

45、送器、敏感元件(光纤或非光纤的光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图纤构成，见图(b)。由光发送器发出的光经源光纤引由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。处理得到所期待的被测量。光纤光纤信号处理信号处理光接收器光接收器敏感元件敏感元件光发送器光发送器（b）光纤传感器）光纤传感器信号处理信号处理电电 源源信号接收

46、信号接收敏感元件敏感元件（a）传统传感器）传统传感器 导线导线107光纤传感器光学测量的基本原理 光就是一种电磁波光就是一种电磁波光的电矢量光的电矢量E)sin(tBE被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B B的方向）、频率和相位的方向）、频率和相位解调：解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制108传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分类干干涉涉型型光纤传感器相位调光纤传感器相位调制制干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）干涉（电致伸缩）SagnacSagnac效应效应光弹效应光弹效应

47、干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非干干涉涉型型光纤传感器强度调制光纤传感器强度调制遮光板断光路遮光板断光路半导体透射率的变化半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射振动膜或液晶的反射气体分子吸收气体分子吸收光纤漏泄模光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移温度、振动、压力、加速度、位移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓度气体浓

48、度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纤传感器偏振调制光纤传感器偏振调制法拉第效应法拉第效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效应电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纤传感器频率调制光纤传感器频率调制多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMCbb109按折射率分布按折射率分布按传输模式按传输模式光纤在传感器中的作用光纤在传感器中的作用光受被测量调制的形式光受被测量调

49、制的形式光纤传感器中对光信号的检测方法不同光纤传感器中对光信号的检测方法不同 110按折射率分布按折射率分布折射率变化规律折射率变化规律分类分类阶跃型阶跃型梯度型梯度型 采用梯度型光纤时，光射入光纤后会自动地从界采用梯度型光纤时，光射入光纤后会自动地从界面向轴心会聚，因此也称为聚焦光纤。面向轴心会聚，因此也称为聚焦光纤。 阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率不同，

50、在界面上发生突变，纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，如图如图 所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。面上发生的内全反射现象。梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形状递减，中心轴线开始沿径向大致按抛物线形状递减，中心轴折射率最大。因此，光纤在纤芯中传中心轴折射率最大。因此，光纤在纤芯中传播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形。梯度光纤又光纤传播的轨迹类似正弦波形。梯度光纤又称为自聚焦光纤。称

51、为自聚焦光纤。111 是指是指光波传播的途径和方式光波传播的途径和方式。对于不。对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。是传播模式不同。 在光纤中传播模式很多不利于光信号的传播，因为同在光纤中传播模式很多不利于光信号的传播，因为同一种光信号采取很多模式传播将使一部分光信号分为多个一种光信号采取很多模式传播将使一部分光信号分为多个不同时间到达接收端的小信号，从而导致合成信号的畸变，不同时间到达接收端的小信号，从而导致

52、合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量要少。因此希望光纤信号模式数量要少。112 一般纤芯直径为一般纤芯直径为212m，只能传输一种模式称为，只能传输一种模式称为。这类光纤传输性能好，信号畸变小，信息。这类光纤传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好，容量大，线性好， 灵敏度高，灵敏度高， 但由于纤芯尺寸小，制但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。造、连接和耦合都比较困难。 纤芯直径较大（纤芯直径较大（50100m），传输模式较多称为），传输模式较多称为，这类光纤的性能较差，输出波形有较大的，这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合差异，

53、但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。比较方便。113光纤在传感器中的作用功能型功能型非功能型非功能型拾光型拾光型 114光纤在传感器中的作用1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤或特殊光纤)作传作传感元件，将感元件，将“传传”和和“感感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变弯曲、相变)的作用下，其光学的作用下，其光学特性特性(光强、相位、偏振态等光强、相位、

54、偏振态等)的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功能。的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。提高灵敏度。信号处理信号处理光受信器光受信器光纤敏感元件光纤敏感元件光发送器光发送器115光纤在传感器中的作用 2 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无

55、需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理信号处理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光发送器光发送器光纤光纤116光纤在传感器中的作用 3 3）拾光型光纤传感器）拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。计、辐射式光纤温度传感器等。 信号信号处理处理光受光

56、受信器信器光发送器光发送器光纤光纤耦合器耦合器被测对象被测对象117光纤在传感器中的作用测测量量对对象象测测量量对对象象测测量量对对象象测测量量对对象象118根据光受被测对象的调制形式(a) (a) 强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器(b) (b) 偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器(c) (c) 频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器(d) (d) 相位调制传感器相位调制传感器119根据光受被测对象的调制形式1 1）强度调制型光纤传感器）强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光

57、强度变化来实现敏感测量的传感或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。结构简单、容易实现，成本低。结构简单、容易实现，成本低。受光源强度波动和连接

58、器损耗变化等影响较大受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。120根据光受被测对象的调制形式2 2）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤

59、的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。121根据光受被测对象的调制形式3 3）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；

60、利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。 122根据光受被测对象的调制形式 4 4）相位调制传感器）相位调制传感器 其基本原理是其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而