第8章 光电传感器.doc

第8章 光电传感器主要内容：8.1 光电效应8.2 光电器件光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电晶体管、光电池、其他光电器件、电荷耦合器8.3 光纤传感器8.4 光栅式传感器概述：光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器件种类很多，如：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏晶极管、光电池、光电耦合器件（CCD）、光纤等等。81 光电效应传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为：外光电效应内光电效应：光电导效应光生伏特效应811外光电效应在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光子具有的能量是：普朗克常数()光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大一个电子逸出的能量（动能）为, 由能量守恒定律有：如果光子的能量E大于电子的逸出功A，超出的能量表现在电子逸出的功能，电子逸出物体表面，产生光电子发射。能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。812内光电效应 光电导效应 入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率的半导体都有，这是由于在入射光线作用下，电子吸收光子能量，电子从价带被激发到导带上，过渡到自由状态。同时价带也因此形成自由空穴，使导带的电子和价带的空穴浓度增大，引起电阻率减少。为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。图81 光电导效应 光生伏特效应 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？有下面两种情况： 不加偏压的PN结； 当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0 Eg） ,可激发出电子空穴对，在PN结内电场作用下空穴移向P区，电子移向N区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生伏特效应产生的光生电动势。基于这种效应的器件有光电池。图82PN结因光照产生电动势 处于反偏的PN结 无光照时P 区电子和N区空穴很少，反向电阻很大，反向电流很小；当有光照时，光子能量足够大，产生光生电子空穴对，在PN结电场作用下，电子移向N区，空穴移向P区，形成光电流，电流方向与反向电流一致，并且光照越大，光电流越小。具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管，从原理上讲，不加偏压的光电二极管就是光电池。图83 为PN结加反向偏压82 光电器件8.2.1光电管光电管是一个抽成真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极、阳极，光阴极涂有光敏材料。当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（EA），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻R上产生正比于电流大小的压降。因此目前光电管主要用途：光电比色计等分析仪器、各种光学自动装置。图84 光电管工作原理8.2.2光电倍增管光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中能谱仪、X射线荧光分析仪等闪烁探测器，都使用的是光电倍增管做传感元件。光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电六在管内进行放大。所谓二次释放是：高速电子撞击固体表面，再发出二次电子的现象。图 85 光电倍增管工作原理光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极（10个左右），在阳极和阴极之间加有几百上千伏的高压，每个倍增极电流逐渐升高，使电子加速，每个极间有100200V高压，电流增益在105数量极，相当一个电子激发出10万个电子数目。倍增极外加电压Ud与增益G的关系近似为：式中：常数光电倍增管倍增极数增益变化：由上式可见，外加电压Ud的变化引起光电倍增管增益的变化，对输出的影响很大，因此对供给光电倍增管的工作电源电压要求较高，必须有极好的稳定性。另外，光电倍增管受温度影响很大，在核探测技术中“稳谱”是一个重要内容，与光电倍增管的指标、参数密切相关。要注意的是，由于光电倍增管增益很大，一般情况不允许加高压时暴露在日光下测量可见光，以免造成损坏，作为传感器使用时，通常需要将光电倍增管密封。图86核仪器测量中的谱线漂移8.2.3光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。图 87光敏电阻结构及符号光敏电阻光照特性： 光敏电阻无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值； 光敏电阻有光照时，当光子能量E0Eg时，电阻值随光强增加而降低； 光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。 光敏电阻主要参数： 暗电阻无光照时的电阻为暗电阻； 暗电流无光照时的电流，在给定工作电压流过暗电阻时的电流； 亮电阻、亮电流受光照时的阻值，电流称亮电流； 光电流亮电流与暗电流之差称亮电流。 基本特性： 伏安特性 给定偏压，光照越大光电流越大； 给定光照度，电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲无饱和，但受最大功耗限制。 图88 光敏电阻伏安特性 光谱特性 光敏电阻灵敏度与入射波长有关，不同波长光敏电阻灵敏度不同； 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，不同材料灵敏度不同，例如 材料相对灵敏度峰值位置波长（）硫化镉（CdS）0.30.8(m)硫化铅（PbS）1.03.5(m)锑化铟（InSb）1.07.3(m) 图 89 光敏电阻光谱特性 温度特性 温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。图 810 光敏电阻温度特性8.2.4光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。光敏晶体管是重要的光敏器件，与光敏电阻相比有许多优点，尤其是光敏二极管，响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高，广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。图811硅光敏二极管结构图812 光敏二极管基本电路 光敏二极管 结构特征：光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个PN结，并且都是单向导电的非线性元件。但是，作为光敏元件光电二极管在结构上有特殊之处。光敏二极管封装在透明玻璃外壳中，PN结在管子的顶部，可以直接受到光照，为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大。工作原理：光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，PN结处产生光生电子空穴对，在电场作用下形成光电流，随入射光强度变化相应变化，光照越强光电流越大，光电流方向与反向电流一致。基本特性： 光照特性，图8.12是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。由图可见，光敏二极管的光电流与照度成线性关系。 图 813 光敏二极管光照特性图 814 硅光敏二极管光谱响应 光谱特性，当入射波长900nm时，响应下降，因波长长，光子能量小于禁带宽度，不可能产生电子空穴对。当入射波长900nm时，响应也逐渐下降，波长短的光穿透深度小，使光电流减小。 伏安特性，光敏二极管在反向偏压下的伏安特性，既光生电流电压特性如图8.14所式。当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，这是由于反向偏压加大了耗尽层的宽度和电场强度。随反向偏压的加大，对载流子的收集达到极限，光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。 温度特性，由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。 图 815 光敏二极管伏安特性图 816 光敏二极管暗电流与温度关系 频率响应， 光敏管的频率响应是指具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。图817光敏二极管频率响应曲线说明调制频率高于1000Hz时，硅光敏晶体管灵敏度急剧下降。图 817光敏二极管频率响应曲线图818光敏晶极管结构（2）光敏三极管光敏三极管是把光敏二极管产生的光电流进一步放大，它是具有更高灵敏度和响应速度的光敏传感器。结构上光敏三极管（晶体管）与一般晶体三极管相似，也有NPN型、PNP型。与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极集电极结作为光敏二极管，无论是NPN型还是PNP型都用集电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。结构上有单体型和集合型。硅（Si）光敏晶体极管一般都是NPN结构，基极开路，集电极反偏。光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。在负载电阻上的输出电压为：晶体管电流放大系数负载电阻集电结（c-d结）二极管电流源与二极管相比，集电极信号电流是光电流的倍，所以光敏晶体管具有放大作用。由于不同的有不同的，而的非线性使光敏晶体管的输出信号与输入信号之间没有严格的非线性关系（如图8.20伏安特性曲线所示），这是不足之处。图819 光敏晶体管等效电路图820 光敏晶体管伏安特性光敏晶体管的光谱特性如图8.21光谱特性曲线所示，从曲线可看出，硅材料的光敏管峰值波长在0.9m附近（可见光）灵敏度最大，锗管的峰值波长约为1.5m（红外光）灵敏度最大,当入射光的波长增加或减少时，相对灵敏度也下降。一般讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，所以在可见光或探测赤热状物体时，一般都用硅管。但对红外进行探测时用锗管较适宜。图821 光敏晶体管的光谱特性光敏晶体管的温度特性是指暗电流、光电流与温度的关系，温度对光电流影响较小，对暗电流（无光照）影响较大，在电路中应对暗电流进行温度补偿。8.2.5光电池（有源器件）光电池工作原理也是基于光生伏特效应，是可直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，如光电池。广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等，其中硒光电池转换效率较高，价格低廉寿命长，是使用较广泛的一种光电池；砷化镓光电池光谱响应与太阳光谱吻合，耐高温，耐宇宙射线，是宇航光电池首选材料。结构原理：光电池实质是一个大面积PN结，结构如图8-22所示，上电极为栅状受光电极，栅状电极下涂有抗反射膜，用以增加透光，减小反射，下电极是一层衬底铝。当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势，一般可产生0.2V0.6V电压，50mA电流。图822 光电池结构图823 光电池工作原理图图824 光电池符号 光照特性 开路电压光生电动势UOC与照度EV之间关系称开路电压曲线； 开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度位2000lx下趋于饱和。 短路电流短路电流ISC与照度EV之间关系称短路电流曲线； 短路电流是指，外接负载RL相对内阻很小时的光电流，实验证明：负载电阻RL越小，曲线线性越好，线性范围越宽； RL100以下为好。短路电流曲线在很大范围内与光照度成线性关系，因此光电池作为测量元件使用时，一般不作电压源使用，而作为电流源的形式应用。图824 光电池光照特性图825 光电池光照与负载的关系 光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏度不同，图826为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。由图可见，不同材料的光电池，光谱响应的最大灵敏度峰值所对应的入射波长不同，硅光电池的光谱响应峰值在0.8m附近，波长范围0.41.2m,硒光电池光谱响应峰值在0.5m附近, 波长范围0.380.75m。硅光电池可以在很宽的波长范围内应用。图826 光电池光谱特性图827 硅、硒光电池的频率特性 频率特性 频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。从图827中得知，硅、硒光电池的频率特性不同，硅光电池有较好的频率响应，硒光电池较差。在一些测量系统中，光电池作为接受器件，测量调制光（明暗变化）的输入信号，所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件。 电路连接 光电池作为控制元件时通常接非线性负载（晶体管）。 锗管发射结导通电压降为0.2V0.3V，硅光电池开路电压可达0.5V，可直接将光电池接入基极，控制晶体管工作。光照度变化时，引起基极电流IB变化，集电极电流（IC=IB）发生倍的变化。电流IC与光照近似线性关系。硅管的发射结导通电压为0.6V0.7V，这时光电池的0.5V电压无法起到控制作用，可以将两个光电池串联后接入基极，或者用偏压电阻和二极管产生附加电压。 光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接。 需要高电压时应将光电池串联使用；需要大电流时应将光电池并联使用。图827 光电池电路连接8.2.6其它特性的光电管o PIN型硅光电二极管，是高速光电二极管，响应时间达1nS，适宜用于遥控装置。 o 雪崩式光电二极管，具有高速响应和放大功能，高电流增益，相当电子倍增管，可有效读取微弱光线，用于0.8m范围的光纤通信、光磁盘受光元件装置。 o 光电闸流晶体管（光激可控硅），由入射光线触发导通的可控硅元件。 o 达林顿光电三极管（光电复合晶体管），输入是光电三极管，输出是普通晶体管，增益很大，I=IgI1I2。 o 光敏场效应晶体管，基本可以看成光敏二极管与具有高输入阻抗和低噪声场效应晶体管的组合，具有灵敏度高、线性动态范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗低、体积小、价格便宜等优点。广泛用于对微弱信号和紫外光的检测。 o 半导体色敏传感器，可直接测量从可见光到红外波段的单色辐射波长。 o 光电耦合器件（光电隔离器），“光耦”器件由发光元件和接收光敏元件（光敏电阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，结构如图828所式。发光管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小。通过电光、光电，两次转换进行输入输出耦合。“光耦”集成器件的特点是：输入输出完全隔离，有独立的输入输出阻抗，输入输出间绝缘电阻在10111012，器件有很强的抗干扰能力和隔离性能，可避免振动、噪声干扰。特别适宜做数字电路的开关信号传输、逻辑电路隔离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。 o 光电开关，有两种：透射式和反射式见图829，透射式光电开关的发射与接受器件的透光位置在一条直线上，当不透明物质位于它们中间时会阻断光路，接受器件产生相应的电信号。反射式光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面上，以某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经过待测点时，接受元件接收到物体表面反射的光线。 图828 光电耦合器件结构与外形图829 光电开关结构与外形8.2.7电荷耦合器件（CCD）ChargeCoupled Devices电荷耦合器件，又称CCD图象传感器，是一种大规模集成电路光电器件，是在MOS集成电路技术基础上发展起来的新型半导体传感器。1970年由贝尔实验室W.S.Bogle和G.E.Smith发明。电荷耦合器件具有光电转换，信息存储、延时、传输、处理等功能。电荷耦合器件的特点是，集成度高、尺寸小、工作电压低（DC 712V）、功耗小，该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个领域。 CCD基本结构和工作原理 CCD基本结构：CCD基本组成分两部分，MOS（金属氧化物半导体）光敏元阵列和读出移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。当物体通过物镜成像，这些光敏元就产生与照在它们上面的光强成正比的光生电荷（光生电子孔穴对），同一面积上光敏元越多分辨率越高，得到的图象越清楚。电荷耦合器件具有自扫描能力，能将光敏元上产生的光生电荷依次有规律的串行输出，输出的幅值与对应的光敏元件上电荷量成正比。图830 CCD结构示意图图831一个MOS光敏元结构 电荷存储原理 MOS光敏元件结构，在半导体基片上（PSi）生长一个具有介质作用的氧化物（SiO2），又在上面沉积一层金属电极，形成MOS光敏元。当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱吸引（俘获），此时势阱内吸收的光子数与光强度成正比。人们称一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包，CCD器件内是在硅片上制作成百上千相互独立的MOS元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱。如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。 电荷转移原理（读出移位寄存器） 光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，CCD电荷耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。读出移位积存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、半导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元（传输单元），在三个电极上分别施加脉冲波123（三相时钟脉冲）。当t = t1时刻，1高电平，2、3低电平，1电极下出现势阱，存入光电荷当t = t2时刻，1、2高电平，3低电平，1、2电极下势阱连通，由于电极之间靠的很近，两个连通势阱形成大的势阱存入光电荷。当t = t3时刻，1电位下降，2保持高电平，1因电位下降而势阱变浅，电荷逐渐向2势阱转移，随1电位下降至零1中电荷全部转移至2。当t = t4 时刻，1低电平，2电位下降，3高电平保持，2中电荷向3势阱转移。当t = t5时刻，1再次高电平，2低电平，3高电平逐渐下降，使3中电荷向下一个传输单元的1势阱转移。这一传输过程依次下去，信号电荷按设计好的方向，在时钟脉冲控制下从寄存器的一端转移到另一端。这样一个传输过程，实际上是一个电荷耦合过程，所以称电荷耦合器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器。图831读出移位寄存器结构图832读出移位寄存器三相时钟脉冲图833读出移位寄存器电荷转移过程 电荷耦合器信号输出方式 CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种。以电压输出型为例：电压输出有浮置扩散放大器（FDA）和浮置栅放大器（FGA）等方式，浮置扩散放大器结构如图833所式。在与CCD同一芯片上集成了两个MOSFET，既复位管VT1和放大管VT2。在3下的势阱未形成前，加复位脉冲R ，使复位管VT1导通，把浮置扩散区上一周期剩余的电荷VT2的沟道抽走。当信号电荷到来时，复位管VT1截止，由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管VT2的栅极电位，栅极电位有式中，为浮置扩散节点上的总电容。在输出端获得的放大了的信号电压为式中，为MOS管VT1栅极与源极之间的跨导。对uout读出后，再次加复位脉冲R，使复位管VT1导通，VT2的沟道抽走浮置扩散区的剩余电荷，直到下一个时钟周期信号到来，如此循环下去。图834 单沟道CCD驱动波形（3）CCD的特性参数CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述，它的特性参数可分为内部参数和外部参数两类，内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性（或能力），是器件理论设计的重要依据；外部参数描述的是与CCD应用有关的性能指标，是应用CCD器件时必不可少的内容。主要包括以下内容： 电荷转移效率和转移损失率 工作频率 电荷存储容量 灵敏度 分辨率 （4）CCD器件CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，实际的CCD器件的光敏区和转移区是分开的，结构上有多种不同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、行间转移结构CCD。 线阵CCD结构 线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位寄存器组成。光敏元曝光（光积分）时，金属电极加正脉冲电压P ，光敏元吸收光生电荷，积累过程很快结束。转移栅加转移脉冲T ，转移栅被打开，光敏元俘获的光生电荷经转移栅耦合到移位寄存器，转移时间结束后转移栅关闭。这是一个并行转移过程。接着，三相时钟脉冲（123）开始工作，读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出各位信息，这一过程是一个串行输出过程。输出信号送前置电路处理。CCD输出信号是一串行脉冲，脉冲幅度取决于光敏元上的光强。图833单沟道CCD结构图837 电荷输出波形 面阵电荷耦合器 面型CCD是把光敏元件排列成矩阵形式，传输读出结构有不同类型。基本构成有：帧转送方式（Frame Transfer CCD）行间转送方式（Inter Line Transfer CCD） 典型的CCD器件 前面介绍了线阵线阵和面阵CCD工作原理，对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同的。不过，不同型号的CCD器件具有完全不同的外型结构和驱动时序，在实际使用时必须加以注意。我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索取相关资料，为CCD器件的应用提供技术支持。线阵CCD器件的型号一般与生产厂家以及像元数的多少有关，CCD器件的像元数从1285000位不等，最高可达7000位。CCD是按照一定时序脉冲驱动实现对电荷的读出，这就需要CCD芯片的外围具有响应的驱动电路。下面我们以TCD142D型CCD为例做简单介绍，其它型号的器件大同小异。TCD142D是一种具有2048位像元的两相线阵CCD器件，基本结构如图838所式。图中的光敏区有2110个像元构成线型阵列，其中Dn 表示“哑元”，共有62个，前51个、后11个，被铝膜遮盖用于暗电流检测。Sn表示中间2048个像元，用以感光，像元之间的中心间距是14m，光敏像元阵列总长为28672m。光敏元两边是转移栅电极SH,转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿输出单元构成。图839是TCD142D的引脚及光谱响应。TCD142D有22个引脚，其中12个是空脚。图中1A、2A、1B、2B均为时钟端，SH为转移栅，RS为复位栅，OS为信号输出端，DOS为补偿输出端，SS为地，NC空闲。TCD142D在驱动脉冲的驱动下工作，当SH脉冲高电平到来时1正为高电平，移位寄存器中的所有1电极下均形成深势阱，SH的高电平使1电极下的深势阱与像元的MOS电容存储势阱沟通，信号电荷包迅速向上下两列模拟移位寄存器的1电极转移，并经过输出电路有OS电极输出。由于结构上的安排，OS端输出12个虚设单元的脉冲，再输出51个暗电流后才连续输出2048个信号脉冲。输出第2048个信号脉冲S2048后，再输出11个暗电流脉冲，接下去输出多余的信号脉冲。由于器件是两列并行传输，所以在一个转移周期SH内至少要有1061个时钟1脉冲。RS是复位脉冲，复位一次输出一个光电信号。DOS是补偿输出单元的输出端，用于检取驱动（尤其是复位脉冲）对输出电路的容性干扰信号，若将OS和DOS分别送到差分放大器的两个输入端，在输出端将得到被放大的没有干扰的光电信号。图838 TCD142D结构示意图 TCD142D引脚(b) TCD142D光谱响应 图839 TCD142D引脚及光谱响应TCD142D的驱动电路可分为两部分，一部分是脉冲产生电路，另一部分是驱动电路。脉冲电路产生HS、1、2、RS四路脉冲，图840是一种简单的电路连接方法。由非门及晶体振荡器构成的晶体振荡电路输出频率为4MHz的方波，经JK触发器分频，得到频率为2MHz的方波，将4MHz与2MHz脉冲相与，形成RS脉冲。RS脉冲占空比为1：3，频率为2MHz。将RS经JK触发器分频，产生频率为1MHz的1脉冲，1脉冲送入分频器，经译码电路产生转移脉冲SH，并且使SH周期TSH1061s。将SH和1相与产生2，1=2。至此，就产生了四路脉冲。将这四路脉冲经反相器反相，再经阻容加速电路送至H0026驱动器，放大至一定量以后用以驱动TCD142D。图839 TCD142D驱动电路(6) CCD传感器的应用CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCD被广泛用于再线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。 利用CCD测量几何量，CCD诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像，CCD输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷； 用于传真技术，文字、图象识别。例如用CCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用； 自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机； 作为机器人视觉系统； CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描），与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小，且不需要高压。 M2A摄影胶囊（Mouth anus）,由发光二极管做光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。 实例1：测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。测量原理，在荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生产过程进行调整，以便提高产品质量。玻璃管的平均外径12mm,壁厚1.2mm,要求测量精度为外径0.1mm,壁厚0.05mm。利用CCD配合适当的光学系统，对玻璃管相关尺寸进行实时监测，其测量原理如图840所式。用平行光照射带册玻璃管，经成像物镜将尺寸影像投影在CCD光敏像元阵列棉上。由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管的图像在边缘处形成两条暗条，中间部分的透射光相对较强形成亮带。玻璃管像的两条暗带最外的边界距离为玻璃管外径成像的大小，中间亮带反映了玻璃管内径像的大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。将该视频信号中的外径尺寸部分和壁厚部分进行二值化处理后，由计算机采集这两个尺寸所对应的时间间隔（例如脉冲计数），经一定的运算便可得到待测玻璃管的尺寸及偏差值。成像物镜的放大倍率为，CCD相元尺寸为t，上壁厚、下壁厚分别为n1、n2，外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为N，测量结果的有、分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。根据已知条件假设，选择光学系统的放大率为0.8倍，则玻璃管的像大小为9.6mm。玻璃管的外径及壁厚测量精度要求反映在像面上分别为0.08mm和0.04mm。根据CCD测量灵敏度的需要，0.04mm大于2个CCD光敏元的空间尺寸。图839玻璃管CCD视频信号实例2：图840线阵CCD进行工件尺寸测量8.3 光纤传感器光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点： 不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火； 可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。 8.3.1光纤的结构和传输原理 光纤结构： 光导纤维简称光纤，目前基本采用石英玻璃，有不同掺杂。光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯的折射率N1略大于包层折射率N2（N1N2）。光纤结构主要由中心纤芯；外层包层；护套尼龙塑料；三部分组成。图841光纤结构2）光纤的传光原理：光在空间是直线传播的，在光纤中光被限制在光纤中，并能随光纤传递到很远的距离。光纤的传播是基于光的全反射。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤，进入光纤后入射到纤芯（光密介质）与包层（光疏介质）交界面，一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。但是当光线在光纤端面中心的入射角减小到某一角度c称时，光线全部反射。光被全反射时的入射角c称临界角，只要c，光在纤芯和包层界面上，经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。图841光纤传光示意图为保证全反射，必须满足全反射条件（即c。由斯乃尔（snell）折射定律可导出光线由折射率为N0处介质射入纤芯时，实现全反射的临界入射角为：外介质一般为空气，空气中；可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。832 光纤的性能（几个重要参数） 数值孔径（NA） 临界入射角c的正弦函数定义为光纤的数值孔径。空气中：NA意义讨论： NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2c张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。 一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大，光信号畸变越大，要选择适当。 产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA，石英光纤的数值孔径一般为： 光纤模式（V） 光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同，模式值定义为：式中：为纤芯半径；为入射波长。模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号成为分不同时间到达的多个信号，导致合成信号畸变。模式值V小，就是值小即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤 传播损耗（A） 光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗，用率减率A表示：在一根率减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输1Km后，光强下降到入射时的1/10；3dB/Km光纤相当1Km后，光强率减到入射时的一般。目前光纤传播损耗可达0.16dB/Km。833 光纤传感器光纤目前可以测量70多种物理量，光纤的类型较多，大致可分为功能型和非功能型两类。 功能型（Function Fibre Optil Sensor）FF又称传感型 这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下， 如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。如果外界作用时光纤传播的光信号发生变化，使光的路程改变，相位改变，将这种信号接受处理后，可以得到被测信号的变化。图842功能型光纤传感示意图马赫泽德干涉仪（相位型）分束器1把激光器的输出光束分成两部分，经上、下光路的传输后又重新合路，使它们在光检测器处互相干涉。这种干涉仪可以测量到“移动平面镜”很小的位移，有极高的灵敏度，可精确到10-13m。空气光路干涉仪虽然精度高，动态范围大，但实现非常困难，通常只能在实验室工作，限制了实际条件下的应用。图843马赫泽德干涉仪工作原理示意图光纤干涉传感器如果将上面的装置用单模光纤代替空气光路情况就大不相同，取消对光路长度严格限制，几公里光路对光纤是容易实现的。用光纤光纤耦合器（光电桥）替代分束器，再配以其它元件，可以构成小型光纤相位型传感器（马赫泽德干涉仪）。光纤耦合器将激光器的输出光束分成相等的两部分，或将两路传输后光信号又重新合路。在光源和检测器之间，干涉仪只含光纤元件，换能器把被测量转换成光束的相位变化，利用集成和光电技术可把所有元件装入一个很小装置内与光纤对接耦合。图844光纤干涉传感器原理示意图 非功能型（Non-Fu