9.光电式传感器_2009.ppt

第九章光学传感器 第一节光电传感器第二节光电耦合器件第四节光纤传感器第五节CCD器件 第一节光电传感器 光电传感器是将光信号转化为电信号的器件 它具有反应速度快 检测灵敏度高 可靠性好 抗干扰能力强 结构简单等特点 第一节光电传感器 光波是波长为10 106nm的电磁波 可见光 380 780nm紫外线 10 380nm红外线 780 106nm光都具有反射 折射 散射 衍射 干涉和吸收等性质 光的量子说可知 光可以看成是以光速C运动着的 具有一定能量粒子流每个光子的能量为E hv每个光子的质量为m hv C2光照射到物体上时 可以看成是具有一连串能量为E的粒子轰击在物体上光电效应可以看成是由于物体吸收了能量为E的光子的能量后而产生的电效应 一 光电效应外光电效应金属表面受光照射后 金属内或表面的电子逸出金属表面向外发射的现象电子能量转换公式光电管 光电倍增管内光电效应当光照在半导体材料上 使半导体材料的电导率发生变化或产生光生电动势的现象光敏电阻 光电池 光敏二极管 光敏三极管 二 光电器件的特性参数灵敏度K 表征光电器件输出信号能力的特征量光电器件的输出信号电压VS与入射光功率PS之比 即单位入射光功率作用下器件的输出信号电压 光谱特性 描述光电器件的工作范围某一种光电器件的灵敏度与入射波长的关系 称为该光电器件的光谱特性用不同辐射波长 对某一器件的灵敏度描绘的曲线 就是该器件的光谱特性曲线 等效噪声功率 描述光电器件品质若辐射到光电器件光敏感面上的辐射功率所产生的响应电压 恰好等于该器件的噪声电压值 那么这个辐射功率称为噪声等效功率 NEP 单位W 探测度D 衡量光电器件的探测能力将NEP的倒数称为光电器件的探测度D 时间常数 描述光电器件对入射光响应快慢性能在阶跃输入光功率的条件下 光电器件输出电流is t 上升到稳态值 i 的0 63倍的时间当辐射的交变信号频率f上升时 光敏器件的灵敏度k下降 从峰值处下降到3dB时所对应的频率称为截止频率f0 截止频率f0对应的时间即为时间常数 线性度线性度是指光电器件的输出光电流 或电压 与输入光功率成比例的程度和范围 一般来说 在弱光照射时光电器件输出光电流都能在较大范围内与输入光功率 光辐射强度 成线性关系 强光时就趋于平方根关系 三 光电管和光电倍增管及其应用 一 光电管1 结构和原理 11 主要性能 1 光电管的伏安特性在一定的光照射下 对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性 真空光电管充气光电管 12 2 光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时 光通量与光电流之间的关系 光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度 13 3 光电管的光谱特性单位辐射通量 不同波长的光照射光电管时 产生的饱和光电流与光波波长的关系曲线 同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同 以GD 4型光电管为例 阴极是用锑铯材料制成 对可见光范围的入射光灵敏度比较高 适用于白光光源 被应用于各种光电式自动检测仪表中 14 对红外光源 常用银氧铯阴极 构成红外探测器 对紫外光源 常用锑铯阴极和镁镉阴极 还有些光电管的光谱特性与人的视觉光谱特性有很大差异 可以担负人眼不能胜任的工作 如夜视镜等 由阴极 次阴极 倍增电极 阳极组成阴极由半导体光电材料锑铯做成 次阴极是在镍或铜 铍的衬底上涂上锑铯材料形成 次阴极可达30级 通常为12 14级 使用时在各个倍增电极上均加上电压 阴极电位最低 以后依次升高 阳极最高 相邻两个倍增电极之间有电位差 因此存在加速电场 二 光电倍增管1 光电倍增管的结构与原理 16 17 入射光 阴极K 第一倍增极 第二倍增极 第三倍增极 第四倍增极 阳极A 光电倍增管的电流放大倍数为 如果n个倍增电极二次发射电子的数目相同 则 in因此阳极电流为 i in M与所加的电压有关 一般阳极和阴极之间的电压为1000 2500V 两个相邻的倍增电极的电位差为50 100V 2 光电倍增管的特性参数 1 倍增系数M 等于各个倍增电极的2次发射电子数 i的乘积 一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度 一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度 2 光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度 3 暗电流和本底电流由于环境温度 热辐射和其它因素的影响 即使没有光信号输入 加上电压后阳极仍有电流 这种电流称为暗电流 在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后 光电倍增管就会有电流信号输出 即本底脉冲 4 光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的相似 20 国产光电倍增管的技术参数 三 光电管和光电倍增管的应用1 光电管 光电倍增管在分光光度计中的应用 四 光敏电阻 1 光敏电阻的结构和工作原理 23 光电导效应在光线作用下 电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态 而引起材料电导率的变化 基于这种效应的光电器件有光敏电阻 1 光敏电阻的结构和工作原理 当光照射到光电导体上时 若光电导体为本征半导体材料 而且光辐射能量又足够强 光导材料价带上的电子将激发到导带上去 从而使导带的电子和价带的空穴增加 致使光导体的电导率变大 25 如果把光敏电阻连接到外电路中 在外加电压的作用下 用光照射就能改变电路中电流的大小 26 2 光敏电阻的主要参数 1 暗电阻 暗电流 亮电阻 亮电流 光电流 3 光敏电阻的基本参数 1 伏安特性 所加的电压越高 光电流越大 而且没有饱和的现象 2 光谱特性 3 温度特性 五 光电池 光电二极管及光电三极管 1 光电池光电池 Photocell 是一种光生伏特效应元件当它受到光照时不需再外加其他任何形式的能量就会产生电流输出 其输出电流与接受的光照有一定的关系用它可以反映光照的强度光电池按结构可分为两类利用PN结的光生伏特效应制成的光电池利用半导体与金属接触产生光生伏特效应制成的光电池 28 1 光电池的工作原理 硅光电池的结构如图 它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质 如硼 形成PN结 29 光生伏特效应 当光照到PN结区时 如果光子能量足够大 将在结区附近激发出电子 空穴对 在N区聚积负电荷 P区聚积正电荷 这样N区和P区之间出现电位差 若将PN结两端用导线连起来 电路中就有电流流过 若将外电路断开 就可测出光生电动势 30 2 光电池基本特性 光谱特性 故硒光电池适用于可见光 常用于分析仪器 测量仪表 如用照度计测定光的强度 硅光电池的光谱峰值在800nm附近 硒的在540nm附近 31 2 光照特性 不同光照射下有不同光电流和光生电动势 短路电流在很大范围内与光强成线性关系 开路电压与光强是非线性的 且在2000lx时趋于饱和 光电池作为测量元件时 应把它作为电流源的形式来使用 不宜用作电压源 且负载电阻越小越好 32 3 频率特性 硅光电池有很高的频率响应 可用于高速记数 有声电影等方面 光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系 33 4 温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况 开路电压随温度升高而下降的速度较快 短路电流随温度升高而缓慢增加 因此作测量元件时应考虑进行温补 3 光电池的应用 2光敏二极管及其应用 光敏二极管 photodiode 的基本工作原理是当光照射半导体的PN结时 在反向电压的作用下 其反向电流随光照强度变化而变化 由此来实现将光信号转换成电信号的功能 37 在无光照时 外加反向工作电压使光敏二极管的PN结电荷区增宽 电路中由于少数载流子的运动而形成了很小的反向漏电流 称为光敏二极管的暗电流 光照射光敏二极管时 光子打在PN结附近 使空间电荷区产生电子一空穴对 它们在外电场的作用下与P区和N区的少数载流子作定向运动而形成电流 此时的电流要比无光照时的漏电流大的多 光谱特性 0 9 m 2 光敏二极管特性 光照特性 温度特性 伏安特性 3 光敏二极管的典型应用电路 3光敏三极管及其应用 1 光敏三极管的结构和原理 当集电极加上正电压 基极开路时 集电结处于反向偏置状态 当光线照射在集电结的基区时 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 相当于给发射结加了正向偏压 使电子大量流向集电极 形成输出电流 且集电极电流为光电流的 倍 2 光敏三极管的特性 光谱特性 光照特性 光电流 伏安特性 温度变化对光电流的影响很小 对暗电流的影响很大 故电子线路中应对暗电流进行温度补偿 3 光敏三极管典型应用电路 光敏三极管在生物医学测量中的应用 典型应用 血氧饱和度测量血氧饱和度 指血液中单位体积内氧合血红蛋白 HbO2 的数量与血红蛋白 Hb HbO2 的总数之比血红蛋白 Hb 和氧合血红蛋白 HbO2 对不同波长的光有着不同的吸收系数 对波长为805nm左右的光 两者吸收率相等 对波长为660nm左右的光 两者吸收率相差最大 第二节光电耦合器件 发光器件一般选用发光二极管 光敏器件可用光敏二极管 光敏三极管 1光电耦合器件的结构原理 输入特性参数光电耦合器件的输入元件是发光二极管 因此其输入特性参数有 最大工作电流IFM 正向压降VF 反向漏电流IR输出特性参数输出电流io 光电流 向光电耦合器的输入端注入一定的工作电流 一般10mA 使发光二极管发光 在此情况下 接有一定的负载 约500 并加一定电压 通常为10伏 的光电耦合器输出端所产生的电流饱和压降Vces 在输入端加一定电流 输出侧加一定电压 接入负载电阻后 光耦合器两输出端之间的压降 2光电耦合器件的特性参数 传输特性电流传输比CTR 在直流工作状态下 光耦合器的输出电流io与输入电流iF之比 称为其电流传输比CTR 或称转换效率 传输线性 传输特性传输速度 光耦合器的传输速度是指信号由输入至输出所需要的传输时间 有时也用响应时间来描述 包括 延迟时间to 上升时间tr和下降时间tf隔离特性 光电耦合器由于输入与输出间是通过光来耦合的 输入与输出间有完全的电气隔离 但由于结构材料的影响以及难免的漏电和分布电容的存在 使输入与输出间的隔离特性不完全 由隔离电阻 隔离耐压 隔离电容来描述 2光电耦合器件的应用电路 基本采用石英玻璃 主要由三部分组成中心 纤芯 外层 包层 护套 尼龙料 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质 纤芯折射率n1略大于包层折射率n2 n1 n2 第四节光纤传感器 光纤的结构 光纤的传播基于光的全反射 光纤的导光原理 n1 n2入射角 临界角 全反射是指当光线从高折射率的介质入射到低折射率介质 且入射角大于或等于临界角的时候所发生的折射光线沿着界面方向射出或反射回高折射率的介质中去的现象 因为没有折射而都是反射 故称之为全反射 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光线在光纤端面入射角 减小到某一角度 c时 光线全部反射 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 光纤的导光原理 由斯奈尔 Snell 定律 若满足 即 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 入射角的最大值为 将sin 0定义为光导纤维的数值孔径 用NA表示 则 产品光纤不给出折射率N 只给数值孔径NA 9 2 2光纤传感器的类型 光纤传感器一般可分为两大类 一类是功能型传感器 又称FF型光纤传感器 另一类是非功能型传感器又称NF型光纤传感器 功能型光纤传感器 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 非功能型光纤传感器 传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的 光纤的状态是不连续的 光纤只起传光作用 非功能型光纤传感器测温应用 温度测量范围 20 300 C 误差 3 C 测量原理 利用多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性 材料吸收波长随温度增加而向长波方向移动 可以使透射过半导体材料的光强随温度而改变 达到测温的目的 第五节电荷耦合器件器件及其应用 ChargeCoupledDevices CCD 光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成 它的核心是电荷转移器件CTD ChargeTransferDevice 最常用的是电荷耦合器件CCD ChargeCoupledDevice 由于它具有光电转换 信息存储 延时和将电信号按顺序传送等功能 以及集成度高 功耗低的优点 因此被广泛地应用 金属 氧化物 半导体电容器 MOS电容 电荷存储 VG 0 VG VT VG继续增加 出现耗尽层 出现反型层 深度耗尽状态 CCD器件正是利用MOS电容的 深度耗尽状态 来进行工作 入射光 CCD器件的结构和工作原理 在同一块半导体衬底上制作一系列MOS电容 各MOS电容的金属电极相互绝缘 但是彼此间距离极小 时钟脉冲 电荷耦合器 CCD 转移电荷 CCD器件的结构和工作原理 电荷耦合器 CCD 电荷输出 CCD器件的结构和工作原理 以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD 简称为N型CCD 而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD 简称为P型CCD 由于电子的迁移率 单位场强下的运动速度 远大于空穴的迁移率 因此n型CCD比p型CCD的工作频率高很多 光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成 它的核心是电荷转移器件CTD ChargeTransferDevice 最常用的是电荷耦合器件CCD ChargeCoupledDevice 由于它具有光电转换 信息存储 延时和将电信号按顺序传送等功能 以及集成度高 功耗低的优点 因此被广泛地应用 二 线型CCD图像传感器 通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上 电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动 通常把CCD电极分为几组 每一组成为一相 并施加同样的时钟脉冲 最简单的线型CCD是单通道式的 它包括感光区 光积分单元 和传输区两部分 感光区由一列光敏单元组成 传输区由转移栅及一列移位寄存器组成 光照产生的信号电荷存储于感光区的势阱中 在转移脉冲到来时 光敏阵列势阱中的电荷被并行转移到移位寄存器中 最后在时钟脉冲的作用下一位位的移出