电能量传感器

CH5电能量型传感器5.1热电偶5.2压电式传感器5.3磁电式传感器5.4光电传感器5.1热电偶热电偶：两种不同的金属A和B构成闭合回路 当两个接触端温度不同时，回路中会产生热电势。热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定k——

玻耳兹曼常数；T——

接触面的绝对温度；e——

单位电荷量；NA——金属电极A的自由电子密度NB——金属电极B的自由电子密度1.接触电势Peltier电势2.温差电势δ——汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。温差电势（Thomson电势）热电势热电势是T和T0的温度函数的差。当T0=0℃时，f(T0)=c则有：E与T之间有唯一对应的单值函数关系，因此可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，5.1.2热电偶的基本定律1)匀质导体定律2)中间导体定律3)连接导体定律1)匀质导体定律由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。2)中间导体定律

在热电偶回路中接入另一种导体称中间导体C，只要中间导体的两端温度相同，热电偶回路总电动势不受中间导体接入的影响。3)连接导体定律（中间温度定律）把热电极与其他导体连接构成热电偶回路当A与A’，B与B’材料分别相同时热电偶的串联uT1T2T3T0T0ABABBA热电偶的并联uT1T2T3T0T0ABCDEF例1用J型热电偶测量一炉壁温度，假设参比端温度为0℃，测得的热电势E=4.725mV，则测量端的温度是多少。热电偶分度表是热电偶的标准数据表，它给出了当参考端为0.00C时，热电偶对应于不同温度的输出电压。解：查J型热电偶分度表有E（90，0）=4.726mV，近似为4.725mV，所以测量端温度为90℃。S型热电偶（铂铑10-铂）分度表例2用S型热电偶测量某一温度，若参比端温度T0=30℃，测得的热电势E(T，Tn)=7.502mV，求测量端实际温度T。解：根据连接导体定律已知Tn=30℃,查分度表有E(30，0)=0.173mV反查分度表7.675在830和840之间，测量端实际温度=830+10*0.002/0.146=831.4℃5.1.3热电偶的冷端处理和补偿热电偶的热电势大小不仅与热端温度的有关，而且也与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定，通过测量热电势的大小得到热端的温度。热电偶的冷端处理和补偿

当热电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为０℃。几种冷端处理方法

1.补偿导线法2.热电偶冷端温度恒温法3.计算修正法4.冷端补偿电桥法1.补偿导线法组成：补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层。热电偶补偿导线功能：其一实现了冷端迁移；其二是降低了测量成本。补偿导线又分为延长型和补偿型两种延长型：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同，用字母“Ｘ”附在热电偶分度号后表示，补偿型：其合金丝的名称化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在100℃以下时与配用的热电偶的热电势标称值相同，有字母“C”附在热电偶分度号后表示，

补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着色

补偿导线型号配用热电偶补偿导线的线芯材料绝缘层着色正极负极SC或RC铂铑10（铂铑）-铂SPC（铜）SNC（铜镍）红绿KC镍铬-镍硅KPC（铜）KNC（铜镍）红蓝KX镍铬-镍硅KPX（铜镍）KNX（镍硅）红黑NX镍铬硅-镍硅NPS（铜镍）NNX（镍硅）红灰EX镍铬-铜镍EPX（镍铬）ENX（铜镍）红棕JX铁-铜镍JPX（铁）JNX（铜镍）红紫TX铜-铜镍TPX（铜）TNX（铜镍）红白2.计算修正法在实际应用中，热电偶的参比端往往不是0ºC，而是环境温度，这时测量出的回路热电势要小，因此必须加上环境温度与冰点之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶分度表的要求。

因为环境温度一般在0~50ºC间，可用半导体温度传感器测出环境温度T1，再从分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上热电偶回路热电势E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表可得到准确的被测温度值。这是目前智能化热电偶测温仪的常用方法。3.热电偶冷端温度恒温法（冰浴法）适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。4.冷端电路补偿法利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化而引起的热电势的变化值

例6.2下图是利用正温度系数的热敏电阻对参考结点进行电子补偿的热电偶温度测量电路.图中热电偶为J型热电偶,热敏电阻的材料常数B=3546K,25°C时的电阻值为10kΩ,如果电桥供电电压是1.35V,试确定其他电阻的阻值.解:假设补偿电桥的产生的电压为Vb,整个电路输出电压可以写成:要使环境温度对测量不产生影响,则V=VT根据中间导体定律,其中,k是热电偶在10~40°C范围内的灵敏度,为52uV/°C,补偿电桥的输出电压为:其中电桥灵敏度要求当T=25时,dVb/dT=k,则另外,要求在此温度下,电桥输出电压等于参考结点电压,即如果取R=100Ω,可以求出R1=22097Ω,R2/R3=2.15x10-25.1.4热电偶的应用标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶。除标准化热电偶外，还有针对特殊应用开发的非标热电偶。表5.1.2标准化热电偶技术数据热电偶名称分度号热电极识别E（100,0）（mV）测温范围（℃）对分度表允许偏差（℃）新极性识别长期短期等级使用温度允差铂铑10-铂S正亮白较硬0.6460~13001600Ⅲ≤600±1.5℃负亮白柔软＞600±0.25%t铂铑13-铂R正较硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃负柔软＞1100±0.25%t铂铑30-铂铑B正较硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃负稍软＞800±0.5%t镍铬-镍硅K正不亲磁4.0960~12001300Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t负稍亲磁Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t镍铬硅-镍硅N正不亲磁2.774-200~12001300Ⅰ-40~1100±1.5℃或±0.4%t负稍亲磁Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t镍铬-康铜E正暗绿9.319-200~760850Ⅱ-40~900±2.5℃或±0.75%t负亮黄Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t铜-康铜T正红色4.279-200~350400Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t负银白色Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t铁-康铜J正亲磁5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t负不亲磁

热电偶结构型式为保证热电偶的正常工作，热电偶的两极之间以及与保护套管之间都需要良好的电绝缘，而且耐高温、耐腐蚀和冲击的外保护套管也是必不可少的。

1.普通型装配式结构

2.柔性安装型铠装结构1.普通型装配式结构（a）1—接线柱；2—接线座；3—绝缘套管；4—热电极（b）1—测量端；2—热电极；3绝缘套管；4—保护管；5—接线盒2.柔性安装型铠装结构测量端的热容量小，响应速度快，绕性好，可弯曲，可以安装在狭窄或结构复杂的测量场合，耐压、耐振、耐冲击5.1热电偶传感器5.2压电式传感器5.3磁电式传感器5.4光电传感器CH5电能量型传感器PartII传感器与信号调理特点5.2压电式传感器电能机械能正压电效应逆压电效应电荷力压电效应TE+x压电效应_y逆压电效应图4-16压电效应原理示意图5.2.1压电式传感器的工作原理1、石英晶体压电效应电轴（X轴）：穿过六棱柱的棱线，垂直于Z轴（光轴）。垂直于此轴面上的压电效应最强。(1)石英晶体的结构机械轴（Y轴）：垂直于棱柱面。

在电场沿X向作用下，沿该轴方向的机械变形最大。光轴（Z轴）：垂直于XY。光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，在此方向加外力，无压电效应现象。石英晶体薄片双面镀银并封装石英晶体切片及封装(2)、力与电荷的关系

当在电轴方向施加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其大小为

qx=d11fx

产生的电荷与几何尺寸无关。纵向压电效应。

沿机械轴y方向施加作用力fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qx,其大小为式中:d12——y轴方向受力的压电系数,d12=－d11;a、b——晶体切片长度和厚度。产生的电荷与几何尺寸有关。此压电效应为横向压电效应。2、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷外形

压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。（1）未加电场电畴图4-20(a)极化处理前自发极化晶体极化取向一致的微小区域。直流电场E(b)极化处理中（2）加电场（极化处理）（20～30kV/cm的直流电场）电畴的极化方向转向，基本与电场方向一致。

剩余极化强度，材料具备压电性能。剩余极化强度剩余伸长(c)极化处理后

（3）去除电场束缚电荷电极自由电荷图4-21（a）压电陶瓷内束缚电荷与吸附自由电荷示意图Z陶瓷极化的两端的束缚电荷与在陶瓷片的电极表面吸附一层外界的自由电荷方向相反，数值相等。当压电陶瓷受到外力作用时，电畴的界限发生移动，剩余极化强度将发生变化，吸附在其表面的部分自由电荷被释放。释放的电荷量的大小与外力成正比关系，即q=d33F

（3）压电陶瓷力与电荷的关系图4-21（b）正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

极化方向－＋5.2.2压电元件的等效电路及连接方式1、压电元件的等效电路压电元件看成一个静电发生器，可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器。＋＋＋＋――――qq电极压电晶体Ca图4-22（a）压电传感器等效电路

(a)电荷源(b)电压源图4-22(b)压电传感器等效电路等效电路2、连接方式

并联方式

输出电荷大，时间常数大，适合测慢变信号，以电荷为输出的场合。（a)并联结构

(b)串联结构串联方式

输出电压大，电容、时间常数小，适合以电压为输出，高输入阻抗的场合。5.2.3压电式传感器的测量电路将压电传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗。放大传感器输出的微弱信号。前置放大器的作用1)电压放大器电路。其输出电压与输入电压成正比.2)电荷放大器电路其输出电压与输入电荷成正比。测量电路的形式－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiU0U0Ua(a)(b)Ua1、电压放大器图4-24电压放大器电路原理及其等效电路图电压放大电路输入端等效放大电路1、电压放大器压电元件受到交变力在力的作用下产生的电压按正弦规律变化送入放大器输入端的电压为输入端的电压的幅值是相位差是传感器的灵敏度为1、压电传感器不宜测量静态量，适宜测高频动态量。使用时应该注意的问题2、电缆不宜过长，否则，CC加大，使传感器的电压灵敏度下降。3、要使电压灵敏度为常数，应使压电片与前置放大器的连接导线为定长，以保证CC不变。4、测量低频信号，应增大前置放大器的输入电阻，使测量回路的时间常数增大，保证有较高的灵敏度。2、电荷放大器净输入电荷-ACfC总电荷输出电压为电荷放大器的特点是输出电压与电缆电容CC无关，即与电缆长度无关。且与输出电荷成正比。5.2.4压电式传感器的应用连接方式：采用并联接法。1、压电式加速度传感器要求：为使压电片电荷与力之间成线性关系，压电片需有一定的预压力，保证接触面均匀接触。（1）结构

图4-26压电式加速度传感器工作原理框图质量块m压电元件d,k前置放大Au,Aq提高灵敏度的措施采用较大的压电常数的材料。多片压电片组合。（2）工作原理5.1热电偶传感器5.2压电式传感器5.3磁电式传感器5.4光电传感器CH5电能量型传感器PartII传感器与信号调理磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型5.3磁电式传感器霍尔传感器5.5.1.1

磁电式传感器的工作原理

1、恒磁通磁电传感器工作原理：法拉第电磁感应定律感应电动势与线速度或角速度成正比。图4-30磁电式传感器结构图加积分电路可测位移（振幅）；加微分电路可测加速度。RCCRU0eU0e图4-31(a)积分电路图4-31(b)微分电路总结恒磁通式磁电传感器特点角速度型测速发电机动圈式振动速度传感器1、8-弹簧片2-环形阻尼器3-永久磁铁4-铝框5-芯轴6-工作线圈7-壳体9-引线2、变磁通磁电传感器结构分类：开磁路和闭磁路。应用：测量物体转速。（1）开磁路式磁电传感器工作原理图4-32开磁路磁电感应式转速传感器当齿轮旋转时，齿的凹凸引起磁阻的变化，使磁通变化，在线圈中感应出交变电动势。转速为（4-33）

（r/min）（2）闭磁路式磁电传感器工作原理图4-33磁电感应式转速传感器磁路系统：磁铁N极→转轴→转子→转定子空气隙→定子→磁铁S极。测量时，当定子与转子齿凸凸相对时，气隙最小，磁阻最小，磁通最大；当转子与定子的齿凸凹相对时，气隙最大，磁阻最大，磁通最小。磁阻周期性变化导致磁通周期性地变化，在线圈中感应出近似正弦波的电动势信号，测得感应电势的频率即可算出转速。

转子和定子的环形端部都均匀铣出等间距的一些齿和槽。要求工作原理（r/min）磁电式车速传感器3、磁电式传感器的动态特性磁电式传感器可等效成质量-弹簧-阻尼二阶机械系统。m图4-34磁电传感器等效机械系统运动方程为传递函数为频域特性幅频特性相频特性合理选取m、c、K，可以提高传感器的动态特性

5.5.1.2霍尔传感器1、霍尔传感器的工作原理1）霍尔效应

bIdUHfEvfl图4-35霍尔效应原理图B

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab（2）霍尔效应输出电压表达式推导

洛伦兹力正负电极之间形成电势为霍尔电势。T1：提高灵敏度的措施？T2：为何用半导体材料做霍尔元件？霍尔集成电路RW调节控制电流的大小。RL为负载电阻，可以是放大器的内阻或指示器内阻。霍尔效应建立的时间极短（10-12～10-14S），I、即可以是直流，也可以是交流。图4-36霍尔元件基本电路2、霍尔元件基本电路3、霍尔元件的误差与补偿产生误差的原因：一是制作工艺、制作水平的限制。二是外界温度的影响。（1）不等位电势U0及其补偿

B=0，I≠0，UH=U0≠0。U0为不等位电势。现象产生原因：①霍尔电极、激励电极焊接不在等位面上。②制作材料不均匀。结果等效的极间电阻R1、R2、R3、R4不相等。不等位电势补偿方法：在阻值较大的桥臂上并联电阻，或在两个桥臂上同时并联电阻,使R1R4=R2R3

。使灵敏度系数KH及霍尔元件内阻Ri变化。（2）霍尔元件温度误差及补偿

当温度变化时,霍尔元件的载流子浓度n、迁移率μ、电阻率ρ及系数KH都将发生变化,致使霍尔电动势变化，产生温度误差。温度误差产生原因温度误差影响结果恒流源：B、I一定，KHt变化，UH变化；恒压源：B、Ui一定时，Rit变化，I变化，UH亦变化。温度变化时对测量结果的影响补偿思想H图4-38并联电阻温度补偿电路补偿方法采用恒流源供电和输入回路并联电阻温度时温度为t时为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证补偿原理4、霍尔元件的类型（1）线性霍尔元件图4-39线性霍尔器件电路图4-40开关型霍尔集成电路的外形及内部电路（2）开关型霍尔元件5、霍尔式传感器的应用（1）霍尔式位移传感器①霍尔元件右移,Δx>0，合成磁感应强度B向上,B≠0，UH>0②霍尔元件左移，Δx<0，合成磁感应强度B向下,B≠0，UH<0。图4-41霍尔位移传感器电路（2）电流传感器

当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。霍尔钳形电流表演示直流200A量程被测电流的导线未放入铁心时示值为零70.9A70.9A被测电流的导线放入铁心时示值为70.9A。（3）霍尔式转速传感器

在电子水表、煤气表中作为流量检测元件。车速测量。原理式

霍尔式转速传感器案例：汽车速度测量5.1热电传感器5.2压电传感器5.3磁电传感器5.4光电传感器CH5电能量型传感器PartII传感器与信号调理NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen97光电检测的特点非接触测量、精度高、可靠性高、反应快。5.4光电传感器NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen98光电探测元件光电管光电倍增管硅光电池(photovoltaiccell)光电二极管和光电三极管其它(光敏电阻,光电开关)光电二极管阵列光电位置传感器(positionsensitivedetector)光电成像器件(e.g.CCD,CMOS)NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen99

Inthephotoelectriceffect,electronsareemittedfrommatter(metalsandnon-metallicsolids,liquidsorgases)asaconsequenceoftheirabsorptionofenergyfromelectromagneticradiation(电磁辐射）ofveryshortwavelength,suchasvisibleorultraviolet

light.

外光电效应5.4.1外光电效应与器件光子的能量：E=hf,h=6.62*10-34(J.S)光电光电效应方程：

hf=mv2/2+A0NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen100光电管(Phototube)

分为真空光电管(vacuumtube)和充气光电管(gas-filledtube).

真空光电管一般由阴极(cathode),阳极(anode)和真空玻璃管(vacuumtube)组成。

5.4.1外光电效应与器件NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen101光电倍增管（PMT）PMTareextremelysensitivedetectorsoflightintheultraviolet,visible,andnear-infraredrangesoftheelectromagneticspectrum.当阴极受到光线照射后发射出光电子,光电子在极间电场的作用下打在第一个倍增极上(Dynode)，激发出多个光电子,这些光电子接着打到第二个倍增极,产生更多的光电子,如此经过几个倍增极后，电子流迅速增大,最后被阳极吸收,从阳极电路输出。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen103

入射光子在物质内部产生光生载流子，这些光生载流子引起物质电学性质发生变化，这种物理现象称为内量子效应。如光电导效应(photoconductiveeffect)，光生伏特效应(photovoltaiceffect)。光电导效应

半导体吸收光子的能量，通过本征激发产生电子-空穴对，这时在外电场作用下通过的电流会增大,即半导体的电导率增大。典型器件有光敏电阻。5.4.2内光电效应与器件NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen104

无光照时,PN结内存在一个自建电场.当光照射PN结及其附近时，在结区附近产生少数载流子，这些载流子在自建场的作用下分别向P区和N区移动，在半导体内部产生附加光势垒，即光生电势。这一现象称为光生伏特效应。光生伏特效应(photo-voltaiceffect)迁移区域P型N型导带价带费米能级PN结的光电效应hv光生伏特效应的入射光临界波长决定于半导体材料的禁带宽度。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen105光电效应存在临界波长。临界波长由材料的禁带宽度决定。以硅光敏传感器为例，硅的禁带宽度Eg=1.11eV,1eV=1.6*10-19焦耳。所以硅敏传感器的临界波长为：而CdS的禁带宽度Eg=2.42eV，其临界波长为：NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen106

光电池广泛用于光电转换、光探测和光能应用领域。有硒光电池，硅光电池，硫化银光电池等。其中硅光电池目前最为常见。硅光电池峰值波长为0.8um。有2DR型和2CR型。

2DR型：基片是P型硅，上面扩散磷形成N型薄膜， 受光面是N型层；

2CR型：N型基片，上面扩散有硼形成P型层，受光面 为P型层。P型层基片电极N型层PN结栅状电极2DR型光电池(Photovoltaiccell)N型层基片电极P型层PN结栅状电极2CR型NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen107RFVo硅光电池工作电路硅光电池工作时不需要外加偏置电压，使用比较方便。缺点是响应时间长。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen109

国产硅光敏二极管有2CU和2DU两种系列。2CU以N型硅为基底，2DU型以P型硅为基底。 半导体材料采用硅。Eg=1.12eV管芯电极NP管芯断面光敏二极管(photodiode)RL普通光敏二极管的基本结构NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen110光敏二极管的特性光照特性反向电压/V2500lux2000lux1500lux1000lux1000lux25015010050200102030光电流uA151052050100150200照度/lxNorthChinaUniversityofTechnology/XuFen111国产光敏二极管的特性NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen112带运放的接口电路+12V--+Rf0.1uF10uFR1R2基于BJT的接口电路NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen113--+U=Is*RfcfRfLF411CN不加反向偏压的光电管的电流检测工作方式NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen114具有高带宽的光敏二极管互阻放大接口电路NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen115PIN型光敏二极管(PINphotodiode)PIN-PD在P区和N区中间加入一个本征的I区,I层是高阻区，外加偏压大部分落在I区，使耗尽区(depletionregion)变宽，增大了光电转换的有效区域,提高了灵敏度；耗尽区变宽,增加了二极管的反向阻抗,从而保证二极管有一个较高的反向击穿电压；耗尽区变宽使PN结的结电容减小,可以提高器件的响应速度。N+光IP+NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen116材料掺杂均匀，PN结面积较大，减少表面漏电流。原理在一个较高的反向偏置电压作用下，光生载流子在强电场作用下，加速运动，碰撞产生更多的电子-空穴对，使输出信号倍增。优点：灵敏度高；缺点：对温度特别敏感，每个APD放大倍数各不相同。雪崩二极管APD(Avalanchephotodiode)P光N+Al电极（+）-SO2NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen117RFVo过压检测和保护电路高反压电源（带温度补偿功能）限流电阻（1M欧以上）APDAPD接口电路的基本形式NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen118

光电三极管有NPN型和PNP型。结构与三极管相似，具有电流增益。只是发射极很大，以扩大光的照射面积，且基极没有引出线。国产硅光三极管有3CU（PNP）和3DU（NPN）系列。NNPcbeecbec光电三极管(photo-transistor)结构原理图符号光耦光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的电-光-电转换器件。光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen122

利用光刻技术，将一整块的圆形或方形光敏器件敏感面分成若干个面积相等、形状相同、位置对称的区域，各分隔面引出导线，就构成象限探测器。功能用来确定光点在二维平面上的位置坐标。典型器件 四象限光电二极管，四象限硅光电池，四象限光电倍增管等。缺点分辩率和精度有限，存在测量死区。四象限探测器NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen123 PSD(PositionSensitiveDevice)可以输出与入射光点在光敏感面上的位置相关的电信号，而且能同时输出入射光的光强。其精度和分辨率都较象限探测器高。光电位置传感器(PSD)NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen124P层I层N层123I2I1I0LL左图为PIN型PSD的断面示意图，包含有三层。P层既是光敏层，也是一个均匀的电阻层。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen125入射光在入射位置产生与光能成比例的电荷数。电荷作为光电流通过电阻层由电极输出。电极1和电极2的输出电流分别与光点到各电极的距离成反比。电极3处于中心点位置，其电流等于电极1和电极2的电流和。P层I层N层123I2I1I0LLXANorthChinaUniversityofTechnology/XuFen126One-dimensionPSD如S1545,用来测量光点在一维方向上的位置。感光面一般为细长矩形条。其等效电路如左图所示。入射光点的位置计算如下1RDRshIpVDCj23NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen127Two-dimensionPSD用来测量光点在平面上的二维坐标。感光面是方形的。有两对电极，在上下两个表面上，互相垂直。其等效电路如左图所示。入射光点的位置计算如下RDRshIpVDCj12RD343124NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen128

光敏管阵列将多个光敏管集成在一个硅片上，各管的同一极端连接在一起，另一端各自单独引出。阵列中的每一个光电管成为像元。每个像元有独自的信号处理和放大电路。光敏阵列(Photodetectorarray)NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen129

当光敏管中的像元数目较多时，一般采用自扫描光电二极管阵列(SSPD)。SSPD内部集成了数字移位寄存器等电路。其工作方式为电荷存储方式，通过对结电容的不断充电、放电，输出该像元上的光照度大小。NPSiO2栅极漏极源极Al膜左图为SSPD像元的结构图。结构类似于普通的MOSFET,但其氧化层部分裸露，以便光线透过氧化层照射到PN结上。P型层与N硅衬底之间形成一个PN结型光电二极管。Xi’anJiaotongUniversity

图像传感器图像传感器是在光电技术基础上发展起来的将光学图像转换成电信号的器件，分为真空管图像传感器和半导体图像传感器。其中半导体固态图像传感器可以在一个器件上完成光电信号的转换、传输和处理。半导体图像传感器类型电荷耦合器件（CCD）互补式金属-氧化物-半导体（CMOS）型NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen131P-SiSiO2金属UgMOSCapacitorCCD结构示意图P-Si输入栅输出栅CCD的基本单元是像素。每个像素由光敏区和电荷输出区组成。光敏区越大，则填充因子大，像素灵敏度越高。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen132MOSCapacitor123412341234耗尽层反型层半导体氧化物金属电子能量耗尽层(势阱）1-导带底能量Ec2-禁带中央能级Ei3-费米能级Ef4-价带顶能级Ev不同偏置下理想MOS结构能带图CCD是在MOS电容器未达到热平衡之前，利用深耗尽区来存储和转移信号。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen133CCD的电极结构 电极即MOS结构的栅极，每位的电极数称为‘相’。电极结构有二相、三相、四相，分别需要二相、三相、四相驱动时序。三相驱动CCD

当栅极处于高电平控制时，其下的势阱很深，信号电荷储存其中，当栅极由高电平转为低电平时，势阱变浅，信号电荷转移。如此在三相时钟信号的驱动下，信号电荷逐渐从一个栅极转移到另一个栅极。 完成信号电荷从第一位传到第二位，需要一个时钟周期。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen135

线阵CCD

分单通道型和双通道型。在单通道型中，移位寄存器分布在光敏区的一侧，转移次数多。在双通道型中，移位寄存器分排在光敏区的两侧，在相同光敏单元数情况下，转移次数减小一半，因此转移效率更高。从应用方面来划分，CCD有线阵(lineararray)和面阵(areaarray)两大类。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen136面阵CCD

面阵CCD的结构形式主要有帧转移(FrameTransfer)和行间转移(InterlineTransfer)方式。FT型CCD包括光敏区、暂存区和转移区。暂存区与光敏区结构相同，但是覆盖有金属层遮光。在感光时间结束后，敏感区的信号一次平移到暂存区，敏感区可以开始另一次积分，而暂存区的信号则逐行地转移到水平输出寄存器，由输出寄存器一行一行地输出。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen137

在InterlineTransferCCD图象传感器中，每列光敏单元的右边是一个垂直移位寄存器，光敏元与转移单元间一一对应，之间的转移由转移栅控制。底部是一个水平输出寄存器，单元数等于垂直寄存器个数。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen138CCD芯片不能区分不同光谱的颜色，为了区分光谱的RGB三基色，常采用两种方式：1）三CCD结构：利用三棱镜组将图像分为RGB三基色图像，分别投影到三片CCD芯片上。图片质量高；结构复杂，价格昂贵NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen1392）彩色滤波阵列—Bayer滤波器模式彩色滤波马赛克；牺牲分辨率，简化结构，降低价格；通过反马赛克算法从Bayer模式图像恢复出RGB模式图像。NorthChinaUniversityofTechnology/XuFen140CCD长宽比为4：3，常见规格有：Xi’anJiaotongUniversity1.响应度（灵敏度）：光电转换效率，输出电信号与输入光信号能量之比；与入射光波长有关，因此分为光谱响应度（对特定波长入射光）和积分响应度（对连续波长辐射光）；2.光谱特性：响应度与入射光频率或波长的关系（光谱峰值）；

CCD硅晶片对400nm至1060nm的光波都很敏感，为使CCD和人眼对外界图像的感应尽可能一致，常在CCD前方加入红外滤波器（Infra-RedFilter）。在机器视觉中，可将IR滤波器去掉，或加入特定光谱滤波器，制成红外光感应器。CCD的基本特性参数Xi’anJiaotongUniversityCCD的光谱特性Xi’anJiaot