传感器与检测技术胡向东第2章光电式传感器

1、传感器与检测技术胡向东第2章光电式传感器2.1 光电效应概述 光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。一. 外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体外表，向外发射的现象称为外光电效应。 基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。 我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。假设物体中电子吸收的入射光的能量足以抑制逸出功A0时，电子就逸出物体外表，产生电子发射。故要使一个电子逸出，那么光子能量h必须超出逸出功A0 ，超过局部的能量，表现为逸出电子的动能。即 受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。1光电

2、导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。2光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。一. 普通光电管在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些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，在外电路就产生电流。2.2 光电管二. 光电倍增管由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光

3、电倍增管，其工作原理如图。1倍增系数 M 电流放大倍数M与所加电压有关，一般在105108之间。一般阳极和阴极的电压为1000V2500V，两个相邻的倍增电极的电压差为50V100V。2阴极灵敏度和总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数焦作光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数焦灼光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的放大倍数或总灵敏度如下图。 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。 光电池在有光线作用下实质就是电源, 电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应。 它实质上是一个大面积的PN结, 当光照射到PN结的一个面, 例如p型面时

4、, 假设光子能量大于半导体材料的禁带宽度, 那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴, 电子空穴对从外表向内迅速扩散, 在结电场的作用下, 最后建立一个与光照强度有关的电动势。 2.3 光电池二. 光电池的根本特性 硒光电池和硅光电池的光谱特性如左图 不同的光电池，光谱峰值的位置不同。例如，硅光电池在8000A附近，硒光电池在5400A附近。2. 光照特性 光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒克斯。Lx (W/m2) 反映短路电流、开路电压与光照度的关系。 短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。 开路电压负载电阻RL无限大时与

5、光照度的关系是非线性的, 并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了。光电池工作于开路电压状态，可做开关元件。 温度特性主要描述开路电压与短路电流随温度变化的情况。如下图. 把光电池作为测量器件应用时, 应保证温度恒定或采取温度补偿措施。JMJ112V2A51KL39K470uf1.自动干手器手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，光电池不受光照，晶体管基极正偏而导通，继电器吸合。风机和电热丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，灯泡发出光直接照射到光电池上，产生光生电动势，使三极管基射极反偏而截止，继电器释放，从而切断风机和电热丝的电源。2.4 光敏电阻为了防止周围介质的影响, 在半导体光敏层上覆盖了一

6、层漆膜, 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。 它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质, 半导体的两端装有金属电极, 金属电极与引出线端相连接, 光敏电阻就通过引出线端接入电路。2. 光敏电阻的工作原理 光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。 无光照时, 光敏电阻值暗电阻很大, 电路中电流暗电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值亮电阻急剧减少, 电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻

7、值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。3 光敏电阻的主要参数 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。 亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻, 此时流过的电流称为亮电流。 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。 4 光敏电阻的根本特性1 伏安特性：在一定照度下, 流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系一定光照，R一定，I正比于U。一定电压，I随着光照E增强而增大。 ERI。2) 光照特性IE 光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中。3 光谱特性Kr %光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性。 亦称为光谱响应。不同材料

8、，其峰值波长不同。同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。应根据光源的性质，选择适宜的光电元件匹配使光电元件得到较高得相对灵敏度。4 温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应。 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线, 它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此, 硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。 对于可见光的光敏电阻, 其温度影响要小一些。 1.光照度计 农作物日照时数测定。 输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。1天查询720次。 无光照V0=VL 。有光照V0=VH。2.5 光敏二极管与三极管一. 光敏二极管光敏

9、二极管的构造与普通二极管一样，都有一个PN结，两根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不同之处在于光敏二极管的PN结状在管壳的顶部，可直承受到光的照射，其构造和电路如下图。没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态, 这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。 当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, PN结附近产生光生电子和光生空穴对。从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在反向外加电压和内电场的作用下,P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大

10、为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。光的照度越大, 光电流越大。1光谱特性 在入射度一定时，输出的光电流或相对灵敏度随光波波长的变化而变化。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感，这就是它的光谱特性。如下图。2伏安特性3光照特性4温度特性温度变化对光敏二极管输出电流影响较小,但对暗电流的影响却十分显著.1光电路灯控制电路2光强测量电路二. 光敏三级管光电三极管比具有一样有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时, 在结附近产生电子-空穴对, 电子在结电场的作用下，由P区向N区运动，形成基极电流，放大倍形成

11、集电极电流光电流, 所以光电三极管有放大作用。 1光谱特性与伏安特性 光谱特性与二极管一样，伏安特性如图。2温度特性与光照特性 温度特性与光敏二极管一样，光照特性如图光电耦合器件一 光电耦合器 光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内, 一般有金属封装和塑料封装两种。发光元件为发光二极管，受光元件为光敏三极管或光敏可控硅。它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出端。 特点：强弱电隔离。 输入输出极之间绝缘电阻很高。耐压达2000V以上。 能防止输出端对输入端地线等的干扰。对系统内部噪声有很强的抑制作用。发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，对系统内部的噪声有旁路作用。滤除噪声 光电耦合器的

12、组合形式应用于自动控制电路中的强弱电隔离。二. 光电开关 光电开关在制造业自动化包装线及平安装置中作光控制和光探测装置。可实现限位控制、产品计数, 料位检测，越限平安报警及计算机输入接口等用途。 1.光电开关构造 透射式和反射式的光电开关。 利用输出电平的状态判断有无被测物。2. 根本电路透射式如图a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。(b)无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。2.7 色敏光电传感器 色敏光电传感器相当于两支构造不同的光电二极管的组合，故又称光电双结二极管1光谱特性2短路电流比波长特性 短路电流比波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是赖以确定被

13、测波长的根本特性。色彩信号处理电路2.8 红外光传感器红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76-1000m,红外线在电磁波谱中的位置如以下图。 红外光传感器按工作原理可分为光量子型和热电型两大类。 光量子型可直接把红外光转换成电能。如，红外光敏电阻和红外PN结型光生伏特器件，用于遥感成像方面。 热电型吸收红外光后变为热能，使材料的温度升高，电学性能发生变化，人们利用这个现象制成了测量光辐射的器件。如红外热释电传感器。 对于某些材料 (如锆钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘肽等)，具有自发极化的特征。自发极化与温度有

14、很大关系。假设温度因吸收红外光而升高，那么极化强度减少，使单位面积上极化电荷减少，释放一定量的吸附电荷；假设与一个电阻连成回路，会形成电流，如下图。由实验证实，电阻上压降的变化为由于dT/dt与红外线强度的变化成正比，结合上式，可得出输出电压正比与红外线强度的变化。3. 双元件双元型红外传感器 此传感器专门用来检测人体辐射的红外线能量。市场上常见有国产的SD02、PH5324，日本的SCA02-1，美国的P2288等。 SD02由敏感单元、场效应管、高阻抗变换管、滤光窗等组成，并在氦气环境下封装而成。三. 红外光传感器的应用2.9 固态CCD图像传感器 固态图像传感器按其构造可分为三类：电荷耦

15、合器件简称CCD、MOS图像传感器简称SSPA和电荷注入器件简称CID。 目前，前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。 在本节中仅说明CCD图像传感器的工作原理与特性一. 电荷耦合器件 (CCD)电荷耦合器件Charge Couple Device， 简称CCD，它将光敏二极管阵列和读出移位存放器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。是一种金属氧化物半导体MOS集成电路器件，它以电荷作为信号, 根本功能是进展光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。 广泛应用于自动控制和自动测量, 尤其适用于图像识别技术。1. MOS光敏单元的构造及

16、原理CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的根本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。CCD器件的根本单元构造是MOS金属氧化物半导体构造。即在P型硅衬底上生长一层SiO2 (120nm),再在 SiO2层上沉积金属铝构成MOS构造，它是CCD器件的最小工作单元。A、势阱的产生 MOS的金属电极加正压，电极下的P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于U的大小。B、电荷的存储 势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。 CCD器件将

17、物体的光像形成对应的电像时，就是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量。2. 读出移位存放器是电荷图像的输出电路研究如何实现势阱下的电荷从一个MOS元位置转移到另一个MOS元位置，并依次转移并传输出来。A、电荷的定向转移 当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压上下来调节势阱的深浅。 要求： 多个MOS电容严密排列且势阱相互沟通。 金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。B、三相CCD电极的构造 MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120时钟脉冲驱动。C、电荷的输出在输出端P型硅衬底上扩

18、散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。输出二极管电流法 1. 线阵电荷耦合器件线阵CCD构造原理图 1光照光敏元，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的MOS势阱中，光像变为电像电荷包。光积分 2积分周期完毕，控制信号使转移栅翻开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位存放器中，通过移位存放器并行输出。 3转移栅关闭后，光敏单元开场下一行图像信号积分采集。图7-12 各脉冲的波形和相位 面阵型CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检

19、测二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输三种。下面主要介绍前两种。1行传输LT面阵CCD2 帧传输FT面阵CCD 光敏区和存储区分开，光敏区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分周期完毕后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到读出存放器。然后，整帧信号再向下移，进入水平读出移位存放器，串行输出。一帧对应光敏区MOS的数量光敏区存储区读出寄存器三. CCD图像传感器的特性参数 当CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，假设Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷，那么转移效率定义为假设转移损耗定义为那么电荷进展N次转移时，总转移效率为要求转移效率必须到达99.9999.9

20、99% CCD图象传感器的分辨率用调制转移函数MTF表征。当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化为调制转移函数MTF。 根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0的一半，即 暗电流起因于热激发产生的电子空穴对，是缺陷产生的主要原因。CCD器件暗电流越小越好。 图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，即 四. CCD图像传感器应用 1、线阵CCD器件检测工件尺寸L工件尺寸，N覆盖的光敏单元d相邻光敏单元中心距离M光学系统放大率2d为图象末端两个光敏单元之间可能的最大误差。根据目前产品情况d0013003

21、mm。邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1分类箱23邮政编码识别系统2.10 光纤传感器一、光纤的传光原理1、光纤构造由纤芯和包层组成石英玻璃5100um)n1n2)。外层一层尼龙保护套。2、传光原理光的全内反射是光纤传输光的根底。1光的全反射条件 光由纤芯到包层外表，由

22、光的折射定律可知： 2数值孔径NA光由空气射入光纤端面，与轴成 角。即可实现全反射，光在纤芯内全反射无损耗传输。希望NA越大越好。它说明无论光源发射功率多大，只有2 内的光才能被光纤承受，全反射传输。1.按传输模式分单模光纤、多模光纤. 模的概念 光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。当它在横向往返依次的相位变化为2的整数倍时，形成驻波。形成驻波的光线组成为模。模是离散存在的。一定材质一定尺寸的光纤只能传输特定模数的光波。 模确实定光纤传输模数由归一化频率确定。芯径大，折射率差大NA大，N大，多模。芯径小到6m,折射率差小到0.5%。N=1光

23、纤只能传输一定波长光，单模。阶跃型光纤和梯度型光纤三. 光纤传感器的根本原理光纤传感器通常可分为功能型传感型和非功能型传光型。功能型光纤传感器 用单模光纤，既传光又是敏感元件。单模光纤只能传输某一角度和波长的单色光光纤的传输特性受被测物理量作用而发生变化。使光纤中传输光的属性相位、强度、波长、偏振态被调制。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。测温度、压力、位移等。 非功能型光纤传感器光通讯光纤只作为光的传输回路。为了得到较大的受光量和传输光功率。非功能型光纤传感器采用NA较大和芯径较大的阶跃型多模光纤。增大传输光的通量。2. 相位调制Mach-Zehnder干预原理图3. 偏振调

24、制光纤电流传感器 三、光纤传感器实例 激光束通过分光板后分为两束光, 透射光作为参考光束, 反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时, 由于质量块M对上下光纤的作用, 从而使光纤被拉伸, 引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干预效应。激光干预仪的干预条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号,(光电探测器置于集合处 经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。 由于光纤长度的变化，引起光束光程差的变化两束光经干预仪产生相干条纹，相干条纹移过的数目与相位差成正比。一般用光电探测器计下干预条纹移过的数目，经处理电路可算出相位差，即而算出加速度。2.11 激光传感器 原子在正常分布状态下，总是稳定的处于低能级E1，如无外界作用，原子将长期保持这种稳定状态。一旦受到外界光子的作用，赋予原子一定的能量E后，原子就从低能级E1跃迁到高能级E2，这个过程称为光的受激吸收