传感器与检测技术第二版胡向东著第九章光电式传感器

传感器与检测技术第二版胡向东著第九章光电式传感器第一页，共70页。9.1概述9.1.1光电式传感器的类别光电式传感器（或称光敏传感器）是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。按工作原理分类光电效应传感器红外热释电探测器固体图像传感器光纤传感器下页上页返回第二页，共70页。红外热释电探测器主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。固体图像传感器主要是用CCD电荷耦合器件的光电转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器。光纤传感器利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信号。下页上页返回光电效应传感器光电效应：因光照引起物体电学特性改变的现象，包括光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等。第三页，共70页。特点：光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量等特点；可直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、速度、加速度等；发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力。

下页上页返回第四页，共70页。9.1.2光电式传感器的基本形式由光路及电路两大部分组成光路部分实现被测信号对光量的控制和调制电路部分完成从光信号到电信号的转换后的电信号传输与输出等下页上页返回第五页，共70页。四种基本形式

透射式反射式辐射式开关式下页上页返回第六页，共70页。下页上页返回9.2光电效应与光电器件

光可认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E（E=hf）的粒子轰击在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后产生的电效应。光电效应可分为：9.2.1外光电效应型光电器件指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍增管均属这一类。

第七页，共70页。下页上页返回1.光电管及其特性一、构造图9-2光电管的结构与测量电路第八页，共70页。下页上页返回二、特性

①光照特性

表示当光电管的阳极电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上光通量φ之间的关系。

第九页，共70页。下页上页返回②伏安特性

当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同光电流的关系叫伏安特性。

图9-3光电管的伏安特性第十页，共70页。下页上页返回③光谱特性

光电管对光谱有选择性：保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。不同光电阴极材料的光电管，对同一波长的光有不同的灵敏度；同一种阴极材料的光电管对于不同波长的光的灵敏度也不同。第十一页，共70页。图9-3光电倍增管外形结构及电路2.光电倍增管及其特性下页上页返回第十二页，共70页。倍增系数M阳极电流光电倍增管的电流放大倍数光电倍增管灵敏度比普通光电管高（105-108）倍，一般用于微弱光照条件。下页上页返回n=9-11第十三页，共70页。内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象内光电效应可分为：因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应因光照产生电动势的光生伏特效应9.2.2内光电效应光电器件及其特性下页上页返回第十四页，共70页。下页上页返回采用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。1.光敏电阻图9-8光敏电阻的结构及表示符号典型器件第十五页，共70页。下页上页返回

优点：灵敏度高，体积小、重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高、耐冲击和振动，寿命长，性能稳定。缺点：使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。材料：硫化物（CdS、PbS、TlS）硒化物（CdSe、PbSe）碲化物（PbTe）等应用：照相机自动嚗光、电视机亮度自动调节、灯光（航标灯）自动控制等。第十六页，共70页。下页上页返回第十七页，共70页。下页上页返回结构与一般二极管相似，通常工作于反向工作状态，当不受光线照射时，处于截止状态，当受光线照射时，处于导通状态。2.光敏二极管第十八页，共70页。下页上页返回3.光敏三极管：光电流相当于三极管的基极，集电极电流是光电流的倍，比光敏二极管具有更高的灵敏度。第十九页，共70页。4.光电池下页上页返回第二十页，共70页。下页上页返回

光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在PN结附近激发电子-空穴对，在电场作用下，电子、空穴产生定向移动，在PN结的两端产生电位差。硅光电池硒光电池第二十一页，共70页。下页上页返回一、光电（照）特性光电特性是指这些半导体光电元件产生的光电流与光照之间的关系。

图9-9半导体光电元件的光电特性硒光敏电阻光敏晶体管硅光电池特性第二十二页，共70页。下页上页返回二、伏安特性伏安特性是指光照一定时，这些光电元件的端电压U与电流I之间的关系。图9-10半导体光电元件的伏安特性第二十三页，共70页。下页上页返回半导体光电元件对不同波长的光，其灵敏度是不同的，因为只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子—空穴对。而光子能量的大小与光的波长有关。三、光谱特性

图9-11半导体光电元件的光谱特性第二十四页，共70页。下页上页返回四、频率特性半导体光电元件的频率特性是指它们的输出电信号与调制光频率变化的关系。图9-12半导体光电元件的频率特性第二十五页，共70页。下页上页返回五、温度特性半导体材料易受温度的影响，它直接影响光电流的值。因此需要讨论这些光电元件的温度特性，以便选用合适的工作温度。图9-13半导体光电元件的温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性第二十六页，共70页。下页上页返回9.3光电式传感器的应用要使光电式传感器能很好地工作。除了合理选用光电转换元件外，还必须配备合适的光源、可靠的光学通路和合理的测量电路。被测量X1直接对光源作用被测量X2作用于光学通路，对光通量进行解调第二十七页，共70页。1光源及光学通路光源上页返回下页热辐射光源：利用发热物体向空间发出一定的光辐射（如白炽灯、卤钨灯等）。气体放电光源：利用电流通过气体放电的现象（发光）（如日光灯、低压汞灯、氙灯、氦灯等）。电致发光器件：利用固体发光材料在电场激发下产生发光现象（如发光二极管）。激光器：即光受激辐射放大，分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器和液体激光器等。第二十八页，共70页。光学通路包括透镜、滤光片、棱镜、光通量调制器、光栅等。上页返回下页第二十九页，共70页。下页上页返回2.应用电路图9-14真空光电管的差接测量电路1.光源2.小镜3.6.透镜4.光阑5.被测物7.8.真空光电管V1、V2放大管第三十页，共70页。下页上页返回光控闪烁安全警示灯第三十一页，共70页。图9-25路灯自动控制器电路下页上页返回第三十二页，共70页。光敏三极管应用电路下页上页返回第三十三页，共70页。图9-26光电式数字转速表下页上页返回第三十四页，共70页。下页上页返回天幕靶第三十五页，共70页。下页上页返回光电耦合器结构图光电耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）

第三十六页，共70页。下页上页返回图9-28光电耦合器光电耦合器特性曲线第三十七页，共70页。下页上页返回作用：脉冲及直流电平转换开关信号传输不同逻辑电路接口抗干扰高低压隔离等。第三十八页，共70页。燃气灶的脉冲点火控制器下页上页返回第三十九页，共70页。9.4CCD固体图像传感器电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice,缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。它是1970年贝尔实验室的W·S·Boyle和G·E·Smith发明的，它与光敏二极管阵列集成为一体，构成具有自扫描功能的CCD图像传感器。可实现光电信号转换、存储、转移并读出信号电荷的功能。它不仅作为高质量固体化的摄像器件成功地应用于广播电视、可视电话和无线电传真，而且在生产过程自动检测和控制等领域已显示出广阔的前景和巨大的潜力。下页上页返回第四十页，共70页。1.CCD的工作原理（1）结构CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、输出结构就构成了CCD器件。

P型MOS光敏元

下页上页返回第四十一页，共70页。(2)电荷存储原理当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称势阱。对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电子被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。下页上页返回第四十二页，共70页。电荷转移过程（3）电荷转移原理下页上页返回t1时刻，高电平，其电极下形成势阱，存储信息电荷。t2时刻，高电平，电极下形成势阱，电荷从电极耦合到电极。t3时刻，信息电荷开始从第一组向第二组转移。t4时刻，转移完毕。为了保证信息电荷按确定的方向和路线转移，在MOS光敏元阵列上所加的各相电压脉冲要求严格满足相位要求。第四十三页，共70页。（4）电荷注入电荷注入方法（a）光信号注入；（b）电信号注入

下页上页返回第四十四页，共70页。（5）电荷的输出

下页上页返回图9-34电荷的输出电荷数量——光的强弱电荷顺序——光的位置→放大器→脉冲输出第四十五页，共70页。2.CCD固体图像传感器的分类线阵型CCD图像传感器将光敏元件排列成直线，主要用于尺寸监测、传真、文字识别等。下页上页返回第四十六页，共70页。面阵型CCD图像传感器

将光敏元件排列成矩阵，主要用于摄像。下页上页返回第四十七页，共70页。3.特性参数光电转移效率

总转移效率分辨率分辨率是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力，是图像传感器最重要的特性，主要取决于感光单元之间的距离。即相同感光面积下光敏单元的密度。下页上页返回第四十八页，共70页。灵敏度及光谱响应

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。光谱响应图9.37光谱灵敏度特性下页上页返回第四十九页，共70页。动态范围饱和曝光量和等效曝光量的比值称为CCD的动态范围CCD器件的动态范围一般在103～104数量级暗电流暗电流是缺陷产生的主要原因。暗电流的产生不均匀，会在图像传感器中出现固定图形，限制器件的灵敏度和动态范围。与温度密切有关，温度每降低10℃，暗电流约减小一半。噪声CCD是低噪声器件，但由于其他因素产生的噪声会叠加到信号电荷上，使信号电荷的转移受到干扰。噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号输入噪声等。下页上页返回第五十页，共70页。4.应用CCD固体图像传感器的应用主要在以下几方面：计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表面缺陷的非接触在线检测、距离测定等。光学信息处理：光学文字识别、标记识别、图形识别、传真、摄像等。生产过程自动化：自动工作机械、自动售货机、自动搬运机、监视装置等。军事应用：导航、跟踪、侦查(带摄像机的无人驾驶飞机、卫星侦查)。下页上页返回第五十一页，共70页。产生夫琅和费衍射图像

图像暗纹间距：同时基于光敏阵列器件得到的脉冲数N和阵列单元间距

有：所以被测细丝或小孔的直径：下页上页返回微小尺寸自动检测第五十二页，共70页。p-像素的间距倍率大尺寸物体光学成像下页上页返回覆盖的光敏像素数第五十三页，共70页。下页上页返回一、光导纤维的结构和传输原理

9.5光纤传感器9.5.1光导纤维光导纤维(简称光纤)是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，每一根光导纤维由一个圆柱形纤芯和包层组成，而且纤芯的折射率略大于包层的折射率。涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性，以延长光纤寿命。第五十四页，共70页。下页上页返回第五十五页，共70页。二、光导纤维的种类

1.光导纤维按其折射变化情况分为：阶跃型渐变型2.按其传输模式多少来分：上页返回下页单模光纤多模光纤单模：信号畸变小，线性好，灵敏度高，但纤芯细，制造困难；多模：传输模式多，制造容易，但性能较差第五十六页，共70页。图9-26光导纤维的种类上页返回下页第五十七页，共70页。下页上页返回9.5.2光纤传感器的工作原理=90°)第五十八页，共70页。∴∴数值孔径下页上页返回第五十九页，共70页。数值孔径只取决于折射率，与光纤的几何尺寸、光源的发射功率等因素无关。数值孔径是光纤的一个重要参数，它能反映光纤的集光能力，光纤的NA越大，表明它可以在较大入射角范围内输入全反射光，集光能力就越强，光纤与光源的耦合越容易，即实现全反射越容易。数值孔径越大，光信号的畸变也越大。故要适当选择NA的大小，石英光纤的NA=0.2-0.4（即=11.5°－23.5°）下页上页返回第六十页，共70页。①抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，耐高压，本质安全，在易燃环境下安全可靠。②灵敏度高。③重量轻，体积小，外形可变。④测量对象广泛。⑤频带宽，测量动态范围大。⑥对被测介质影响小，这对于医药生物领域的应用极为有利。⑦便于复用，便于成网。⑧成本低。下页上页返回性能特点第六十一页，共70页。分类下页上页返回功能型（传感型）光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光波进行调制，使传输的光信号的强度、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。非功能型（传光型）光纤传感器是利用其他敏感元件感受被测量的变化，与其它敏感元件组合而成的传感器，