第7章光電傳感器

1、1第第 7 章章 光電傳感器光電傳感器2 第第 7 章章 光電傳感器與光纖傳感器光電傳感器與光纖傳感器 以光為媒介，以光電效應為基礎的傳感器，把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。從而實現(xiàn)非電量的光信號電測量。 光電傳感器具有反應速度快、檢測靈敏度高、可實現(xiàn)非接觸測量、可靠性好、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單等一系列優(yōu)點，因此在生物醫(yī)學測量系統(tǒng)中得到了廣泛的應用 371 光電傳感器的基本原理與基本特性光電傳感器的基本原理與基本特性 光電效應光照射到物質(zhì)上引起其電特性（電子發(fā)射、電導率、電位、電流等）發(fā)生變化的現(xiàn)象。 7. 1. 1 光電傳感器基本原理光電傳感器基本原理（1）外光電效應）外光電效應 受光照射

2、，物體內(nèi)的電子吸收光能逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象。如：光電管、光電倍增管。 愛因斯坦光電效應方程: 光電子的最大動能與入射光的頻率成線性關系，而與入射光強無關。2maxmax0012EmVhhhA4 光電子的最大動能與入射光的頻率成線性關系，而與入射光強無關。 h 普朗克常量 入射光頻率 產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率; 光子能量恰好等于逸出功A0 波長閾值: 2maxmax0012EmVhhhA000chcA05 光子的能量必須大于逸出功時，才產(chǎn)生光電效應，當入射光的頻率 1)， 個次極電子經(jīng)聚焦、加速后轟擊第二倍增極，打出 2個電子n依次類推，經(jīng)過n個倍增極之后，一個電子則變成了 n個電子，所有

3、電子最后被陽極收集，形成較強的輸出電流。n陰陽極間電壓力：10002500V，相鄰電極電位相差100V。電流放大倍數(shù)，可達10610813假設某一光電倍增管的 4，n10，則放大倍數(shù) n，約為100萬倍。可見，光電倍增管對很微弱的光能產(chǎn)生很大的電流。光電倍增管的倍增極的數(shù)目多在414之間， 值一般為36. 光電倍增管靈敏度高，不能受強光照射，否則容易損壞。14 (2)光電倍增管的主要特征參數(shù) 光電倍增管的主要特征參數(shù)有電流放大倍數(shù)、靈敏度和暗電流等。 電流放大倍數(shù)M(電流增益)。 電流放大倍數(shù)是指在一定工作電壓下，光電倍增管陽極信號電流IA與陰極電流IK的比值。 即 MIAIK。 在一般正常條

4、件下，M值為104106，與加在光電倍增管上的總電壓(陰極陽極之間的電壓)成正比，穩(wěn)定性為1左右。 15 靈敏度 光電倍增管的靈敏度：是指照射單位光通量時, 陽極產(chǎn)生的飽和光電流值。它是描述光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕哪芰?，其大小與極間所加的電壓有關。 圖所示為光電倍增管的特征參數(shù)靈敏度、電流放大倍數(shù)與所加電壓的關系曲線。16 暗電流。 當光電倍增管加有一定的工作電壓，但完全沒有光照時，仍有陽極電流輸出，此電流的直流分量(平均量)稱為暗電流。 暗電流的值與工作電壓和溫度有關，但是主要取決于光電倍增管材料本身的特性，例如漏電、熱發(fā)射等。 暗電流決定了光電倍增管可檢測光通量的閾值。17 3、光

5、電管、光電倍增管的應用n在生物醫(yī)學工程領域，光電管、光電倍增管常用于探測 光學信號。這些探測儀器包括生化儀器、醫(yī)用射線儀器等。n光電管：光電管： 成本較低，要求直流電壓低，但是靈敏度也低，多用于光信號較強的光學分析儀器。n光電倍增管：光電倍增管： 靈敏度高，放大倍數(shù)高，性能穩(wěn)定，因此廣泛用于弱光線的測量，尤其是對各種射線的探測。n例如，光電管、光電倍增管在分光光度計中得到應用。n分光光度計是根據(jù)比爾定律比爾定律，測定物質(zhì)對不同波長光吸收的大小，進而測出物質(zhì)在溶液中的濃度和得到其光譜特性，在生化實驗分析中是必不可少的儀器。18 從光源發(fā)出的光經(jīng)單色光器色散后變?yōu)閱紊?，此單色光透過比色皿內(nèi)的待測

6、溶液，照射到光電管上。 光電管把隨溶液濃度不同而變化的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大器放大后，由微安表將透光度或吸光度顯示出來。 如測量較弱的光線，可將光電管換成光電倍增管，使測量靈敏度增加。分光光度計的原理框圖分光光度計的原理框圖19 二、光敏電阻二、光敏電阻n 光照射光敏電阻時，導電性增加，電阻值下降，此時稱為亮阻，不受光照射時電阻為暗阻。n 暗、亮阻之比，可達102106。n 工作在可見光紅外區(qū)，弱光下工作靈敏度高于其它器件，頻率特性差，光電特性非線性。n光敏電阻利用的是光電導效應。20 三、光電池與光敏管三、光電池與光敏管 1、光電池特點： 結(jié)構(gòu)象二極管，工作面大，受光面為正極。 有源器

7、件，不需外接電壓。 頻率特性好，光電轉(zhuǎn)換效率高。 光譜范圍寬：0.451.1 。 硒光電池： ，人眼視覺靈敏度最大點。mmax0.55 m21 光電池(photocell)是一種光生伏特效應元件，屬于內(nèi)光電效應的器件。 當它受到光照時不需外加任何形式的能量就會產(chǎn)生電流輸出，其輸出電流與接受的光照有一定的關系，反映了光照強度的大小。 光電池按結(jié)構(gòu)可分為兩類：n 一是利用PN結(jié)的光生伏特效應制成的光電池； 常用的有:硅光電池,鍺光電池。 n另一類是用半導體與金屬接觸產(chǎn)生光生伏特效應制成的光 電池； 常見的有:硒光電池,氧化亞銅光電池。 22 以硅光電池和硒光電池為例，介紹光電池的基本性能。 (1)

8、光譜特性: 硅光電池適用的光波長在0.41.2 范圍，最大靈敏峰在0.8 左右； 硒光電池適用的光波長在0.30.7 范圍，最大靈敏峰在0.5 左右。 (2)頻率特性: n硅光電池比硒光電池的頻率響應高得多，而且負載電阻越小，頻率響應越好，因而需要快速響應的場合可采用硅光電池。n硅光電池性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好，因此使用最廣泛。n 光電池僅與電阻連接， 當光照增加(減少)時， 負載RL中的電流隨之增加(減少)。mmmm23 (3)(3)光電池的伏安特性曲線光電池的伏安特性曲線 伏安特性曲線中最佳負載線為Rj， 把光電池特性曲線分成兩個區(qū)。 1）線性區(qū)：RLRj，在這個區(qū)域內(nèi)，光電池的輸

9、出電壓與光照度E的對數(shù)成正比，稱為光電壓區(qū)。 光電流與光照度E不存在線性關系，不能用于光探測電路，即不能用于線性測量中。2425 應用舉例：光電比色計 光電比色計屬于光學分析儀器，其原理圖如圖所示。 從光源發(fā)出的光束分成左右兩路，其中右邊一路光程中放有標準樣品，左邊一路光程中放有被測溶液。兩路測量裝置采用兩個特性完全相同的光電池完成光電轉(zhuǎn)換，兩光電池的信號經(jīng)輸入放大器放大后送到計算機進行計算處理，然后輸出在表頭上顯示。顯示值正比于被分析樣品的某項指標，如顏色、濃度、渾濁度等。26 2、光敏二極管n 光敏二極管(photodiode)亦稱光電二極管，是一種半導體光電轉(zhuǎn)換器件，結(jié)構(gòu)與PN結(jié)二極管相

10、似，工作要加反向偏壓。n其基本工作原理是當光照射半導體的PN結(jié)時，在反向電壓的作用下，其反向電流隨光照度變化而變化，實現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能。n 無光照時，反向電阻達4M，n 有光照時，反向電阻1K幾百歐。n 頻率特性好，弱光靈敏度低。光照特性線性好。27n 光敏二極管響應速度快，體積小，價格低，堅實耐用，所以目前已得到廣泛的應用。n 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，由一個PN結(jié)組成，封裝在透明外殼中，引出兩個電極。光敏二極管的頂部有受光窗口和透鏡，以便接受光的照射。n與普通二極管相比，光敏二極管的特點是結(jié)面積較大。28n 光敏二極管在無光照時，電路中只有很小的反向漏電流，稱為光敏二極

11、管的暗電流。暗電流主要是由PN結(jié)中少數(shù)載流子運動形成。n 當光照射光敏二極管時，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子空穴對，它們在外電場的作用下，與P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子做定向運動而形成電流，此時的電流要比無光照時的漏電流大得多。這種因光照而大大增加的反向電流稱為光敏二極管的光電流。n 光電流隨入射光光照度而做相應變化，光照度越強則光電流越大。n 使用中，光敏二極管的正極與電源的負極相連，負極通使用中，光敏二極管的正極與電源的負極相連，負極通過負載電阻接電源的正極。過負載電阻接電源的正極。29 光敏二極管結(jié)構(gòu)和引腳圖如圖所示。 普通的PN結(jié)型光敏二極管的暗電流較大，響應速度也不快，在

12、要求響應速度快，線性度好和微弱信號檢測的測量系統(tǒng)中常采用雪崩光敏二極管（APD）.30 光敏二極管的伏安特性曲線如圖所示。 1）無光照時，光敏二極管的電壓電流特性與一般二極管一樣，如圖中無光照曲線所示. 2）對光敏二極管施加正向電壓時，正向電流將幾乎隨電壓升高而按指數(shù)規(guī)律上升，如圖中第象限虛線所示。如圖導通的二極管，不可用于光電測量。 3）特性曲線在第象限時，表示光敏二極管呈“發(fā)電”特性，此時光敏二極管在光照下相當于光電池的特性。15916331 4）特性曲線在第象限時，光敏二極管反向偏置，反向電流隨入射光光照度的增強而增大，在一定的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流的大小幾乎與反向電壓的高低無關，但是

13、與光照度成正比例。這正是光敏二極管用作光電探測器時的工作區(qū)域。正確使用: 對光敏二極管加反向電壓，工作在第III象限。 選擇合適的工作點(I0，U0)和輸出的負載RL，如圖所示，保證光敏二極管工作在線性區(qū)。負載電阻過大和過小都會使光敏二極管偏離線性工作區(qū)。 在入射光光照度一定的條件下，反向偏置的光敏二極管相當于一個恒流源15916332 光敏二極管的測量電路圖3所示 光敏二極管加反向電壓，選擇合適的負載電阻使其工作在線性區(qū)，光電流在負載電阻RL上產(chǎn)生成比例的電壓，對于交流信號采用電容耦合后接交流放大器。l (a)和(b)中輸出信號電壓與負載RL的信號電壓成正比。l 若輸入光信號是正脈沖，(a)

14、接法在RL上也得到正脈沖電壓；l 而在(b)接法在RL上得到負脈沖電壓。l (c)用于直流信號的測量，電路由于不受電容影響，適合于高頻脈沖狀態(tài)。33 3、光敏晶體管(光電三極管) 光敏晶體管(phototransistor)也是一種半導體光電轉(zhuǎn)換器件， 兼有晶體管的放大特點，光敏感性比光敏二極管更好。 光敏晶體管由兩個PN結(jié)組成，有NPN型，也有PNP型，其中以NPN型為常見。 與普通晶體管相比，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，光敏晶體管的集電結(jié)面積較大，發(fā)射結(jié)面積較小，目的是擴大光照面積； 在外形上多數(shù)只有集電極c、發(fā)射極e引線，基極b作為光敏感極無引線接出。光照射發(fā)射結(jié)產(chǎn)生的光電流相當于基極電流，集電極電流

15、是光電流的 倍。基極與集電極之間相當于反向偏置的光敏二極管；光敏晶體管的頂部有受光窗口和透鏡，以便接受光的照射。34 光敏晶體管的靈敏度比二極管要高； 暗電流和噪聲較大的，穩(wěn)定性比光電二極管差； 響應速度慢于光敏二極管。 光敏晶體管的輸出特性如圖所示。常見的光敏晶體管有硅光敏晶體管和鍺光敏晶體管。 硅光敏晶體管穩(wěn)定性較好，最高使用溫度為125左右。 鍺光敏晶體管一般暗電流較大，最高使用溫度約50 。35光電二極管與光電三極管外殼形狀基本相同，其判定方法:l 遮住窗口，用萬用表 R*1K擋，測兩管腳引線間正、反向電阻；l 均為無窮大的為光電三極管。l 正、反向阻值一大一小者為光電二極管。光電二極

16、管與光電三極管的判別36光敏三極管的基本應用電路光敏三極管的基本應用電路 (a)電流控制電路電流控制電路 (b) 電壓控制電路電壓控制電路37光敏器件的主要特性曲線38各種光電元件，峰值波長各種光電元件，峰值波長 相差較大，應選用與之匹配的光源相差較大，應選用與之匹配的光源。max3940 4、雪崩二極管（APD） 在PN結(jié)的P型區(qū)再設置一層摻雜濃度很高的P+層，工作電壓接近擊穿的反向偏壓，光子激發(fā)的電子在P+區(qū)受強大的內(nèi)部電場作用，加速轟向P區(qū)。 通過反向電壓擊穿，引起電流增益，類似光電倍增管的工作原理，功率比一般二極管大104倍，工作電壓比光電倍增管低。（約幾百伏） 一個入射光子激發(fā)出一個

17、電子，通過碰撞電離產(chǎn)生更多的二次電子空穴對，頻響100GHz以上，靈敏度極高，。610/A lm41四、半導體位置傳感器（PSD）nPSD(Position Sensitive Detector) 基于側(cè)向光電效應，A、B間產(chǎn)生的側(cè)向光電勢的大小、方向與光斑相對靈敏面中心位置有關。n可將光敏面上的光點位置轉(zhuǎn)化為電信號。n 當一束光射到PSD的光敏面上時，在同一面上的不同電極之間將會有電流流過，這種電壓或電流隨著光點位置變這種電壓或電流隨著光點位置變化而變化的現(xiàn)象就是半導體的橫向光電效應化而變化的現(xiàn)象就是半導體的橫向光電效應。n利用PSD的pn結(jié)上的橫向光電效應，可以檢測入射光點的照射位置。它不

18、像傳統(tǒng)的硅光電探測器只能作為光電轉(zhuǎn)換、光電耦合、光接收和光強測量等方面的應用；n能直接用來測量位置、距離、高度、角度和運動軌跡等。42PSD的結(jié)構(gòu)和工作原理： 由三層構(gòu)成，最上層是P層，下層是N層，中間是較厚的高阻層，形成P-I-N結(jié)構(gòu)，l當PSD表面受到光照射時，在光斑位置處產(chǎn)生比例于光能量的電子空穴對,流過P層電阻，分別從兩個電極上輸出光電流I1和I2。l由于P層電阻是均勻的，電極輸出的光電流反比于入射光斑位置到電極間的距離，光電流I1和I2用下面兩種方式表示：43n由上式可知I1、I2是光能量(I0)與位置的函數(shù)，實際應用中，由于光源光功率的波動及光源與PSD間距離的變化，I0并不是一個

19、恒定值，為了消除I0的影響，通常把輸出電流的差與和相除作為位置檢測信號，即:n當坐標原點選在PSD中心時： n當坐標原點選在PSD一端時： n 只要檢測出I1和I2的大小，即可以算出光點所在的位置。2121AIIXLII2212BIXLII44 五、五、CCD固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器 CCD固態(tài)圖像傳感器集光電轉(zhuǎn)換，電荷存貯，電荷轉(zhuǎn)移為一體。 光信號CCD（電荷耦合器件） 一個脈沖反映1個光敏元受光情況 電脈沖信號 幅度受光強弱 順序光能元位置 光生電荷與入射光成正比。 常用線陣CCD、面陣CCD器件、攝像頭。1123121231123123122,0,1,1,0,0,1,1,0,1,AA

20、AAAAAAAtqtqqtqq45TCD1703的驅(qū)動時序轉(zhuǎn)移脈沖SH、驅(qū)動脈沖 1E,1O,2E,2O,2B 、復位脈沖RS和鉗位脈沖CP等。46TCD1703的驅(qū)動時序 CCD傳感器必需在一組時序脈沖的驅(qū)動下才能正常工作。 TCD1703的時序脈沖共有：轉(zhuǎn)移脈沖SH，復位脈沖RS和鉗位脈沖CP驅(qū)動脈沖1E,1O,2E,2O,2B等。 各路脈沖的時序關系如圖所示，兩個SH脈沖之間的時間即為一個積分周期。 1E,1O的時序相同，2E,2O,2B的時序相同， 且與1E,1O的時序相反。 所以，只需把握SH、1、RS、CP之間的時序關系即可。 總共12路驅(qū)動脈沖信號，只需產(chǎn)生SH,1，RS這3路脈

21、沖。 將1反向后可得到2和2B； 將RS經(jīng)過一個觸發(fā)器延時可得到CP。47 7. 2. 2 光電傳感器的計算光電傳感器的計算 一、光通量的計算一、光通量的計算 單色點光源的輻射光通量： 波長為 的光源的發(fā)光強度。 球面面積 整個球面立體度： 光學元件（透鏡）對點光源所張的立體角 ，接收的光通量 。 A 光學元件面積 R 光源與光學元件之間的距離 若考慮光學元件的吸收和反射損耗： 反射系數(shù) 光譜透射比 l光學元件內(nèi)路徑長 k 吸收系數(shù) 4 II24 r2244rr 2AR 24AR24AR ()(1) kle48 二、光電流的計算二、光電流的計算單色光源： 光譜靈敏度非單色光源：三、電路分析計算

22、三、電路分析計算 按晶體管電路理論分析計算 輸入光通量 或光照度E代替晶體管輸入電流Ib，以靈敏度代替晶體管電流放大倍數(shù) 。iSS21 iSd49 減小暗電流（噪聲電流隨溫度升高而增大 ）的措施。(如圖)1、橋式補償電路： 二個相同的光電元件，一個接收信號，一個在暗盒中。2、負溫度系數(shù)的熱敏電阻：T，I暗，RT，Ub基本穩(wěn)定。3、光電三極管有基極引線，基射之間接入Rb，Ube,趨于穩(wěn)定4、二極管電壓負溫度特性：T，I暗，URb，但 UD2，Ub基本不變。507. 2. 3 光電傳感器的類型光電傳感器的類型 一、基本類型一、基本類型 （如下頁圖所示）（如下頁圖所示）1、透射式：由 測 吸收被測量

23、2、反射式：由 測= 反射被測量3、輻射式：光源=被測對象， 測被測量4、遮擋式：5、開關式(If光遮)51 二、雙光路光電傳感器二、雙光路光電傳感器 目的：減少電源波動，光路干擾等引起的測量誤差。 工作原理：初始時，調(diào)整光楔6改變 兩個光電元件輸出相等電橋平衡 測量中：外界干擾兩光路 同時變化在電橋中抵消52 機械光電鼠標機械光電鼠標: :利用利用LEDLED與光敏晶體管來測量位移與光敏晶體管來測量位移機械光電鼠標機械光電鼠標: :利用利用LEDLED與光敏晶體管來測量位移與光敏晶體管來測量位移54 86 光電傳感器在生物醫(yī)學中的應用光電傳感器在生物醫(yī)學中的應用 一、光電式脈博波檢測一、光電

24、式脈博波檢測 1、光電式脈博波傳感器 原理: 利用近紅外單色光在一般組織中的穿透性比血液中大幾十倍的現(xiàn)象，被測部位的透光率隨血管博動而變化。n 用光電信號測量脈搏容積變化。血管內(nèi)血容量變化,使組織對光吸收量發(fā)生變化，利用光電傳感器可測血液脈動基本參數(shù)情況（包括頻率，幅度，形狀改變）。 552、光電脈博波測量血壓當P袖P動脈，動脈被阻斷，脈博波消失最高血壓(收縮壓） 脈博振幅最大點P袖=P動脈平均血壓 光源手指（透射法）當V血管容積變化V吸光物質(zhì)變化 透射變化56Geddes固定比率法由脈搏波包絡線特征點獲取血壓值。包絡線頂點Om對應袖帶壓Pm，即平均壓；包絡線上升沿一點Os對應袖帶壓Ps，即收

25、縮壓；包絡線下降沿一點Od對應袖帶壓Pd，即舒張壓。Os和Od的大小可由經(jīng)驗公式求得：Os/ Om=0.55， 取值范圍：0.450.57Od/ Om=0.82，取值范圍：0.690.8957 二、生物化學光譜分析儀測量原理二、生物化學光譜分析儀測量原理 可見光分光光度計、紫外光分光光度計、紅外光、熒光分光光度計（框圖）。測量原理： 不同物質(zhì)吸收光波長不同，物質(zhì)本身具有自己的吸收光譜。 測出吸收光譜曲線，就可以對物質(zhì)進行定位、定量分析。吸收曲線與物質(zhì)濃度成正比。 朗伯-比爾定律： I透射光強度 C溶液濃度 I0入射光強度 L溶液厚度 K消光系數(shù)（吸收系數(shù)）0KCLII eAKL C58 當I0

26、、K、L不變時，濃度C越大，I越小，光被吸收越多。要滿足使用條件，溶液濃度太大，比爾定律不成立。朗伯定律：AL 比爾定律：AC A光的吸收程度（吸光度）單色器可由濾光片、棱鏡、光柵等得到波長 的單色光。棱鏡色散波長越短，色散程度越好。紫外區(qū)分辨率可達 0.2nm，長波段只能達5nm。衍射光柵較長的光波偏折角大，較短的光波偏折的角度 小，因而形成光譜。 棱鏡色散后起分光作用，只允許待測溶液所能吸收的單色光射出。 59光的吸收曲線 ： 吸收系數(shù)k不僅與物質(zhì)的種類有關,而且還與入射光的波長有關。正確選擇入射光的波長對于測量十分重要。u可見光分光光度計系統(tǒng)框圖 60u基于ARM的測量系統(tǒng)總體框圖光學系

27、統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊微處理器模塊人機交互模塊通訊接口模塊6162基于ARM的測量系統(tǒng)電路板圖63測量軟件界面 64比較法求濃度C n實際測量溶液的濃度常采用比較法或者比色法， 用兩個同樣比色杯，厚度L相等和透明度均相等。n 一個盛待測溶液,另一個盛濃度已知的標準溶液, 由于兩者為同品種溶液,用同一波長測量時吸收系數(shù)k相等。n 分別測量兩者的吸光度值A,其大小與濃度的關系為：65待測溶液： 標準溶液： 兩式相比較有： A0，C0是己知的值,所以測出吸光度A，可求出待測的濃度C。 66 三、光電法測血氧飽和度三、光電法測血氧飽和度 血氧飽和度被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白（HbO2）的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白（Hb）容量的百分比，即血液中的血氧濃度。 根據(jù)LambertBeer定律 E 吸光系數(shù) C 血液中HbO2濃度 L 動脈血液光路長度（溶液厚度） 吸光度：010ECLII01122log /()WI IECE C L 67動脈博動時， 不變，吸光度變化：E1、C1 動脈血液中HbO2的吸光系數(shù)和濃度。E2、C2 動脈血液中HbR（還原血紅蛋白，放出氧）的吸光系數(shù)和濃度。F 皮膚、肌肉、指角、靜脈血液等其它組織的吸光率。透射光強由Imax減少到00IFI 1122log