第4章光电式传感器.ppt

光电式传感器,光电效应光电器件光电耦合器电耦合器光电式传感器的应用,光电信号,光电式传感器,工作原理：把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。,辐射源,光学通路,光电元件,光电式传感器方框图,光电式传感器,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。光电器件工作的物理基础：光电效应。光电效应分为：内光电效应、外光电效应,光电信号,光电式传感器,通过将光信号转换为电信号，这类传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测量、气体成分分析等；也可用于检测能转换成光量变化的其他非电量，如直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有结构简单、精度高、响应快、非接触、性能可靠等优点，在检测技术和工业自动化及智能控制等领域获得了广泛的应用。特别是新的光电器件层出不穷，为光电传感器及光电检测的进一步应用打下了坚实的基础。,光电信号,光电式传感器,所谓光电效应，是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光可以被看作由一连串具有一定能量的粒子所组成。这些粒子即光子，每一个光子的能量与其频率成正比。当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应。光电效应可以分为外光电效应和内光电效应。,一、光电效应,光电式传感器,(1)外光电效应,1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的；1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释；1905年，爱因斯坦提出了光子假设。,光电式传感器,(1)外光电效应,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。外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。逸出的电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有：光电管和光电倍增管。,光电式传感器,(1)外光电效应,图1外光电效应,光电式传感器,(1)外光电效应,一、光电效应,根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A，故对于某种特定的材料，有一个波长限0（又称“红限”）。波长限0可由下式确定：（微米）（1）式中，C为光速，h为普朗克常数,h=6.62610-34Js。,光电式传感器,(1)外光电效应,一、光电效应,入射光的波长0时，无论入射光有多强，都不能激发电子；当0时，无论多微弱的光也能激发电子，光越强激发出的电子数量越多。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子几乎在瞬间发生，所需时间不超过10-9s。,光电式传感器,(2)内光电效应,一、光电效应,当光照射在物体上。使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。,光电式传感器,(2)内光电效应,一、光电效应,光电导效应在光线作用下，材料内电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化的现象称为光电导效应。,图2光电导效应,光电式传感器,(2)内光电效应,一、光电效应,光电导效应当光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子空穴对，引起导带的电子和价带的空穴浓度增加，因而导致半导体的电阻率减小，导电性能增强。,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,hEg,图3光电导效应原理,光电式传感器,(2)内光电效应,一、光电效应,光电导效应光敏电阻是基于光电导效应的。,图4光敏电阻,光电式传感器,(2)内光电效应,一、光电效应,光生伏特效应在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。,A势垒效应（结光电效应）光照射PN结时，若hEg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。,图5结光电效应,光电式传感器,(2)内光电效应,一、光电效应,光生伏特效应B.侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。,光电式传感器,光电效应光电器件光电耦合器电耦合器光电式传感器的应用光纤传感器红外传感器,光电信号,光电式传感器,(1)外光电效应器件,二、光电器件,光电管,图6光电管的结构和工作原理,结构：真空（或充气）玻璃泡内装两个电极：光电阴极和阳极，阳极加正电位。如图6所示。,光电式传感器,(1)外光电效应器件,二、光电器件,光电管,原理：当光电阴极受到适当波长的光线照射时发射光电子，在中央带正电的阳极吸引下，光电子在光电管内形成电子流，在外电路中便产生光电流I。,图6光电管的结构和工作原理,光电式传感器,(1)外光电效应器件,二、光电器件,光电管若在光电管的外电路串连一个适当阻值的电阻，则该电阻上将产生电压降，并与管内空间电流成正比，或与照射到光电管阴极上的光有函数关系。,图7光电管的结构和工作原理,光电式传感器,(1)外光电效应器件,二、光电器件,光电倍增管的结构及原理结构：由光电阴极、若干倍增极和阳极组成,如图8所示。,图8光电倍增管(a)结构图；(b)原理图；(c)供电电路,光电式传感器,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,光电式传感器,光电式传感器,(1)外光电效应器件,二、光电器件,光电倍增管的结构及原理原理：光电倍增管工作时，各倍增极（D1、D2、D3）和阳极均加上电压，并依次升高，阴极K电位最低，阳极A电位最高。入射光照射在阴极上，打出光电子，经倍增极加速后，在各倍增极上打出更多的“二次电子”。如果一个电子在一个倍增极上一次能打出个二次电子，那么一个光电子经n个倍增极后，最后在阳极会收集到n个电子而在外电路形成电流。一般=36，n为10左右，所以，光电倍增管的放大倍数很高。光电倍增管工作的直流电源电压在7003000V之间，相邻倍增极间电压为50100V。,光电式传感器,光电倍增管的结构及原理光电倍增管的主要参数：1.倍增系数M当各倍增极二次电子发射系数i=时，M=n，则阳极电流为I=in(2)式中，i光电阴极的光电流。光电倍增管的电流放大倍数为=I/i=n(3)M一般在105108之间，M与所加电压有关。,(1)外光电效应器件,二、光电器件,光电式传感器,光电倍增管的结构及原理光电倍增管的主要参数：,2.光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数称为光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数称为光电倍增管的总灵敏度。灵敏度曲线见图9。注意:光电倍增管的灵敏度很高，切忌强光源照射。,图9光电倍增管特性曲线,(1)外光电效应器件,二、光电器件,光电式传感器,光电倍增管的结构及原理光电倍增管的主要参数：3暗电流和本底脉冲在无光照射（暗室）情况下，光电倍增管加上工作电压后形成的电流称为暗电流。在光电倍增管阴极前面放一块闪烁体，便构成闪烁计数器。当闪烁体受到人眼看不见的宇宙射线照射后，光电倍增管就有电流信号输出，这种电流称为闪烁计数器的暗电流，一般称为本底脉冲。4光电倍增管的光谱特性光电倍增管的光谱特性与同材料阴极的光电管的光谱特性相似。,(1)外光电效应器件,二、光电器件,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光电导器件光敏电阻(光导管)光敏电阻由梳状电极和均质半导体材料制成，基于内光电效应，其电阻值随光照而变化。,图10光敏电阻的结构与电路连接,光敏电阻是纯电阻器件，具有很高的光电灵敏度，常作为光电控制用。,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光电导器件光敏电阻(光导管)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。,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光电导器件光敏电阻(光导管)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：,图11光敏电阻电路连接,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光生伏特器件利用光生伏特效应工作原理制成的光电器件有光敏二极管、光敏三极管和光电池。,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光生伏特器件A、光敏二极管结构及原理光敏二极管的结构与一般二极管相似，它安装在透明的玻璃外壳中，其P-N结装在管顶，可以直接受到光照射。其结构简化图以及基本线路如图12所示。,图12光敏二极管及电路连接,光电式传感器,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光生伏特器件A、光敏二极管结构及原理光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。当没有光照时，其反向电阻很大，流过P-N结的反向电流很小。当有光照射导P-N结上时，就会在其上及其附近形成电子空穴对，它们在P-N结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。如果光照射强度发生变化，则光生电子空穴对的浓度就会发生变化，光电流也随之变动，可见光敏二极管可以将光信号转变为电信号的输出。,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光生伏特器件A、光敏二极管结构及原理光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。,图13光敏二极管电路,I,当光照射时，光敏二极管处于导通状态。,当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光生伏特器件B、光敏三极管结构及原理光敏三极管与光敏二极管的结构相似，内部具有两个PN结，通常只有两个引出电极。光敏三极管在电路中与普通三极管接法相同，管基极开路，集电结反偏，发射结正偏。如图14所示。,图14NPN型光敏二极管结构模型和基本工作电路（a）结构简化模型；（b）基本工作电路,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光生伏特器件B、光敏三极管结构及原理,集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。,普通三极管,光敏三极管,基区很薄，基极一般不接引线；集电极面积较大。,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光生伏特器件B、光敏三极管结构及原理当无光照时，管集电结因反偏，集电极与基极间有反向饱和电流Icbo，该电流流入发射结放大，使集电极与发射极之间有穿透电流Iceo=(1+)Icbo，此即光敏三极管的暗电流。,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光生伏特器件B、光敏三极管结构及原理当有光照射光敏三极管集电结附近基区时，产生光生电子-空穴对，使其集电结反向饱和电流大大增加，此即为光敏三极管集电结的光电流；该电流流入发射结进行放大成为集电极与发射极间电流，即为光敏三极管的光电流，它将光敏二极管的光电流放大(1+)倍，所以它比光敏二极管具有更高的光电转换灵敏度。由于光敏三极管中对光敏感的部分是光敏二极管，所以，它们的特性基本相同，只是反应程度即灵敏度差(1+)倍。,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光生伏特器件C、光电池光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光生伏特器件C、光电池硅光电池的结构如图15。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。,图15光电池的结构图,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光生伏特器件C、光电池当光照到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。,图16光电池的工作原理示意图,光电式传感器,(2)内光电效应器件,二、光电器件,光生伏特器件C、光电池若将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。,图16光电池的工作原理示意图,光电式传感器,光电效应光电器件光电耦合器电耦合器光电式传感器的应用,光电信号,光电式传感器,三、光电耦合器,光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。,光电式传感器,光电隔离器和光电开关两大类。光电隔离器主要用于实现电路的电气隔离和消除噪声影响；光电开光主要用于物体未知的检测等场合。,三、光电耦合器,(1)光电隔离器光电隔离器由一发光二极管和光敏晶体管封装在同一个管壳内组成，在装配上要使LED辐射能量能有效地耦合到光敏晶体管上。,光电式传感器,三、光电耦合器,(1)光电隔离器选用哪种形式的光电隔离器要根据使用要求和目的来确定当然在实用中都应尽量选用结构简单的组合形式的器件，且无论选用何种组合形式，均要使发光元件与接收元件的工作波长相匹配，保证器件具备较高的灵敏度。,光电式传感器,三、光电耦合器,(1)光电隔离器光电隔离器主要应用于以下几个方面：1）将输入与输出端两部分电路的地线分隔开，并各自使用一套电源供电,信息通过光电转换，实现单向传输。由于光电隔离器输入与输出端间绝缘电阻非常大，寄生电容却很小，所以干扰信号很难从输出端反馈到输入端，从而起到隔离作用。,光电式传感器,三、光电耦合器,(1)光电隔离器光电隔离器主要应用与以下几个方面：2）实现电平转换,光电式传感器,三、光电耦合器,(1)光电隔离器光电隔离器主要应用与以下几个方面：3）提高驱动能力采用如达林顿电路和可控硅输出型等形式的光电隔离器，不但可以实现隔离作用，而且还具有较强的带负载的能力，利用这类光电隔离器，微机输出信号可以直接驱动负载。,光电式传感器,三、光电耦合器,(2)光电开关光电开关是通过把光的强度变化转变为电信号变化，并以此来实现控制的一种电子开关。它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。安防系统中常见的光电开关烟雾报警器，工业中经常用它来记数机械臂的运动次数。,光电式传感器,三、光电耦合器,(2)光电开关对金属或非金属都能作出反应，无机械磨损，无电火花，是一种安全、可靠、长寿命、无触点的开关。在一些简单的自动控制场合，因输入信号往往是开关信号（高电平或低电平），其控制量也是开关量，即接通电源或断开电源等，故可用电子开关在一定距离内检测物体的有无。,光电式传感器,三、光电耦合器,(2)光电开关光电开关以其结构和工作方式的不同，可分为沟式、对射式、反光板反射式、扩散反射式、聚焦式、光纤式等类型。,暗态接通：从亮到暗发生动作,光电式传感器,三、光电耦合器,(2)光电开关光电开关以其结构和工作方式的不同，可分为沟式、对射式、反光板反射式、扩散反射式、聚焦式、光纤式等类型。,图22,图22,检测物经过此点才发生动作,光电式传感器,光电效应光电器件光电耦合器电耦合器光电式传感器的应用,光电信号,4.2光电码盘,数字式传感器:把输入量转换成数字量输出优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用计算机处理。最简单的数字式传感器是编码器(ADE)角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）原理分类：电触式、电容式、感应式和光电式等,4.2.1工作原理,用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。,1光源2柱面镜3码盘4狭缝5元件,光电式传感器,电耦合器(CCD),电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices，简称CCD)是一种在70年代初问世的新型半导体器件。利用CCD作为转换器件的传感器，称为CCD传感器，或称CCD图像传感器。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。,光电式传感器,四、电耦合器(CCD),CCD器件有两个特点：一是它在半导体硅片上制有成百上千个(甚至数百万个)光敏元，它们按线阵或面阵有规则地排列。当物体通过物镜成像于半导硅平面上时。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。二是它具有自扫描能力，亦即将光敏元上产生的光生电荷依次有规则地串行输出，输出的幅值与对应的光敏元上的电荷量成正比。由于它具有集成度高、分辨率高、固体化、低功耗和自扫描能力等一系列优点。,光电式传感器,四、电耦合器(CCD),(1)电荷耦合器件原理电耦合器件：线阵列和面阵列，基本组成MOS光敏元阵列和读出移位寄存器。1)MOS光敏元CCD最基本结构是一系列彼此非常靠近的相互独立的MOS电容器，它们按线阵或面阵有规则地排列，且用同一半导体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化物，并在其上制作许多金属电极，各电极按三相（也有二相和四相）配线方式连接。,光电式传感器,四、电耦合器(CCD),(1)电荷耦合器件原理1)MOS光敏元,4.3光电式传感器,四、电耦合器(CCD),(1)电荷耦合器件原理电耦合器件：线阵列和面阵列，基本组成MOS光敏元阵列和读出移位寄存器。1)MOS光敏元,图23MOS光敏元结构及其势阱,4.3电荷耦合器件,在MOS（MetalOxideSemiconductor）电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。图像传感器：转移的信号电荷是由光像照射产生；若所转移的电荷通过外界诸多方式得到，则其可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。,有信号电荷的势阱,当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。,势阱：深耗尽层下的表面势。势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。,信号电荷转移,CCD的基本功能是存储与转移信息电荷为实现信号电荷的转换：1、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。2、控制相邻MOC电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。,定向转移的实现,在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。,三相CCD信息电荷传输原理图,光电式传感器,四、电耦合器(CCD),(1)电荷耦合器件原理2)读出移位寄存器t=t1：当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包t=t2：当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布t=t4：当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中。t=t5：P3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的势阱，以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。,光电式传感器,四、电耦合器(CCD),(1)电荷耦合器件原理1)MOS光敏元,CCD电荷的产生方式,电压信号注入CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。光信号注入CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。,4.3.2CCD图像传感器,CCD传感器利用光敏元件的光电转换功能将透射到光敏元件上的光学图像转换为电信号“图像”，即光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布，然后经读出移位寄存器的移位功能将电信号“图像”转送，并输出放大器输出。由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。依照其光敏元件排列方式的不同，CCD传感器主要分为线阵、面阵两种。,4.3.3图像传感器的应用,在非电量的测量中，CCD传感器的主要用途大致可归纳为以下三个方面：1）组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。2）用作光学信息处理装置的输入环节，例如用于传真技术、光学文字识别技术(OCR)与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等方面。3）作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车以及自动监视装置等方面。,光电式传感器,四、电耦合器(CCD),(2)CCD传感器的应用在非电量的测量中，CCD传感器的主要用途大致可归纳为以下三个方面：1）组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。2）用作光学信息处理装置的输入环节，例如用于传真技术、光学文字识别技术(OCR)与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等方面。3）作为自动化流水线装置中的敏感器