第8章_光电传感器.ppt

1、传感器原理及应用,第8章 光电式传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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、光电耦合器、光电开关、电荷耦合器 8.3 光纤传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器、 光纤等等。 在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,概述,光

2、电 鼠 标,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,概述,料位自动控制,光电开关,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,概述,8.1 概 述,8.1.1 光的特性,光波是波长为10106nm的电磁波。,1000,000 nm,10 nm,780 nm,380 nm,可见光,红外光,紫外光,性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。,1905年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传播时，是不连续的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量子”。1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，并沿用至今。 每个光子的能量为 E=h,可见

3、，光的频率愈高，光子的能量愈大。,8.1 光电效应,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.1 光电效应 8.1.1 工作原理 (1)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,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.1 光电效应 8.1.1 工作原理,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

4、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。,由能量守恒定律有：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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 率半导体都有，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。,8.1 光电效应8.1.1 工作原理 (2)内光电效应,过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从

5、而使电导率变大。,导带,价带,禁带,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,Eg,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.1 光电效应8.1.1 工作原理 (2)内光电效应,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 处于反偏的PN结,传感器原理及应用,第8章 光电传感器,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，而电子移向N区， 使P区和N区之间产生电压， 这个电

6、压就是光生电动势. 基于这种效应的器件有 光电池,8.1 光电效应8.1.1 工作原理 (2)内光电效应,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,处于反偏的PN结（P接电源负极，N接电源正极）： 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； 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，形成光电流， 电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。 具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管.,8.1 光电效应8.1.1 工作原理 (2)内光电效应,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 1、光电管,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

7、），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,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 1、光电管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 1、光电管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 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。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。 光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器

8、,8.2 光电器件 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。,光敏电阻结构及符号,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器3、光敏电阻,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏电阻光照特性 无光照时，内部电子被原子束缚具有很高的电阻值； 有光照时，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； 暗电流无光照时的电流； 亮电阻、亮电流受光照时的阻值、电流； 光电流亮电流与暗电流之差称亮电流 。,8.2 光电器件

9、 3、光敏电阻,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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。,8.2 光电器件 3、光敏电阻基本特性,光敏电阻伏安特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光谱特性 光敏电阻灵敏度与入射波长有关; 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关， 材料与相对灵敏度峰位波长 例图： 硫化镉（CdS）0.30.8(m) 硫化铅（PbS）1.03.5(m) 锑化铟（InSb）1.07.3(m),8.2 光电器件 3、光敏电阻基本特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2

10、光电器件 3、光敏电阻基本特性,光敏电阻的光谱特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 3、光敏电阻基本特性,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。,光敏电阻温度特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 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。 特点：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。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管 （1）光敏二极管,光敏二极管结构与一般二极

11、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。为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大。,硅光敏二极管结构,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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， 光照越强光电流越大； 光电流方向与反向电流一致。,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,光敏二极管基本电路,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,基本特性： 光照特性， 图是硅光敏二极管在小 负载电阻下的光照特性。 光电流与照度成线性关系。,光敏二极管光照

12、特性,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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。,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏二极管伏安特性,伏安特性 当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，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。,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传

13、感器,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。,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,光敏二极管暗电流与温度关系,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,频率响应: 光敏管的频率响应是指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。,光敏二极管频率响应曲线,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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

14、管，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。,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管,光敏晶极管结构,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,硅（Si）光敏晶体极管一般都是NPN结构，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。在负载电阻RL上的输出电压为：,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管,晶体管电

15、流放大系数,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线 如图所示,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏晶体管的光谱特性 硅材料的光敏管峰值波长在0.9m附近（可见光） 灵敏度最大； 可见光或探测赤热状 物体时一般都用硅管 锗管的峰值波长约为 1.5m（红外光） 对红外进行探测时用 锗管较适宜。,8.2 光电器件 4、 光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管,光敏晶体管光谱特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇

16、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。,8.2 光电器件 5、 光电池（有源器件）,光 电 池 符 号,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 5、 光电池（有源器件）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。 原理：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。,8.2 光电器件 5、 光电池（有源器件）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光

17、照特性 开路电压，光生电动势与照度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2000lx下趋于饱和。 短路电流，短路电流与照度之间关系称短路电流曲线曲线，短路电流是指外接负载RL相对内阻很小时的光电流。,8.2 光电器件 5、 光电池（有源器件）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源使用，而作为电流源的形式应用。,8.2 光电器件 5、 光电池（有源器件）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏度不同， 硅光电池的光谱响应峰值在0.8m附近，波长范围0.41.2m。硅光电池可在很宽的波长范围内应用

18、。 硒光电池光谱响应峰值在0.5m附近, 波 长范围0.380.75m。,8.2 光电器件 5、 光电池（有源器件）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电池谱特性,8.2 光电器件 5、 光电池（有源器件）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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。 硅、硒光电池的频率特 性不同，硅光电池频率 响应较好硒光电池较差。 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。,8.2 光电器件 5、 光电池（有源器件）,硅、硒光电池的频率特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 5、 光电池（有源器件）,温度

19、特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,电路连接 光电池作为控制元件时通常接非线性负载，控制晶体管工作。 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。,8.2 光电器件 5、 光电池（有源器件）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,硅管的发射结导通电压为0.6V0.7V，光电池的 0.5V电压起不到控制作用，可将两个光电池串联 后接入基极，或用偏压电阻产生附加电压。 有光照度变化时，引起基极电流Ib变化，集电极 电流发生倍的变化。电流Ic与光照近似线性关系。,光电池电路连接,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,又称光电

20、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，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。,8.2 光电器件 6、 光电耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,“光耦”集成器件的特点：输入输出完全隔离，有独立的输入输出抗，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 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。,8.2 光电器件 6、光电耦合器件,（1）组成开关电路 图1电路中，当输入信号ui为低电平时，晶体管V

21、1处于截止状态，光电耦合器B1中发光二极管的电流近似为零，输出端Q11、Q12间的电阻很大，相当于开关“断开”；当ui为高电平时，v1导通，B1中发光二极管发光，Q11、Q12间的电阻变小，相当于开关“接通”该电路因Ui为低电平时，开关不通，故为高电平导通状态同理，图2电路中，因无信号(Ui为低电平)时，开关导通，故为低电平导通状态,（2）功率驱动电路中的光电隔离 在微机控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过微机的IO输出，而IO的驱动能力有限，一般不足以驱动一些电磁执行器件，需加接驱动介面电路，为避免微机受到干扰，须采取隔离措施。如可控硅所在的主电路一般是交流强电回路，电压

22、较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控制信号与可控硅触发电路进行隔离,在马达控制电路中，也可采用光耦来把控制电路和马达高压电路隔离开。马达靠MOSFET或IGBT功率管提供驱动电流，功率管的开关控制信号和大功率管之间需隔离放大级。在光耦隔离级放大器级大功率管的连接形式中，要求光耦具有高输出电压、高速和高共模抑制。,注意事项 （1）在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。（2）当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号（包括数位量信号、控制量信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上

23、的联系，否则这种隔离是没有意义的。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 （3） 光电耦合器件的应用,光电耦合器用于天然气点火器电路,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 7、 光电开关,（1）工作原理 光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，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。,工作原理图1所示。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。,（2）光电开关的分

24、类 漫反射式光电开关：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。,镜反射式光电开关：它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。,对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明

25、时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。,槽式光电开关：它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠。,（3） 光电开关的特性参数 检测距离：是指检测体按一定方式移动，当开关动作时测得的基准位置（光电开关的感应表面）到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。 回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。 响应频率：在规定的1s的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。 输出状态：分常开和常闭。当无检测

26、物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。 检测方式：根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。,指向角：见光电开关的指向角示意图,即如图4的下部三个小图所示。 表面反射率：漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接受器接收到光线的强度。粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光滑表面反射回的强度,而且，被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。,被检测物体,光电开关,移动方向,光

27、电开关,被检测物体,检测距离,回差值,动作（接通）,复位（断开）,基准轴,被测物,反光镜,漫反射式,镜反射式,接受器,发射器,对射式,（4） 使用注意事项 红外线传感器属漫反射型的产品，所采用的标准检测体为平面的白色画纸。 红外线光电开关在环境照度高的情况下都能稳定工作，但原则上应回避将传感器光轴正对太阳光等强光源。 对射式光电开关最小可检测宽度为该种光电开关透镜宽度的80%。 当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的光电开关，在这种情况下，请将负载经过交流继电器来转换使用。 红外线光电开关的透镜可用擦镜纸擦拭，禁用稀释溶剂等化学品，以免永久损坏塑料镜。

28、 针对用户的现场实际要求，在一些较为恶劣的条件下，如灰尘较多的场合，所生产的光电开关在灵敏度的选择上增加了50%，以适应在长期使用中延长光电开关维护周期的要求。 产品均为SMD工艺生产制造，并经严格的测试合格后才出厂，在一般情况下使用均不会出现损坏。为了避免意外性发生，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。,消除背景物的影响,（5）应用举例 从图6可以看出光电开关的各种应用。其中，图6（a）为光电开关用于对材料的定位剪切控制；图6（b）为用光电开关来控制液面位的上下限值，当液面位高于或低于上下极限液面位时，光电开关控制电路可使阈门打开或关闭，使液面位的高度保持在上下限之间；

29、图6（c）为利用物体对光的遮挡作用，检测物体的通过个数，或物体是否存在；图6（d）为利用光的直线传播性，检验产品是否等高排列；图6（e）为将光电开关用在流水生产线上，来检测产品的个数；图6（f）为用光电开关检测液面位的高低。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电鼠标的工作原理是：在光电鼠标内部有一个发光二极管，通过该发光二极管发出的光线，照亮光电鼠标底部表面（这就是为什么鼠标底部总会发光的原因）。然后将光电鼠标底部表面反射回的一部分光线，经过一组光学透镜，传输到一个光感应器件（微成像器）内成像。这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。最后利用光电鼠标内部的一

30、块专用图像分析芯片（DSP，即数字微处理器）对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,CCD（Charged Coupled Device，电荷耦合器件）是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。 特点：集成度高、尺寸小、电压低（DC712V）、 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、

31、农 业、军用等各个领域。,8.2 光电器件 8、电荷耦合器件（CCD） ChargeCoupled Devices,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件,基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件,图象传感器发展趋势,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,CCD基本结构分两部分： MOS（金属氧化物半导体） 光敏元阵列； 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

32、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。,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD） CCD基本结构和工作原理,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,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

33、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。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,265180,13390,6645,3322,分辨率不同的图象比较,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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。 读出移位寄存器也是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； 在三个电极上分别施加脉冲波三

34、相时钟脉冲 123。,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,电荷转移原理（读出移位寄存器）,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,读出移位寄存器结构,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,当t = t1时刻，1电极下出现势阱存入光电荷 当t = t2时刻，两个势阱形成大的势阱存入光电荷。 当t = t3时刻，1中电荷全部转移至2。 当t = t4时刻，2中电荷向3势阱转移。 当t = t5时刻，3中电荷向下一个1势阱转移。,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,读出移位寄存器三相时钟脉冲,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,

35、电荷转移原理 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。,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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： 有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA） 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：,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）电荷耦合器信号输出方式,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件

36、 （8）电荷耦合器件（CCD）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,电荷信息转移原理,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述 内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性,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主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率。,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD） CCD的特性参数,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不同形式，如单沟道CC

37、D、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。读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出信息，这一过程是一个串行输出过程。,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD） CCD器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,64位线阵CCD结构,传感器原理及应用,第8章光电式传感

38、器,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）,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同的。 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。,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD） 典型的CCD器件,传感器原理及应用

39、,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD） 典型的CCD器件,CCD产品,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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，TCD142D有22个引脚，其中12个是空脚； 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。,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,TCD142D引脚,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,TCD142D结构示意图,8.2 光电器件 （8）电

40、荷耦合器件（CCD）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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 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。,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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

41、生了四路脉冲。 将这四路脉冲经反相器反相，再经阻容加加速电路送至H0026驱动器，放大至一定量以后用以驱动TCD142D。,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,TCD142D驱动电路,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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

42、面。,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）CCD传感器的应用,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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；,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）CCD传感器的应用,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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

43、），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; 作为机器人视觉系统； 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。,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD）CCD传感器的应用,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD） 实例1：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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

44、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， 用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸影像投影 在CCD光敏像元阵列面上。,8.2 光电器件 （8）电荷耦合器件（CCD） 实例1：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像 的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间 亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的 壁厚像。 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，测量结果有：,分别为上壁厚、 下

45、壁厚，外径尺寸。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,线阵CCD进行工件尺寸测量,实例2：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,M2A胶囊 CCD在医疗诊断中的应用,实例3：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光导纤维简称光纤 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 光纤传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.3 光纤传感器（1）

46、光纤的结构和传输原理 光纤结构：,基本采用石英玻璃， 有不同掺杂，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（N1N2）。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光纤的传播基于光的全反射。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； 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。,8.3 光纤传感器（1）光纤的结构和传输原理 光纤的传光原理：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,可见，光纤临界入射角的

47、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。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.3 光纤传感器（2）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：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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：,传感器原理

48、及应用,第8章光电式传感器,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：,8.3 光纤传感器（2）光纤的性能（几个重要参数） 光纤模式（V）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光纤模式,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,模式讨论： 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分不同时间到达多个信号，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

49、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。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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。,8.3 光纤传感器（2）光纤的性能（几个重要参数） 传播损耗（A）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,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。 光纤传感器进行产品检测动画,8.3 光纤传感器 (3) 光纤传感器,

50、传感器原理及应用,第8章光电式传感器,FF （Function Fibre Optil Sensor） 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。,8.3 光纤传感器 (3) 光纤传感器 功能型,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.3 光纤传感器(3) 光纤传感器 马赫泽德干涉仪,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，使其在光 检测器处互相干涉。这 种干涉仪灵敏度，可精 确到10-13nm 。但实

51、现 非常困难，限制在实验 室工作。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光纤干涉传感器，几公里光路对光纤是容易实现的。 在光源和检测器之间，干涉仪只含光纤元件，换能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。,光纤干涉传感器原理 各种光纤耦合器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,马赫泽德光纤干涉仪原理,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,NFF（Non-Function Fibre Optil Sensor） 称传光型 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，

52、 光纤只起传光作用。,8.3 光纤传感器 (3) 光纤传感器 非功能型,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,利用半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。 敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信 号。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透 过薄片的光强受温度的调制温度T升高，材料吸收光 波长向长波移动，半导体薄片透过的光强度变化。,8.3 光纤传感器 (3) 光纤传感器 光纤温度传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体 上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤 传送到光敏元件上。 被测物体与光纤间 距离变化，反射到 接受光纤上，光通 量发生变化。再通 过光电传感器检测 出距离的变化。,8.3 光纤传感器 (3) 光纤传感器 反