第四章 光电式传感器3

1、第第4 4章章 光电式传感器光电式传感器4 41 1 光源与光辐射体光源与光辐射体 光是电磁波谱中的一员，光的频率（波长）各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一种频率的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为 g=hv 4 41 12 2 光源与光辐射体光源与光辐射体 白炽光源 气体放电光源 发光二极管 激光器 红外辐射激光器激光器 激光是新颖的高亮度光，它是由各类气体、固体或半导体激光器产生的频率单纯的光 激光的形成必须具备三个条件：（1）具有能形成粒子数反转状态的工作物质-增益介质；（2）具有供给能量的激励源；（

2、3）具有提供反复进行受激辐射场所的光学谐振腔。激光的特性激光的特性 方向性强、亮度高 单色性好 相干性好激光器种类激光器种类 固体激光器 气体激光器 液体激光器 半导体激光器 光纤激光器红外辐射红外辐射从紫光到红光热效应逐渐增大，而热效应最大的为红外光。在自然界中只要物体本身具有一定温度（高于绝对零度），都能辐射红外光。例如电机、电器、炉火、甚至冰块都能产生红外辐射，又称热辐射。红外光和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。严格地讲，在自然

3、界中，不存在黑体、镜体与透明体。 热辐射体根据辐射体的光谱发射率的变化规律分为黑体、灰体、选择性辐射体三类。一个辐射体的发射率定义为该辐射体的辐射出射度与同温度下黑体的辐射出射度之比，即 (t)=M(t)/Mb(t)热辐射的基本规律热辐射的基本规律11251TCeCM 普朗克公式KmCTm2898965. 4240TdMM12521TCnenCMKmCTnm2898965. 42ErEvEeE4 42 2 光电效应及器件光电效应及器件 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而产生的电效应。这里将紫外光、可见光和红外光做统一考虑，把光电探测器分为光子探测器和热探测器。在光子

4、探测器中研究外光电效应和内光电效应两类。4 42 21 1 外光电效应外光电效应 在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比，即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。4 42 22 2 内光电效应内光电效应光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即能量必须大于材料

5、的禁带宽度Eg（图4-7）才能产生内光电效应，因此叫内光电效应的临界波长O1293Eg（mm）。通常纯净半导体的禁带宽度为 1eV 左右，例如锗的 Eg 0.75eV，硅的Eg1.2 eV。内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。半导体受到光照时会产生光生电子-空穴对，使导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应，基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管与三极管；光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。光敏电阻光敏电阻光敏电阻是一种电阻器件。使用时，可加直流偏压（无固定极性），或加交流电压4 42 23 3 热探测

6、器热探测器 热探测器也通称为能量探测器，其原理是利用辐射的热效应，通过热电变换来探测辐射。入射到探测器光敏面的辐射被吸收后，引起响应元的温度升高，响应元材料的某一物理量随之而发生变化。利用不同物理效应可设计出不同类型的热探测器，其中最常用的有电阻温度效应（热敏电阻）、温差电效应（热电偶、热电堆）和热释电效应4 43 3 光电器件的特性光电器件的特性 光电传感器的光照特性、光谱特性以及峰值探测率、响应时间等几个主要参数，都取决于光电器件的性能。4 43 31 1 光照特性光照特性 光电器件的灵敏度可用光照特性来表征，它反映了光电器件输入光量与输出光电流（光电压）之间的关系。 光敏电阻的光照特性呈

7、非线性,光敏晶体管的灵敏度和线性度均好，因此在军事、工业自动控制和民用电器中应用极广，既可作线性转换元件，也可作开关元件。4 43 32 2 光谱特性光谱特性 光电器件的光谱特性是指相对灵敏度K与入射光波长之间的关系，又称光谱响应 为了提高光电传感器的灵敏度，对于包含光源与光电器件的传感器，应根据光电器件的光谱特性合理选择相匹配的光源和光电器件。对于被测物体本身可作光源的传感器，则应按被测物体幅射的光波波长选择光电器件。4 43 33 3 响应时间响应时间 光电器件的响应时间反映它的动态特性，响应时间小，表示动态特性好。对于采用调制光的光电传感器，调制频率上限受响应时间的限制。 光敏电阻的响应

8、时间一般为 101103s，光敏晶体管约为 2105s，光敏二极管的响应速度比光敏三极管高一个数量级，硅管比锗管高一个数量级。4 43 34 4 峰值探测率峰值探测率NENEPfAfAPD1* 峰值探测率源出于红外探测器，后来沿用到其它光电器件。无光照时，由于器件存在着固有的散粒噪声以及前置放大器输入端的热噪声，光探测器件将产生输出，这一噪声输出常以噪声等效功率PNE表征。PNE定义为：产生与器件暗电流大小相等的光电流的入射光量。它等于入射到光敏器件上能产生信号噪声比为1的幅射功率值。PNE与光敏器件的有效光敏面积A和探测系统带宽纣有关，而且是平方律关系。因此探测器件的性能常用峰值探测率D*表

9、征，D*值大，噪声等效功率小，光电器件性能好。即4 43 35 5 温度特性温度特性温度变化不仅影响光电器件的灵敏度，同时对光谱特性也有很大影响。一般来说，光敏器件的光谱响应峰值随温度升高而向短波方向移动。因此，采取降温措施，往往可以提高光敏电阻对长波长的响应。 在定温条件下工作的光电器件由于灵敏度随温度而变，因此高精度检测时有必要进行温度补偿或使它在恒温条件下工作。4 44 4 探测器噪声和低噪声电子设计探测器噪声和低噪声电子设计441 噪声研究噪声的目的是为了了解传感器系统，特别是光电系统所受的限制，这里所说的噪声是指探测器、电路元件产生的随机电起伏。本质上讲，大多数物理量都是不连续的或颗

10、粒状的。例如：电流是由电子流组成的，每一个电子都带有一份独立的电荷，电子通过电路中某一点的速率的随机起伏，就表现为电噪声。4 44 42 2 探测器噪声的类型探测器噪声的类型2/ 14fRkTVddn Johnson噪声 也称热噪声，存在于所有探测器,一个电阻器就是一个热噪声发生器。热平衡时，电阻元件中的电荷载流子的随机运动在元件两端产生的随机电压。当电阻温度上升时，电荷载流子的平均动能增加，则噪声电压增加。热噪声存在于所有探测器，其噪声电压可表达为4 44 43 3 低噪声电子设计低噪声电子设计一、噪声系数噪声系数也叫噪声因素，是器件或电路对于噪声的品质因素。如一个放大电路的增益为G，则它的

11、噪声系数定义为：ioNGNF/源噪声功率声功率折算至输入端的等效噪微弱信号检测（微弱信号检测（Weak Signal Weak Signal DetectionDetection）技术概述）技术概述 1、相干检测 2、时域信号的平均处理 3、离散信号的计数处理4 45 5 新型光电检测器新型光电检测器 451 光位置传感器（PSD） 半导体光电位置敏感器件（PSD）4 45 52 2 量子阱探测器量子阱探测器(QWIP)(QWIP)量子阱探测器(QWIP)：将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有突变。电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子阱。利

12、用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。4 45 53 3光电磁探测器光电磁探测器 光磁电（PEM）效应CCDCCD的基本原理的基本原理 CCD器件就是由大量的在同一衬底上集成的MOS电容阵列。CCD的基本功能就是要具有在势阱中存储信号电荷，并将其转移的能力，故CCD又可称移位寄存器。三、三、CCDCCD图像传感器图像传感器 1、线型CCD图像传感器 2、面型CCD图像传感器 1 1、线型、线型CCDCCD图像传感器图像传感器 线型图像传感器是由一列感光单元（称为光敏元阵列）和一列CCD并行而构成的。光敏元和CCD之间有一个转移控制栅，基本结构如图所示。 2 2、面型、面型CCDCCD图像

13、传感器图像传感器 线型CCD图像传感器只能在一个方向上实现电子自扫描。为获得二维图像，除了必须采用庞大的机械扫描装置外，另一个突出的缺点是每个像素的积分时间仅相当于一个行时，信号强度难以提高。四、光敏二极管四、光敏二极管CMOSCMOS图像传感器图像传感器 光敏二极管CMOS图像传感器的像素结构目前主要有两种：无源像素图像传感器PPS(Passive Pixel Sensor)和有源像素图像传感器APS(Active Pixel Sensor) CMOS CMOS的两种像素结构的两种像素结构CMOSCMOS芯片组成框图芯片组成框图五、高速光电器件五、高速光电器件 光电传感器的响应速度是重要指标

14、，随着光通信及光信息处理技术的提高，一批高速光电器件应运而生。 1、PIN结光电二极管（PIN-PD） 2、雪崩式光电二极管（APD）4 46 6 激光传感技术激光传感技术 利用光学原理，通过光波的一些物理特性进行精密测试，是一种非常重要的测试技术方法。由于光学测试方法具有非接触、高灵敏度、高精度以及动态性、实时性等优点，因此其在实际应用中具有广阔的前景。4 46 61 1 干涉测试技术干涉测试技术 光的干涉现象主要是由于光的波动性-光的电磁波本质。干涉测试是以光学干涉原理为基础进行精密测试的技术，通常是以干涉条纹的形式来反映被测物理量的信息，因此其测量灵敏度都达到了光波长的量级.4 46 6

15、2 2 衍射测试技术衍射测试技术 激光具有非常好的单色性、高亮度和方向性，使实际测试应用中比较容易产生清晰的衍射图像。激光衍射测试方法是一种发展很快的非接触精密测试方法，由于其操作简单、计算方便、性能稳定、灵敏度高等优点.4 46 63 3 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术一、光学多普勒效应测速的基本原理 根据爱因斯坦狭义相对论，可以得到多普勒效应的光波频移量。当光源相对于探测器运动时，如图所示，为光源相对于探测器的运动速度，探测器接收到的光波频率为2201cos1cvcv光学多普勒效应光学多普勒效应二、光学多普勒频移的测量二、光学多普勒频移的测量光外差光外差方法方法 在大多数实际测量应用

16、中，是利用了光学外差检测方法来对频移量进行测量的。这一方法源于无线电技术中的外差检波原理，将两束频率不同的光波入射具有平方律响应的光电探测器（如光电倍增管、硅光二极管、雪崩二极管等）中，两光波在探测器中叠加混频，由于光波频率很高，原入射光波以及它们的和频等高频成分的振荡速度太快，超过了探测器的响应时间，探测器输出的只是它们的时间平均值，只有差频成分存在随时间变化的信号输出，这被称为光学外差检测技术。4 47 7 光纤传感器光纤传感器 光纤是20世纪后半叶的重要发明之一，它与激光器、半导体光电探测器一起构成了新的光学技术，即光电子学新领域。光纤的最初研究是为了通讯。由于光纤具有许多新的特性，因此

17、在其他领域也发展了许多新的应用，其中之一就是构成光纤传感器。4 47 71 1 光纤传感器基础光纤传感器基础 一、光纤波导原理 光纤的基本结构与波导4 47 72 2 光纤传感器中几种常用的光纤传感器中几种常用的光强调制技术光强调制技术一、微弯效应 微弯调制器原理图四、偏振调制与解调四、偏振调制与解调1、调制原理（1）普克耳（Pockels）效应（2）法拉第磁光效应（3）光弹效应4 47 73 3 光纤干涉传感器原理光纤干涉传感器原理 4 48 82 2 光电尺寸测量举例光电尺寸测量举例线型CCD传感器测量物体尺寸的基本原理外径检测系统外径检测系统4 48 83 3 激光传感技术实例激光传感技

18、术实例一、激光位移干涉仪 激光位移干涉仪通常采用经典的迈克尔逊干涉仪结构，由于使用了激光，光源的相干性和亮度均较好，因此一般情况下不需要用小孔光阑来提高相干度，由于激光的相干长度较长，在实际应用中无需补偿板即可进行较大长度和位移的测量。 采用角隅棱镜的光路采用角隅棱镜的光路二、双频激光外差干涉仪二、双频激光外差干涉仪三、激光衍射测试技术三、激光衍射测试技术 1、间隙计量法 所谓间隙计量法就是通过测量参考物与被测物之间的间隙所形成的衍射暗条纹位置或位置的变化，来达到测量位置、位移的目的，它是激光衍射测试技术的主要方法四、激光多普勒测速四、激光多普勒测速1、移相法 这种方法是用两个光电探测器同时进

19、行光学外差检测。2、移频法 由于光学外差检测技术只能测量出两光波频率差的绝对值，因此无法对运动速度方向进行判断。若在外差检测之前人为使两光波之一的频率产生一个确定的移动，则就可以对差额的正负进行判断。4 48 84 4 光纤传感器实例光纤传感器实例一、光纤角速度传感器（光纤陀螺） 光纤角速度传感器又名光纤陀螺，其理论测量精度远高于机械和激光陀螺仪，它以塞格纳克效应为其物理基础。三、光纤光栅传感器三、光纤光栅传感器 光纤光栅传感技术是国际上近十年发展起来的新型传感技术，既用光纤感测信号又用光纤传输信号，是以光纤为载体的传感技术的最杰出代表。 分布式光纤光栅传感器网络分布式光纤光栅传感器网络光纤光栅结构、制作过程示意图光纤光栅结构、制作过程示意图利用可调谐利用可调谐Fabry-PerotFabry-P