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第10章 光电式传感器 传感器与自动检测技术 电子发 烧友 电子 技术论坛 光电式传感器概念 n光电式传感器（或称光敏传感器） n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。 n按工作原理分类 n光电效应传感器 n红外热释电探测器 n固体图像传感器 n光纤传感器 电子发 烧友 电子 技术论坛 10.1 光电式传感器的基本形式 n由光路及电路两大部分组成 n光路部分实现被测信号对光量的控制和 调制 n电路部分完成从光信号到电信号的转换 电子发 烧友 电子 技术论坛 四种基本形式 n透射式 n反射式 n辐射式 n开关式 电子发 烧友 电子 技术论坛 10.2 光电效应与光电器件 n光子是具有能量的粒子，每个光子的能 量可表示为 n光电效应方程 电子发 烧友 电子 技术论坛 光电器件 n光电器件是将光能转变为电能的一种传 感器件。是构成光电式传感器的主要部 件。 n光电器件工件的物理基础：光电效应。 n光电效应分为：内光电效应、外光电效 应 电子发 烧友 电子 技术论坛 10.2.1 外光电效应型光电器件 n当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子 的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的 光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它 的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象 称为外光电效应。 n即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的 现象。 n根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增 管。 电子发 烧友 电子 技术论坛 1、光电管及其基本特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 光电管的伏安特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 光电管的光照特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 光电管的光谱特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 2、光电倍增管及其基本特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 主要参数 n倍增系数 M n阳极电流 n光电倍增管的电流放大倍数 n光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 n暗电流 n光电倍增管的光谱特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 10.2.2 内光电效应型光电器件 n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 n这种效应可分为因光照引起半导体电阻率 变化的光电导效应和因光照产生电动势的 光生伏特效应两种 电子发 烧友 电子 技术论坛 内光电效应分类 光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量 ， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的 导电性增加，阻值减低的现象。如光敏电阻 光生伏特效应 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。如光电池。 电子发 烧友 电子 技术论坛 （1）光敏电阻 n 1. 光敏电阻的结构与工作原理 n 光敏电阴是用半导体材料制成的光电器件。光敏电 阻没有极性， 使用时既可加直流电压，也可以加交流 电压。 n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）急剧减小，电路中电流迅 速增大。 n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值一般在 兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下。 电子发 烧友 电子 技术论坛 光敏电阻的结构 光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图 电子发 烧友 电子 技术论坛 2. 光敏电阻的主要参数 n暗电阻 n光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻 ， 此时流过的电流称为暗电流。 n亮电阻 n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。 n光电流 n亮电流与暗电流之差 电子发 烧友 电子 技术论坛 3、光敏电阻的基本特性 n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。 图 10.9 硫化镉光敏电阻的伏安特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 光照特性 n指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关 系图10.10 光敏电阻的光照特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 光谱特性 n光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系。即光敏电阻对 入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光 有不同的灵敏度。 图10.11 光敏电阻的光谱特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 频率特性 n光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电 阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表 示，对应着不同材料的频率特性。 图10.12 光敏电阻的频率特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 温度特性 n光敏电阻和其它半导体器件一样 ，受温度影响较大。温度变化时 ，影响光敏电阻的光谱响应、灵 敏度和暗电阻。 n硫化铅光敏电阻受温度影响更大 。 图 10.13 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 （2）光电池 n光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。即 电源。 n工作原理：基于“光生伏特效应”。 n光电池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， 若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-空穴对从表面向内迅速扩散， 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。 电子发 烧友 电子 技术论坛 光电池结构、符号 电子发 烧友 电子 技术论坛 光电池种类 n光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、 锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等 n最受人们重视的是硅光电池。因为它具有性能 稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高 、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。 它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太 阳能电池，而且也广泛应用于自动检测和其它 测试系统中 n硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围 ，所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用 到。 电子发 烧友 电子 技术论坛 光电池基本特性 n光谱特性 n光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。 硅光电池的光谱特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 光照特性 n光电池在不同光照度下， 其光电流和光生 电动势是不同的，它们之间的关系就是光照 特性 硅光电池的光照特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 频率特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 温度特性 n是描述光电池的开路电压和短路电流随温度 变化的情况。 硅光电池的温度特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 （3）光敏二极管和光敏三极管 电子发 烧友 电子 技术论坛 光敏二极管工作原理 n光敏二极管的结构与一般二极管相似、 光敏二极管在 电路中一般是处于反向工作状态。 n在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这 反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在 PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对， 它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电 流。光的照度越大，光电流越大。 n光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射 时处于导通状态。 电子发 烧友 电子 技术论坛 光敏晶体管 光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极 一边做得很大，以扩大光的照射面积。 大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为 正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压， 当光照射在集电 结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极 ，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大 量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的 倍，所以光敏晶体管有放大作用。 电子发 烧友 电子 技术论坛 NPN型光敏晶体管结构和基本电路 电子发 烧友 电子 技术论坛 光敏管的基本特性 n光敏晶体管的光谱特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 n伏安特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 光照特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 频率特性 电子发 烧友 电子 技术论坛 光敏二极管和三极管的主要差别 n光电流 n光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般 都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍 。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不 超过1uA。 n响应时间 n光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为5 10us。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有 在工作频率较低时，才选用光敏三极管。 n输出特性 n光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。 电子发 烧友 电子 技术论坛 总结 电子发 烧友 电子 技术论坛 10.3 CCD固体图像传感器 n电荷耦合器件（Charge Couple Device, 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。 n它以电荷为信号， 具有光电信号转换、 存储、 转移并读出信号电荷的功能。 电子发 烧友 电子 技术论坛 1. CCD的工作原理 n（1） 结构 nCCD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。 它以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一 层SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极 而构成MOS电容转移器件。这样一个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。 电子发 烧友 电子 技术论坛 图10.23 P型 MOS光敏元 电子发 烧友 电子 技术论坛 (2) 电荷存储原理 构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其它电容器一样， MOS电容器能够 存储电荷。 如果MOS电容器中的半导体是P型硅，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， 也称表面势阱。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。 电子发 烧友 电子 技术论坛 （3）电荷转移原理 nCCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近的 MOS光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底 ；氧化层均匀、连续；相邻金属电极间隔极小 。 n任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置 移动。 n为了保证信号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路电压脉冲要求 严格满足相位要求。 电子发 烧友 电子 技术论坛 三相CCD时钟电压与电荷转移的关系 (a) 三相时钟脉冲波形； (b) 电荷转移过程 电子发 烧友 电子 技术论坛 （4）电荷注入方法 电荷注入方法 （a） 背面光注入； （b） 电注入 电子发 烧友 电子 技术论坛 （5）电荷的输出 图10.27 CCD输出端结构 电子发 烧友 电子 技术论坛 10.3.2 CCD固体图像传感器的分类 n线阵型CCD图像传感器 电子发 烧友 电子 技术论坛 n面阵型CCD图像传感器 电子发 烧友 电子 技术论坛 10.3.3 CCD图像传感器的特性参数 n光电转移效率 n总转移效率 电子发 烧友 电子 技术论坛 分辨率 n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， 用调制转移函数MTF来表征。 n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 化称为调制转移函数MTF。 电子发 烧友 电子 技术论坛 暗电流 n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。光信号电荷的积累时间越长，其影响就 越大。 n暗电流的产生不均匀，在图像传感器中出现固定图形 ，暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围，暗电流大 的地方，多数会出现暗电流尖峰。 n暗电流与温度密切有关，温度每降低10，暗电流约 减小一半。 n对于每个器件，产生暗电流尖峰的缺陷总是出现在相 同位置的单元上，利用信号处理，把出现暗电流尖峰 的单元位置存贮在PROM(可编程只读存贮器)中，单独 读取相应单元的信号值，就能消除暗电流尖峰的影响 。 电子发 烧友 电子 技术论坛 灵敏度及光谱响应 电子发 烧友 电子 技术论坛 噪声 nCCD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。 n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。 电子发 烧友 电子 技术论坛 10.3.4 CCD固体图像传感器的应用 n CCD固体图像传感器的应用主要在以下几方面： n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。 n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。 n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。 n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)。 电子发 烧友 电子 技术论坛 典型应用实例 n尺寸自动检测 电子发 烧友 电子 技术论坛 物体轮廓尺寸的检测 n小尺寸物体投影 电子发 烧友 电子 技术论坛 n大尺寸物体光学成像 电子发 烧友 电子 技术论坛 2、光学字符识别和图像传真 电子发 烧友 电子 技术论坛 3、射线成像检测 电子发 烧友 电子 技术论坛 10.4 光纤传感器 n光纤传感器的特点： n极高的灵敏度和精度 n固有的安全性好 n抗电磁干扰 n高绝缘强度 n耐腐蚀 n集传感与传输于一体 n能与数字通信系统兼容等 n光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于位移、 振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等 70多个物理量的测量 n在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面有 广泛的应用前景。 电子发 烧友 电子 技术论坛 1、光纤的结构 电子发 烧友 电子 技术论坛 2、光纤的传光原理 图8-34 光纤的传光原理 电子发 烧友 电子 技术论坛 3、光导纤维的主要参数 n数值孔径NA 电子发 烧友 电子 技术论坛 光纤模式 n光波在光纤中的传播途径和方式称为光纤模式。对于 不同入射角的光线，在界面反射的次数是不同的，传 递的光波间的干涉也是不同的，这就是传播模式不同 。一般总希望光纤信号的模式数量要少，以减小信号 畸变的可能。 n单模光纤直径较小，只能传输一种模式。其优点是： 信号畸变小、信息容量大、线性好、灵敏度高；缺点 ：纤芯较小，制造、连接、耦合较困难。 n多模光纤直径较大，传输模式不只一种，其缺点是： 性能较差。优点：纤芯面积较大，制造、连接、耦合 容易。 电子发 烧友 电子 技术论坛 传播损耗 n光信号在光纤中的传播不可避免地存在 着损耗。 n光纤传输损耗主要有材料吸收损耗（因 材料密度及浓度不均匀引起）、散射损 耗（因光纤拉制时粗细不均匀引起）、 光波导弯曲损耗（因光纤在使用中可能 发生弯曲引起）。 电子发 烧友 电子 技术论坛 光纤传感器 n工作原理 n由于外界因素（温度、压力、电场、磁场、 振动等）对光纤的作用，会引起光波特征参 量（振幅、相位、频率、偏振态等）发生变 化，只要能测出这些参量随外界因素的变化 关系，就可以用它作为传感元件来检测对应 物理量的变化 电子发 烧友 电子 技术论坛 光纤传感器的组成 n由光源、光纤耦合器、光纤、光探测器等组成。 n光源 n一般要求光源的体积尽量小，以利于它与光纤耦合；光源发出的 光波长应合适，以便减少光在光纤中传输的损失；光源要有足够 亮度，以便提高传感器的输出信号。另外还要求光源稳定性好、 噪声小、安装方便和寿命长等。 n 光纤传感器使用的光源种类很多，按照光的相干性可分为相干 光和非相干光。非相干光源有白炽光、发光二极管；相干光源包 括各种激光器，如氦氖激光器、半导体激光二极管等。 n光探测器 n 光探测器的作用是把传送到接收端的光信号转换成电信号，以 便作进一步的处理。它和光源的作用相反，常用的光探测器有光 敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等。 http: