传感器技术 课件 -第4章 光传感器

第4章光传感器理论知识Contents目

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1.1

光敏二极管传感器1.2热释电传感器1.3颜色传感器1.4光敏电阻传感器1.1光敏电阻传感器1.工作原理光敏电阻传感器属于光传感器的一种，实现:“被测光信号→光电检测元件→电信号”这一检测过程。爱因斯坦认为光是由光子组成的，且每个光子具有的能量表达式为:𝐸=ℎ𝑓(其中，h为普朗克常数，f为入射光的频率。)2.光电效应的分类通常可将光电效应现象分为：外光电效应、内光电效应。(1)外光电效应现象电子逸出物件材料表面的速度受材料性质的限制，用爱因斯坦光电方程可解释为其中，m为电子质量，

v为电子逸出物件表面时的初速度，Wescaped为物件的逸出功。

2.光电效应的分类(2)内光电效应内光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应。①光电导效应图

(b)所示，材料内的被束缚的电子呈价带状态。被束缚电子成为自由电子，须从光照中获取能量，从价带迁移至导带，电子迁移所耗费的能量为：

2.光电效应的分类

3.结构特性光敏电阻通常采用薄膜半导体材料，即在陶瓷基片表面覆着一层硫化镉或硒化银等光电半导体材料，同时两端装有引线，方便辅助电源接入。此外，为避免自由空间中温湿度对其的影响，通常将其封装至透明的密闭容器内，并将两极通常做成梳状，从而提升其灵敏度。3.结构特性暗电阻

室温完全无光照下，外加电压下测得的稳定电阻值即为暗电阻，常用“0LX”表示。亮电阻

室温条件，可响应范围波长光照下，外加电压下测得的电阻值为亮电阻，常用“100LX”表示。灵敏度灵敏度是指暗与亮电阻的相对变化值。二者所对应的电流称之为暗电流和亮电流，在实际工作时，电路中所获得的光电导电流为010203(1)光敏电阻的参数

3.结构特性(2) 光敏电阻的特性①伏安特性光敏电阻在一定的光照强度下，光敏电阻中流过的电流与外加电压之间的联系称为光敏电阻的伏安特性。显然，不同的光照强度下，光敏电阻的伏安特性曲线不同。通常情况下，光敏电阻的电流与电压间的关系克表示为

3.结构特性② 光谱特性光敏电阻相对于不同入射波长，灵敏度亦不同。这种入射光波长与光敏电阻灵敏度间的关系称之为光谱特性。如图所示，硒、硅、硫化镉的峰值在可见光区，镉、硫化铊和硫化铅处于红外光区，因此，选择光敏电阻时要考虑所处光区的材料种类。3.结构特性③ 时间相应特性当光敏电阻在入射光强度陡然变化时，其无法立即展现出相应的即时反应，需要一定的缓冲时间才可进入稳定状态，说明光敏电阻有时延特性，此种情况称之为光敏电阻的时间响应特性。3.结构特性④ 频率特性光敏电阻的光电流并不能随入射光强度变化而立即做出相应的变化，这种时间上的延迟即为光敏电阻的时间响应惰性，通常用时间常数表示。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数，因此其在不同入射光波长所对应的调制频率下的频率特性也就各不相同。3.结构特性⑤ 光电特性光敏电阻在外接电压不变的情况下，入射光强度与其电阻和电流间的关系称之为光敏电阻的光电特性。当光照强度大于100LX时，该光敏电阻的光电特性在非线性上的显现非常严重，这也说明光敏电阻不适合高精度测量，只能用于判定入射光照射有无或光照强度的阈值设定。3.结构特性⑥ 光谱温度特性光敏电阻受温度影响时，其对光谱波长的响应称之为光敏电阻的光谱温度特性。当温度升高时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要有所下降，此时，硫化铅的光谱曲线峰值将会随温度升高而向短波方向移动。此种现象产生的原因在于当温度升高时，光敏电阻产生电子-空穴对所耗费的能量会增加。通常通过降温的方式来提高其在长波范围内的灵敏度3.结构特性⑦ 光照特性光敏电阻输出的电信号随入射光强度而变化的特性称之为光敏电阻的光照特性。右图给出某型号光敏电阻的在光照强度变化下的电阻变化曲线，显然，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。4.工作电路原理基本偏置电路恒流电路恒压电路光敏电阻作为光传感器的一种类型，其在各种应用环境下使用的最终目的是将光敏电阻的电阻值转化为相应的电压或电流值输出，以便于识别和检测，而实现这一过程所对应的工作电路即为光敏电阻的偏置电路。共包含三种电路类型4.工作电路原理

4.工作电路原理

4.工作电路原理(2)恒流电路右图所示的基本偏置电路中，当RL远大于R时，流过光敏电阻的电流基本保持不变，此种状态的偏置电路称之为光敏电阻的恒流电路。尽管如此，通常情况下，光敏电阻的自身电阻值R都很高，此时，如果单纯的以满足恒流电路的要求为标准就难以满足电路输出阻抗的要求。为此，引入图所示的稳压管Dw的作用是使晶体三极管的基极电压稳定，即形成Ub

=Uw。此时，流过该晶体三极管发射极的电流Ie为

4.工作电路原理

4.工作电路原理

4.工作电路原理

1.2光敏二极管传感器1.工作原理光敏二极管是典型的PN结型光探测器，管芯内置的PN结使其具有低噪声干扰、快速光电响应灵敏度，小巧轻量，可以在较为宽泛的波长范围内保持较好的线性关系等优点。2.结构右图分别给出了光敏二极管传感器的外形和内部组成图。通常情况下，光敏二极管的整体结构由玻璃外壳、管芯、玻璃凸镜和引脚组成。在设计和制作的过程中，玻璃外壳和玻璃凸镜的使用能够使得面积较大的PN结更好的接受入射光的照射。当玻璃外壳或凸镜没有光照时,反向电流极其微弱,形成暗电流；有光照时,反向电流迅速增大到几十微安，形成光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。3.分类光敏二极管可大致划分为PN型、PIN型、APD雪崩型。PN型光敏二极管从紫外线到红外线范围光具有较高灵敏度，光电流与入射光强度的线性比较好，对微弱光也有较高灵敏度；PIN型光敏二极管的优点为在外线到红外线范围波长内响应灵敏度更快，缺点是温度特性比PN光敏二极管差；3.分类雪崩型光敏二极管主要特点是对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，且对光电流具有放大作用，暗电流小，响应速度特别快。其频带带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管，缺点是工艺要求高,受温度影响大。右图所示，雪崩型光敏二极管中电子-空穴对在PN结合区的晶格原子碰撞产生电离，即激发了二次至多次电子与空穴在电场下的配对，同时又加速了碰撞速度，形成雪崩倍增效应，从而实现放大电流和加快响应灵敏度的效应。4.工作特性及性能参数4.光敏二极管传感器的工作特性及性能参数：(1) 光敏二极管的工作特性① 伏安特性伏安特性是指，一定光照条件下，流过光敏二极管的电流与电流和电压的关系。右图为光敏二极管在不同入射光强度下的伏安特性曲线。P1为无光照情况下伏安特性曲线；P2为中段波长范围内的入射光强度下伏安特性曲线；P3为高波长范围内的入射光强度下伏安特性曲线。4.工作特性及性能参数

4.工作特性及性能参数

4.工作特性及性能参数③ 光谱特性光敏二极管在不同光照波长范围内所呈现的灵敏度变化称之为光谱特性，右图所示，影响光敏二极管光谱特性的不仅是制作材料的材质，图中给出了硅和锗光敏二极管以及硅材料下不同滤光玻璃引起的在不同光照波长范围内的灵敏度变化曲线，4.工作特性及性能参数④ 光电特性不同入射光照射强度下，流过光敏二极管的光电流变化称之为光敏二极管的光电特性。右图中给出了流过光敏二极管的光电流与一定范围内的入射光照射所呈现的正比线性关系。亮电流亮电流是指光敏二极管在一定光照条件下，额定工作电压下所产生的电流。其数值与光照度间的参考标准通常会根据所使用器件的功能进行划分。一般情况下，钨丝光源为2856K，照度为1000LUX；白色荧光灯光源为6500K，照度为1000LUX。暗电流暗电流是指在，无光照时，加一定反向电压时的电路中的反向暗电流。通常情况下，50V反向电压下的暗电流应小于100uA。响应时间响应时间是指光敏二极管将光信号转换为相应的电信号过程所需的时间。该响应时间越短，说明光敏二极管的工作频率越高。结电容结电容即为二极管的PN结电容。该电容是影响光电转化响应速率的主要因素。在实际生产制作中，一般要求，结面积要较小，该结面越小光敏二极管的工作频率越高。额定工作电压额定工作电压是指，无光照时，光敏二极管中反向电流不大于0.2~0.3uA范围内所允许的最高反向电压。该电压值一般为10~50V，其值越高光敏二极管的性能越稳定。光敏二极管的性能参数4.工作特性及性能参数(1)单个使用电路右图为最简单的光敏二极管测量电路，图(a)代表电路输出端电压随入射光照射强度变化的线性关系，称之为输出端的开路电压。图(b)代表电路输出端电流随入射光照射强度变化的线性关系，称之为短路电流。开路电压外界温度变化影响较大，一般情况下，简单的光敏二极管测量电路通常采用短路电流的方式。5.工作电路原理5.工作电路原理(2)无偏置电路右图为光敏二极管的无偏置电路,RL为负载阻抗，当该电路接低阻抗时，RL=2kΩ，此时，电路输出端接短路电流；当接高阻抗时，RL=50kΩ，此时，电路输出端接开路电压。负载阻抗越低越接近电路输出端短路电路方式，负载阻抗越高越接近电路输出端开路电压方式。5.工作电路原理(3)反向偏置电路右图给出了光敏二极管反向偏置电路，在实际工程应用中，反向偏置电路会使光敏二极管的灵敏度度提高数倍，响应时间大大缩短。反向偏置电路亦可接入高(RL=50kΩ)或低(RL=2kΩ)阻抗,尽管阻抗的接入会对电路造成一定的影响，但二者在响应特性方面均高于无偏置电路，缺点是暗电流大于无偏置电路。5.工作电路原理(4)光敏二极管和晶体管组合电路图(a)和(b)分别为经典的集电极和发射极输出电路。集电极输出电路更适用于光入射方式为脉冲的电路，该电路中，输出端与输入端信号的相位相反，且输出端的信号较大。发射极输出电路更适用于入射光为模拟信号的电路，输出端和输入端的相位相同，且输出端信号较好。5.工作电路原理(5)光敏二极管与运算放大器组合电路图(a)和(b)分别为该电路的无偏置电路和反向偏置电路。无偏置电路对比于反向偏置电路，前者更适合于入射光波长范围宽泛的情况，但其响应速度没有后者快。对于反向偏置电路，其反应速度较快，输出端与输入端信号处于相同相位。同时，可通过将反馈电阻Rf修改为对数二极管，实现对数压缩电压的输出。5.工作电路原理(6)光敏二极管与其他运算放大器组合电路图(a)反馈电路中采用对数二极管，入射光波长范围较为宽泛，入射信号为模拟信号的情况，可对输出端电压进行对数压缩。图(b)电路采用对偶型，形成对光敏二极管VD1和VD2的信号放大，并形成二者的差动。图(c)电路采用场效应晶体管VT的调制光传感器电路，响应速度较快，抗噪能力强，适用于光控电路，是一种调制光等的专用放大器电路。1.3热释电传感器1.工作原理热释电效应和热辐射原理热释电效应理论很早就被人们发现，伴随着红外线和激光技术的发展，热释电材料的研发，更加丰富了热释电效应理论，也产生了一些经典的热释电传感器器件，如热释电探测器和热释电摄像管等。热辐射原理即为，热释电传感器工作时，温度的变化会影响材料表面电荷的移动和中和，从而形成一定的电压信号的输出。TGS是典型的二级相变铁晶体，将甘氨酸和硫酸以3：1的摩尔比例制成的饱和溶液，以降温生长的方式形成优质单晶体。具有自主性极化强度大、电压响应特性优越、相对介电常数小和易制作等优点，但在防潮性、机械强度、退极化现象明显和介电损耗较大等方面存在劣势；①TGS类晶体SBN类晶体是一种钨青铜结构，自主性极化强度大，但其介电常数较大，打压相应特性低。因此，该类晶体更适用于面积较小的元器件制作；②SBN类晶体LT类晶体为晶格结构体，类似于钙钛矿结构，该类晶体的介电损耗较小，居里温度高，且不易退极化。因此，该类晶体可适用的温度范围较为宽泛。③LT类晶体2.设计材料当前较为流行的热释电传感器材料的制备方法中，热释电陶瓷与单晶体的融合亦是一种比较常见的制备方法。该类型的材料与单晶体对比，在成本和制备方面具有普遍优势。锆钛酸铅陶瓷锆钛酸铅陶瓷受温度影响较小，能够在室温下，呈现良好的热释电性能；钛酸铅陶瓷钛酸铅陶瓷材料具有较高的居里温度，热释电系数受温度影响较小，普遍应用于探测类元器件的制作；锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷锆钛酸铅镧陶瓷的居里点高，在常温下，不会出现退极化现象，且能够呈现良好的热释电性能。23412.设计材料3.组成结构下图所示，热释电传感器由滤光片、内置敏感元件的热释电探测元和内置高阻值电阻的前置放大器组成。同时，为阻止外部环境对热释电传感器的工作过程的影响，通常上述内部元件会由真空金属管封闭。该类传感器在不同视角下的外形结构如图所示。封装在热释电传感器外壳顶部的滤光片是一种具有带通滤波效能的滤光片。热释电探测元中的敏感元件能较好的吸收特定波长的电磁波，通常将垂直极化方向的晶体切成多个5~50nm超薄片，薄片两面蒸镀金属电极，形成一种以某种晶体为介质的平行板电容器。2.组成结构多种噪声源对热释电传感器输出信号的干扰在噪声源存在的热释电传感器中，信噪比是衡量噪声源对该类传感器干扰程度的有效参数，通常利用热释电传感器探测辐射通量的探测率来衡量信噪比，则可得热释电传感器在理想状态下的唯一噪声源来自于晶体薄片与外部环境间的温度噪声。右图给出了多种噪声源在不同频率下所呈现的变化曲线，不同的噪声电压密度会直接干扰热释电传感器的探测率，从而造成对该类传感器效能的影响。4.影响效能的因素4.影响效能的因素(2)环境温度的变化对热释电传感器内部组件特性的影响热释电传感器工作时，其所处的外部环境温度会对该类传感器内部组件特性造成一定程度的影响，从而形成对传感器的响应率、噪声密度和偏置电压等方面的影响。图给出了该类传感器在响应率、噪声密度和偏置电压方面随环境温度变化的情况。(3)温度梯度对热释电传感器稳定性的影响温度梯度随着热释电传感器的外壳温度不断变化时，会使该类传感器的前置放大电路中产生一个极大的低频信号，如果该频率信号超出了前置放大电路的工作范围，会对前置放大器造成破坏，进而影响热释电传感器工作的稳定性。此类影响多数与热释电传感器的时间常数τ有关，τ越大会使该类传感器对温度梯度的敏感度越高。4.影响效能的因素电转换过程：通过热释电原件表面电荷密度的改变，在热释电传感器前置放大电路中获得相应的电压信号输出。热释电传感器的等效电路该电路实际上表述的是信号转化过程。热转换过程：当携带辐射通量为𝛥𝛷的入射光经过透射率为τ的滤光片，达到热释电敏感元件时，该元件的表面所获得的辐射通量𝜏𝛥𝛷，且产生了相应的温度化。热电转换过程：热释电元件通过热转换过程所产生的温度变化𝛥𝑇，致使该元件表面的浮游电荷不断移动和中和，进而改变该元件表面的电荷密度。5.工作电路原理热释电传感器的前置放大电路热释电传感器的前置放大电路的式设计目的是将电路中的热释电电流转换为电压信号输出，但热释电传感器所处的电路，通常存在各种噪声干扰，因此，为了更好的从各种干扰信号中提取微弱的热释电电流信号，该类传感器的前置放大电路一般应具有电压增益高、噪声低和抗干扰能力强等优势。为进一步降低来自外部环境的温度、噪声等影响，右图给出了封装在晶体壳内的热释电传感器的前置放大电路。根据热释电传感器前置放大电路的设计特性，电路中的电压增益可表示为:5.工作电路原理1.4颜色传感器1.工作原理颜色传感器的工作原理是基于色彩检测方法实现的，色彩检测是指利用检测仪器模拟人眼对三基色(R-红，G-绿，B-蓝)识别的一种方法，检测仪器可通过三个滤波器分别识别来自于物体的光，以分辨来自于三基色的混合色。基于色彩检测方法，颜色传感器的工作原理可分为两个过程，即光到光电流转换过程、光电流到光电压转换过程。2.工作模式颜色传感器的工作模式亦称为色彩传感模式，可分为反射传感模式和透射传感模式。3.解析方法解析方法有矩阵和查表方法两种。(1)矩阵方法颜色传感器的矩阵解析方法中，是利用某种刺激矩阵匹配传感获取的三基色R、G和B形成具有不同比例值的混合色，进而通过计算三种颜色的比例值即可获得未知颜色信息，该过程也称之为CIE-RGB三重刺激方法。则该过程可用矩阵方程表示为

x、y和z代表匹配波长为λ的等能光谱色方程(2)查表方法在亮度因素不重要的情况下，该方法的校准对比过程需要选定某一个颜色通道作为对比对象，实现颜色传感器获取的R、G和B颜色值与该通道值的对比，以获取比率/比重。如，选择绿色通道作为对比对象，则该种集合可表示为将比率集合方式延伸至距离计算方面，即可计算颜色传感器获取的未知色彩和特定参考色彩距离。3.解析方法4.一般结构和特性(1)颜色传感器的一般结构该传感器的核心是具有彩色滤波功能的光敏二极管。工作时为了保证测量数据稳定，在光谱捕获探头中配有滤光片的同时，通常颜色传感器是安装在固定的支架上，其结构中配有固定作用的安装孔。为了更好区分有无光情况及安全防护，还配有亮通和暗通功能显示灯，亮