信息与通信光电式传感器

2024/8/261

物质受到光照会发生某些电学特性的变化，这一现象称为光电效应。光电效应：光电子发射效应光电导效应光生伏特效应三种类型发生在物体内部发生在物体表面半导体金属8.1

光电器件2024/8/262

当物质受到光照射时，电子得到了足够的光能会从物质表面上放射出来的现象，称为光电子发射。普通光电管和光电倍增管就是利用这种原理制成的。

光电子发射效应（外光电效应）

当物质受到光的照射时，载流子的浓度增加，电导率增大的现象，称为光电导效应。光敏电阻就是利用这种效应制成的。光电导效应（内光电效应）光电式传感器2024/8/263

在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。光电池就是利用这种效应制成的。光生伏特效应（内光电效应）1、光电发射型器件非电量转换光亮变化光子光电器件光电效应电流（电子）光电式传感器2024/8/264光电式传感器光电效应方程：光是一粒一粒运动着的粒子流，即光子每个光子的能量为hf光子打在光电材料上，光子与电子进行能量交换能量转换为：电子逸出功+初始动能h－普朗克常数 hf－光子的能量f－光的频率m－电子质量v－电子初速度A－电子逸出功爱因斯坦假说：2024/8/265光电式传感器红限频率:产生光电子发射的最低当入射光的频率f<f0时，则不能激发光电子。用波长表示外光电效应多发生于金属和金属氧化物表面，且是瞬时发生的，滞后时间不超过10-9s2024/8/266光电式传感器光电器件：光电管：透光的玻璃外壳阳极A涂有光电发射材料的阴极K抽真空或少量惰性气体ERLAKU光电管光电倍增管入射光→负载RL的光电流光电流与入射光强不成比例温度影响大，灵敏度低容易衰老2024/8/267倍增极+能发射更多电子的材料I=I0(cδ)nδ—每极的倍增率（一个电子能轰击产生出δ个次级电子）

C—各次阴极电子收集效率光电式传感器—光电倍增管阴极K第一倍增极第四倍增极第三倍增极第二倍增极阳极A入射光RLU0D1D4D3D2IAKAR4R3R2R1R5特点：灵敏度高适合弱光强光易损坏2024/8/268随着半导体器件的发展，出现了大量的以半导体为材料的基于内光电效应器件：光电阻光敏管光电池2024/8/2692、光导型光电器件

光照在半导体材料上，电子从价带→禁带→导带，形成自由电子，使导电性增强。导带Eg禁带价带E红限频率：ΔEg—光电材料禁带宽度h---普朗克常数光电式传感器2024/8/2610光敏电阻RGRL光敏电阻光电式传感器光敏电阻是一种电阻器件，可以在交流或直流电压下工作。无光照射时：呈现高阻状态，称暗阻，一般在兆欧级。有光照射时：呈现低阻状态，称亮阻，一般在几千欧以下。灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜。在检测与自动化技术中广泛应用2024/8/2611光敏二极管RL光敏二极管光电式传感器器件结构与二极管相似，一般处于反向工作区，只能在直流电压下工作。光照射的反向电流基本上与光强成正比。光敏三极管光敏三极管RL光敏三极管比光敏二极管更高的灵敏度2024/8/2612gnd1gnd2vcc1vcc2发光二极管和光敏三极管共体光电式传感器2024/8/26133、光伏型光电器件——光电池光照在半导体材料上，若E>Eg,，PN结内产生电子-空穴对，PN结两端产生电动势，直接将光能转变成电能。光生电子-空穴对+PN-光电式传感器2024/8/2614光电器件：光电池二、光电器件的基本特性光电式传感器φ

－光通量（lumen）1.光电特性当光电器件电极上的电压一定时,光电流I与光通量关系I＝F（φ）2024/8/2615E－照度（lux）2、光照特性当光电器件电极上的电压一定时，光电流I与光照度关系I＝F（E）真空光电管光电特性呈现线性关系光电式传感器2024/8/2616光电倍增管灵敏度高，线性范围大光敏电阻非线性，作为开关元件光电式传感器2024/8/2617硅光电池开路电压呈非线性短路电流呈线性光敏二极管线性特性好，用于检测光电式传感器开路电压短路电流2024/8/2618光敏三极管线性特性好，用于弱光检测3、光谱特性I=F(λ)λ－入射光波长光电式传感器2024/8/2619真空管光电倍增管光敏电阻硫化镉硫化铊硫化铅锑—钾—铯光电式传感器2024/8/2620硅光电池光敏晶体管硒硅硅锗光电式传感器2024/8/2621

光谱特性与制造器件的材料有关，也与制造工艺有关。不同材料对应不同的红线频率。各种敏感材料对不同的波长灵敏度不一样。每一种材料只对某一种波长的灵敏度最高。2024/8/26224、伏安特性当光通量或照度一定，I=F（U）光敏电阻真空管光电倍增管光电式传感器2024/8/2623光电池光敏晶体管光电式传感器2024/8/2624I=F1（f）或S＝F2（f）电压、光强相同5、频率特性S－灵敏度f－光调制频率真空管硫化铅硫化铊光敏电阻光电式传感器2024/8/2625硅光电池硒光电池光电池RL=1kΩ光敏三极管光电式传感器2024/8/2626短路电流开路电压硅光电池光敏三极管暗电流光电流光敏电阻光电式传感器6、温度特性温度变化对元件特性的影响2024/8/2627三、光电式传感器的基本组成和类型光源光学通路光电器件测量电路φ1φ2IX1被测量X2被测量把光电器件输出电信号转换成电路的可用信号1、基本组成光电式传感器2024/8/26282、基本类型（1）透射式φp＝φ0－φA

φA－被测对象A所吸收的光通量

φP－光敏元件所接收的光通量

φ0－光源发出一定的光通量I＝F(φP)＝F’(φA)测量液体、气体和固体的透明度和混浊度。AφA光敏元件φpI被测对象φ0光电式传感器2024/8/2629(2)反射式测量表面粗糙度φp＝φ0－φAφA－被测对象损失光通量(3)辐射式I＝F(φP)＝F(φ0)＝F’(T)如光电高温计、和炉子燃烧监视装置φp＝φ0光电式传感器2024/8/2630(4)遮挡式I＝F（φP）＝F’（φA）光敏元件(5)开关式，光路“通”与“不通”用于开关，计数，编码等。光电式传感器2024/8/26318.2电荷耦合器件优点：寿命长。CCD摄像管的寿命约20一30年。成本低。用CCD摄像管构成的摄像机没有电子枪及其附属设备，体积小，成本低。机械性能好，耐震、耐撞，不怕强光照射。重合精度高。摄像管与镜头固定牢固，匹配精确。暂留特性好，适于拍摄运动图像。

2024/8/2632CCD的基本工作原理①CCD的电荷存储构成CCD的基本单元是MOS电容器，由金属、氧化物、半导体材料构成。

2024/8/2633原理

工作原理是依靠MOS电容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。2024/8/2634当MOS电容栅压增高时，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。电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当栅压增加，势阱变深；当栅压减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。2024/8/26352024/8/26362024/8/26372024/8/26382024/8/2639

在一定的条件下，所加VG越大，耗尽层越深，MOS电容器所容纳的少数载流子电荷量就越大。2024/8/26402024/8/26412024/8/26422024/8/2643

CCD信号电荷产生有两种方式：光信号注入和电压信号注入。用做图像传感器时，由光注入电荷信号。

势阱内的电荷包是由光敏材料受光照射后激发→产生电子空穴对在栅极电压的作用下，空穴被排斥进入衬底而电子被收集在势阱里，成为信号电荷存储电荷的多少正比于照射光强这就是CCD摄像器件的光电变换过程。②光信号注入与电荷产生2024/8/2644光注入方式有：正面照射：电极用透明导电材料（氧化锡、氧化钛等）制作。背面照射：需将衬底减薄直接照射：在每个光敏单元的电极下开一个很小的孔，光线直接照射到硅片表面通常在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立的排列的MOS光敏源，称为光敏源阵列。如果在金属电极上施加一正偏压，则在硅片上形成几百或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏元就感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，这就是电荷耦合摄像器件的基本原理。2024/8/2645③电荷转移CCD的最基本结构是彼此非常靠近的一系列MOS电容器，耗尽区能够在控制下相通，这是保证相邻的势阱耦合和电荷转移的基本条件。任何可移动的电荷信号总是力图向表面势大的位置移动，→相邻势阱间的电荷转移。实现电荷转移的驱动脉冲有二相，三相、四相。2024/8/2646123456

t=t1时，电极1、4在V1的作用下形成势阱，并存有电荷。2024/8/2647123456

t=t2时，电极2、5在V2的作用下形成势阱，电极1、4下面的势阱变浅，所存电荷开始向2、5转移。2024/8/2648123456

t=t3时，电极1、4下面的势阱消失，电荷完全转到电极2、5下面。2024/8/2649123456

t=t4时，电极3、6在V3的作用下形成势阱，电极2、5下面的势阱变浅，所存电荷开始向3、6转移。2024/8/2650123456

t=t4时，电极2、5下面的势阱消失，电荷完全转到电极3、6下面。2024/8/2651t=t+T时，原电极1下面的电荷全部转到电极4下面。123456

2024/8/26522024/8/26532024/8/26542024/8/2655④CCD的信号输出每个象素下面势阱内的电荷包通过转移后，顺序向外电路输出，并转换成信号电流或电压的形式，由外电路放大和处理。常用的电路结构是反偏二极管CCD输出方式。在一个作为负载的电容上可得到相应的离散的负极性脉冲电压，形成负极性图象信号。2024/8/26562024/8/26572024/8/26582024/8/26592024/8/26602024/8/26612024/8/26622024/8/2663CCD摄像器件线阵CCD

面阵CCD摄像器件2024/8/26641.光积蓄式线阵CCD光敏元件与电荷移位寄存器合二为一优点：简单缺点：易产生“拖影”，须用机械式快门因此不实用！CCD放大器光机械快门2024/8/26652.分离式单通道线阵CCD光敏单元与电荷移位寄存器互为分离，当转移控制栅开启时，信号电荷同时平行读入电荷移位寄存器，然后再转移出去。2024/8/26662024/8/26672024/8/26682024/8/26692024/8/26703.双通道线阵CCD转移寄存器分别配置在光敏线列两侧

2024/8/26712024/8/26722024/8/26732024/8/2674双通道线阵CCD优点：①与长度相同的分离式相比，两倍分辨率。②转移寄存器的级数小，电荷转移损失小。③尺寸小双通道式已经发展成为线型固态图像传感器的主要构成。2024/8/2675线型CCD的主要用途测量扫描仪、传真机、数字复印机等

举例说明在测量上的应用2024/8/26762024/8/26772024/8/26782024/8/2679面阵CCD摄像器件行间转移式（IT）帧间转移式（FT）行帧间转移式（FIT）2024/8/2680行间转移式（IT）IT式CCD中一列列感光单元与一列列垂直移位寄存器相间的排列，最下面是一个水平移位寄存器。场消隐期间电荷包从各个感光单元转移到垂直移存器，场正程期间感光单元重新积累电荷包，同时场正程内的行逆程期间垂直移存器将电荷包向下转移一个单元，最下一行电荷包进入水平移存器，而场正程内的行正程期间水平移存器将一行的电荷包顺序移至输出端，形成一行图象信号。2024/8/26812024/8/26822024/8/26832024/8/26842024/8/2685帧间转移式（FT）FT式CCD有一个成像部分和一个与之大小相同和单元数目相同的存储部分，以及一个水平移位寄存存器。场消隐期间成像部分中各个电荷包一一对应的移入存储部分各势阱内，然后，场正程期间电荷包的转移和输出象ITCCD一样。2024/8/26862024/8/26872024/8/26882024/8/26892024/8/2690行帧间转移式（FIT）IT式CCD的一个缺点是高亮点景象会在重现图象上出现垂直拖影，FT的缺点是需要在成像部分前加装一个与场频同步的旋转遮光片式机械快门。结合二者，制作FITCCD，其工作原理是两者之和，但是电荷包从垂直方向转移的速度比IT式快上千倍。2024/8/26912024/8/26922024/8/26932024/8/26942024/8/26952024/8/26962024/8/2697电子快门CCD摄像器件有附加电子快门的工作原理是将一场内积累电荷包的时间分为两段，前一段积累的电荷包用溢流沟道吸收后舍弃掉，后一段积累的电荷包正式用于读出。后一段时期越短，相当于电子快门速度越快。2024/8/26988.3光纤传感器灵敏度高，电绝缘性能好，耐腐蚀，抗电磁干扰，耐高温、体积小、重量轻用途优点测量位移、速度、加速度、压力、温度液压、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等2024/8/2699一、光导纤维的结构和传光原理纤芯：光的传输通道，直径5μm-75μm包层：直径100μm-200μm外套：增强机械强度，直径1mm1.结构光纤传感器2024/8/261001）按传输方式分：2.种类玻璃和塑料单模：纤芯直径只有波长的几倍，纤芯细，包层厚，传输性能好，制造困难光纤传感器

单模光纤的纤芯直径通常为2~12μm,很细的纤芯半径接近于光源波长的长度,仅能维持一种模式传播,一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤。2024/8/26101多模：纤芯直径比波长大很多倍，纤芯粗，包层薄，制造容易。光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。光纤传感器2024/8/261022）按折射率分为阶跃型和缓变型阶跃型：纤芯的折射率沿径向为定值缓变型：在中心轴上最大，沿径向逐渐变小光纤传感器2024/8/261033）按光纤在传感器中的作用功能性：光纤自身作为敏感元件非功能性：光纤只是作为传播光的介质光纤传感器2024/8/26104光纤传感器实例2024/8/261053.传光原理①入射角θ1

光密介质n1→光疏介质n2，n1>n2以θ2折射到介质2→a”以θ1反射回介质1→a’n1sinθ1＝n2sinθ2∵n1>n2，∴θ1<θ2光纤传感器θ21θa”a’a介质2（n2）介质1（n1）θ1θ2024/8/26106②当θ1＝θc时，θ2＝90°，此时，

n1sinθ1＝n2×sin90°＝n2有：光纤传感器θ2＝90°θCθCc”c’a’ac介质2（n2）介质1（n1）θ2024/8/26107③当θ1>θC时，光不再产生折射，称为全反射即光纤传感器θ’1b’b介质2（n2）介质1（n1）2024/8/26108

由于光纤的折射率（n1）大于包层的折射率（n2），只要满足上述全反射的条件，光在光纤的传播成“Z”字形向前传播。光纤的可弯曲,必须：R〉4d通常d为几十微米注意光纤传感器2024/8/26109光纤端面的入射角φ0φ0进入光纤φ1折射θ1=sin(90°-φ1)入射到界面若欲满足全反射条件，则有即：2φcθ1φ1φ0φ’0n0n1n2包层光纤传感器2024/8/26110

能在光纤内产生全反射的端面入射角φ0的最大允许值，即光纤的数值孔径

只有当入射光处于2φC夹角内，进入光纤后才能满足全反射条件。结论光纤传感器2024/8/26111二、光纤传感器的基本原理

被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光的强度（振幅）相位，频率或偏振态随被测量变化而变化，再通过对被调制过的光信号进行检测与解调，从而获得被测参数。三、传输光的调制方式对传输光的调制法：光通量、光相位、光频率、光波