李新光-Y2014600102現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)Chapter4-6

第四章光電檢測(cè)器件4.2器件的基本特性參數(shù)響應(yīng)特性噪聲特性量子效率線性度工作溫度一、響應(yīng)特性１．響應(yīng)度（或稱靈敏度）：是光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度是隨入射光波長(zhǎng)變化而變化的響應(yīng)度分電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率電壓響應(yīng)率光電探測(cè)器件輸出電壓與入射光功率之比電流響應(yīng)率光電探測(cè)器件輸出電流與入射光功率之比２．光譜響應(yīng)度：探測(cè)器在波長(zhǎng)為λ的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比．３．積分響應(yīng)度：檢測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度．４．響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間τ是描述光電探測(cè)器對(duì)入射光響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)。上升時(shí)間：入射光照射到光電探測(cè)器后，光電探測(cè)器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。下降時(shí)間：入射光遮斷后，光電探測(cè)器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。光電探測(cè)器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系

為調(diào)制頻率為f時(shí)的響應(yīng)率 為調(diào)制頻率為零時(shí)的響應(yīng)率 為時(shí)間常數(shù)（等于RC）

５．頻率響應(yīng)：光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)．由于光電探測(cè)器信號(hào)產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過(guò)程，所以入射光的調(diào)制頻率對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)會(huì)有較大的影響。：上限截止頻率時(shí)間常數(shù)決定了光電探測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬返回二、噪聲特性在一定波長(zhǎng)的光照下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)并不是平直的，而是在平均值上下隨機(jī)地起伏，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。用均方噪聲來(lái)表示噪聲值大小噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)信號(hào)特別是微弱信號(hào)的正確探測(cè)。一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往受探測(cè)系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測(cè)量、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問(wèn)題。光電探測(cè)器常見的噪聲熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲1/f噪聲1、熱噪聲或稱約翰遜噪聲，即載流子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)(相當(dāng)于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時(shí)電流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無(wú)關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲2、散粒噪聲散粒噪聲：入射到光探測(cè)器表面的光子是隨機(jī)的，光電子從光電陰極表面逸出是隨機(jī)的，PN結(jié)中通過(guò)結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機(jī)的。散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無(wú)關(guān)。散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性，對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位。例如光伏器件的PN結(jié)勢(shì)壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。3、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生-復(fù)合。在平衡狀態(tài)時(shí)，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的。載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏。4、1/f噪聲或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在引起的。噪聲的功率近似與頻率成反比多數(shù)器件的1/f噪聲在200~300Hz以上已衰減到可忽略不計(jì)。５、信噪比信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)。是負(fù)載電阻上信號(hào)功率與噪聲功率之比若用分貝（dB）表示，為６、噪聲等效功率(NEP)定義：信號(hào)功率與噪聲功率比為1（SNR=1）時(shí)，入射到探測(cè)器件上的輻射通量(單位為瓦)。這時(shí)，投射到探測(cè)器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）等于探測(cè)器本身的噪聲電壓（或電流）一般一個(gè)良好的探測(cè)器件的NEP約為10-11W。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。噪聲等效功率是一個(gè)可測(cè)量的量。設(shè)入射輻射的功率為P，測(cè)得的輸出電壓為U0然后除去輻射源，測(cè)得探測(cè)器的噪聲電壓為UN則按比例計(jì)算，要使U0＝UN，的輻射功率為７、探測(cè)率與歸一化探測(cè)率探測(cè)率D定義為噪聲等效功率的倒數(shù)經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)NEP與檢測(cè)元件的面積Ad和放大器帶寬Δf乘積的平方根成正比歸一化探測(cè)率D*，即D*與探測(cè)器的敏感面積、放大器的帶寬無(wú)關(guān)。返回三、量子效率（）量子效率：在某一特定波長(zhǎng)上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。對(duì)理想的探測(cè)器，入射一個(gè)光量子發(fā)射一個(gè)電子，=1實(shí)際上，<1量子效率是一個(gè)微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。量子效率與響應(yīng)度的關(guān)系I/q：每秒產(chǎn)生的光子數(shù)P/hυ：每秒入射的光子數(shù)四、線性度線性度是描述光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的程度。在某一范圍內(nèi)探測(cè)器的響應(yīng)度是常數(shù)，稱這個(gè)范圍為線性區(qū)。非線性誤差：

δ＝Δmax/(I2

–I1)Δmax：實(shí)際響應(yīng)曲線與擬合曲線之間的最大偏差；I2

和I1：分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)值。五、工作溫度工作溫度就是指光電探測(cè)器最佳工作狀態(tài)時(shí)的溫度。光電探測(cè)器在不同溫度下，性能有變化。

例如，半導(dǎo)體光電器件的長(zhǎng)波限和峰值波長(zhǎng)會(huì)隨溫度而變化；熱電器件的響應(yīng)度和熱噪聲會(huì)隨溫度而變化。4.3 光電檢測(cè)器件光電管光電倍增管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管一、光電管

光電管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件，其外形和結(jié)構(gòu)如圖4.3.1所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽(yáng)極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子，從而使自由電子的能量增加hν。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時(shí)，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動(dòng)能為(1／2)mv2。根據(jù)能量守恒定律有:

(4.2)式中，m為電子質(zhì)量；v為電子逸出的初速度。由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是hν>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對(duì)每一種陰極材料，入射光都有一個(gè)確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，都不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應(yīng)的波長(zhǎng)λK為:

(4.3)式中，c為光速；A為逸出功。圖4.3.1光電管結(jié)構(gòu)示意圖光電管正常工作時(shí)，陽(yáng)極電位高于陰極，如圖4.3.2所示。在入射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時(shí)若光強(qiáng)增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。在圖4.3.2所示的電路中，電流IФ和電阻RL上的電壓降U0就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

陰極材料不同的光電管，具有不同的紅限，因此適用于不同的光譜范圍。此外，即使入射光的頻率大于紅限，并保持其強(qiáng)度不變，但陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會(huì)隨入射光頻率的變化而改變，即同一種光電管對(duì)不同頻率的入射光靈敏度并不相同。光電管的這種光譜特性，要求人們應(yīng)當(dāng)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象是紫外光、可見光還是紅外光去選擇陰極材料不同的光電管，以便獲得滿意的靈敏度。圖4.3.2光電管測(cè)量電路圖

圖4.3.3光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖

光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽(yáng)極A組成，并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進(jìn)行真空封裝。依據(jù)封裝方法，可分成端窗式和側(cè)窗式兩大類。端窗式光電倍增管的陰極通常為透射式陰極，通過(guò)管殼的端面接受入射光。側(cè)窗式陰極則是通過(guò)管殼的側(cè)面接收入射光，它的陰極通常為反射式陰極。

二、光電倍增管由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖4.3.3是光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖。

光陰極的量子效率是一個(gè)重要的參數(shù)。波長(zhǎng)為λ的光輻射入射到光陰極時(shí)，一個(gè)入射光子產(chǎn)生的光電子數(shù)，定義為光陰極的量子效率。光陰極有很多種，常用的有雙堿，S11及S20三種。光陰極通常由脫出功較小的銻銫或鈉鉀銻銫的薄膜組成，光陰極接負(fù)高壓，各倍增極的加速電壓由直流高壓電源經(jīng)分壓電阻分壓供給，靈敏檢流計(jì)或負(fù)載電阻接在陽(yáng)極A處，當(dāng)有光子入射到光陰極K上，只要光子的能量大于光陰極材料的脫出功，就會(huì)有電子從陰極的表面逸出而成為光電子。

在K和D1之間的電場(chǎng)作用下，光電子被加速后轟擊第一倍增極D1，從而使D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射．每一個(gè)電子的轟擊約可產(chǎn)生3～5個(gè)二次電子，這樣就實(shí)現(xiàn)了電子數(shù)目的放大。D1產(chǎn)生的二次電子被D2和D1之間的電場(chǎng)加速后轟擊D2，……。這樣的過(guò)程一直持續(xù)到最后一級(jí)倍增極Dn，每經(jīng)過(guò)一級(jí)倍增極，電子數(shù)目便被放大一次，倍增極的數(shù)目有8～13個(gè)，最后一級(jí)倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽(yáng)極A收集。若倍增電極有n級(jí)，各級(jí)的倍增率為б，則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是бn，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。光電倍增管的這個(gè)特點(diǎn)，使它多用于微光測(cè)量。若將靈敏檢流計(jì)串接在陽(yáng)極回路中，則可直接測(cè)量陽(yáng)極輸出電流。若在陽(yáng)極串接電阻RL作為負(fù)載，則可測(cè)量RL兩端的電壓，此電壓正比于陽(yáng)極電流。

圖4.3.4光電倍增管的基本電路

圖4.3.4所示為光電倍增管的基本電路。各倍增極的電壓是用分壓電阻R1、R2、……Rn獲得的，陽(yáng)極電流流經(jīng)負(fù)載電阻RL得到輸出電壓U0。當(dāng)用于測(cè)量穩(wěn)定的輻射通量時(shí)，圖中虛線連接的電容C1、C2、…、Cn和輸出隔離電容Ca都可以省去。這時(shí)電路往往將電源正端接地，并且輸出可以直接與放大器輸入端連接，從而使它能夠響應(yīng)變化緩慢的入射光通量。但當(dāng)入射光通量為脈沖通量時(shí)，則應(yīng)將電源的負(fù)端接地，因?yàn)楣怆姳对龉艿年帢O接地比陽(yáng)極接地有更低的噪聲，此時(shí)輸出端應(yīng)接人隔離電容，同時(shí)各倍增極的并聯(lián)電容亦應(yīng)接人，以穩(wěn)定脈沖工作時(shí)的各級(jí)工作電壓，穩(wěn)定增益并防止飽和。

與測(cè)量有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)：暗電流光電倍增管接上工作電壓后，在沒(méi)有光照的情況下陽(yáng)極仍會(huì)有一個(gè)很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流。光電倍增管在工作時(shí)，其陽(yáng)極輸出電流由暗電流和信號(hào)電流兩部分組成。當(dāng)信號(hào)電流比較大時(shí)，暗電流的影響可以忽略，但是當(dāng)光信號(hào)非常弱，以至于陽(yáng)極信號(hào)電流很小甚至和暗電流在同一數(shù)量級(jí)時(shí)，暗電流將嚴(yán)重影響對(duì)光信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性。所以暗電流的存在決定了光電倍增管可測(cè)量光信號(hào)的最小值。一只好的光電倍增管，要求其暗電流小并且穩(wěn)定。

(2)光譜響應(yīng)特征光電倍增管對(duì)不同波長(zhǎng)的光入射的響應(yīng)能力是不相同的，這一特性可用光譜響應(yīng)率表示。在給定波長(zhǎng)的單位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽(yáng)極電流大小稱為光電倍增管的絕對(duì)光譜響應(yīng)率，表示為

(4.4)

式中，P(λ)為入射到光陰極上的單色輻射功率；I(λ)是在該輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽(yáng)極電流；S(λ)是波長(zhǎng)的函數(shù)，它與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光電倍增管的絕對(duì)光譜響應(yīng)曲線。測(cè)量S(λ)十分復(fù)雜，因此在一般測(cè)量中都是測(cè)量它的相對(duì)值。為此，可以把S(λ)中的最大值當(dāng)作一個(gè)單位對(duì)所有S(λ)值進(jìn)行歸一化，這時(shí)就得到

(4.5)s(λ)稱為光電倍增管的相對(duì)光譜響應(yīng)率，它與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光電倍增管的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線。s(λ)≤1，是一個(gè)無(wú)量綱的量，只表示光電倍增管的光譜響應(yīng)特征。一、光敏電阻光敏電阻是光電導(dǎo)型器件。光敏電阻材料：主要是硅、鍺和化合物半導(dǎo)體，例如：硫化鎘（CdS），銻化銦（InSb）等。特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對(duì)于紅光和紅外輻射）；偏置電壓低，工作電流大；動(dòng)態(tài)范圍寬，既可測(cè)強(qiáng)光，也可測(cè)弱光；光電導(dǎo)增益大，靈敏度高；無(wú)極性，使用方便；在強(qiáng)光照射下，光電線性度較差光電馳豫時(shí)間較長(zhǎng)，頻率特性較差。光敏電阻(LDR)和它的符號(hào)：

符號(hào)1.光敏電阻的工作原理光敏電阻結(jié)構(gòu)：在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。（如圖）工作機(jī)理：當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體中的電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減小，電導(dǎo)增加。入射光返回本征型和雜質(zhì)型光敏電阻本征型光敏電阻：當(dāng)入射光子的能量等于或大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時(shí)，激發(fā)一個(gè)電子－空穴對(duì)，在外電場(chǎng)的作用下，形成光電流。雜質(zhì)型光敏電阻：對(duì)于Ｎ型半導(dǎo)體，當(dāng)入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能ΔＥ時(shí)，將施主能級(jí)上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為導(dǎo)電電子，在外電場(chǎng)的作用下，形成光電流。本征型用于可見光長(zhǎng)波段,雜質(zhì)型用于紅外波段。價(jià)帶導(dǎo)帶電子空穴Eg價(jià)帶導(dǎo)帶電子空穴ΔＥ施主光電導(dǎo)與光電流光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）．無(wú)光照時(shí)，阻值（暗電阻）很大，電流（暗電流）很??；光照時(shí)，光生載流子迅速增加，阻值（亮電阻）急劇減少．在外場(chǎng)作用下，光生載流子沿一定方向運(yùn)動(dòng)，形成光電流（亮電流）。光電流：亮電流和暗電流之差；

I光

=IL-Id光電導(dǎo)：亮電導(dǎo)和暗電導(dǎo)之差；

g

=gL-gd光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說(shuō)暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。光電流與光照強(qiáng)度／電阻結(jié)構(gòu)的關(guān)系。２．光敏電阻的工作特性光電特性伏安特性時(shí)間響應(yīng)和頻率特性溫度特性光電特性：光電流與入射光照度的關(guān)系：

(1)弱光時(shí)，γ=1，光電流與照度成線性關(guān)系

(2)強(qiáng)光時(shí)，γ=0.5，光電流與照度成拋物線 光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢(shì)。（冷卻可以改善）

光敏電阻的光電特性在弱光照下，光電流與E具有良好的線性關(guān)系在強(qiáng)光照下則為非線性關(guān)系其他光敏電阻也有類似的性質(zhì)。光電導(dǎo)靈敏度:光電導(dǎo)g與照度E之比. 不同波長(zhǎng)的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。在選用光電器件時(shí)必須充分考慮到這種特性。光電導(dǎo)增益

光電導(dǎo)增益反比于電極間距的平方。量子效率：光電流與入射光子流之比。伏安特性在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關(guān)系光敏電阻是一個(gè)純電阻，因此符合歐姆定律，其伏安特性曲線為直線。不同光照度對(duì)應(yīng)不同直線受耗散功率的限制，在使用時(shí)，光敏電阻兩端的電壓不能超過(guò)最高工作電壓圖中虛線為允許功耗曲線，由此可確定光敏電阻正常工作電壓。光敏電阻時(shí)間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有PbS光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。頻率特性光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)特性較差材料受光照到穩(wěn)定狀態(tài)，光生載流子濃度的變化規(guī)律：停止光照，光生載流子濃度的變化為響應(yīng)時(shí)間光敏電阻是多數(shù)載流子導(dǎo)電，溫度特性復(fù)雜。隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會(huì)影響光譜特性曲線。例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向移動(dòng)。尤其是紅外探測(cè)器要采取制冷措施溫度特性光敏電阻參數(shù)使用材料：硫化鎘（CdS），硫化鉛（PbS），銻化銦（InSb），碲鎘汞（HgCdTe），碲錫鉛（PbSnTe）.光敏面：1-3mm工作溫度：-40–80oC溫度系數(shù)：1極限電壓：10–300V耗散功率：<100W時(shí)間常數(shù)：5–50ms光譜峰值波長(zhǎng)：因材料而不同，在可見/紅外遠(yuǎn)紅外暗電阻：108歐姆亮電阻：104

歐姆光敏電阻的應(yīng)用基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈。基本結(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸點(diǎn)開關(guān)執(zhí)行電路基本原理：光暗時(shí)，光敏電阻阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮；光亮?xí)r，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。照明燈自動(dòng)控制電路K220V燈常閉CdS光電池光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射PN結(jié)時(shí)，由于內(nèi)建場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個(gè)正電壓。半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。光電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)光電池核心部分是一個(gè)PN結(jié)，一般作成面積大的薄片狀，來(lái)接收更多的入射光。在N型硅片上擴(kuò)散P型雜質(zhì)（如硼），受光面是P型層或在P型硅片上擴(kuò)散N型雜質(zhì)（如磷），受光面是N型層受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保護(hù)作用上電極做成柵狀，為了更多的光入射由于光子入射深度有限，為使光照到PN結(jié)上，實(shí)際使用的光電池制成薄P型或薄N型。光電池等效電路光電池的特性1、伏安特性無(wú)光照時(shí)，光電池伏安特性曲線與普通半導(dǎo)體二極管相同。有光照時(shí)，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。曲線與電壓軸交點(diǎn)稱為開路電壓VOC，與電流軸交點(diǎn)稱為短路電流ISC。光電池伏安特性曲線反向電流隨光照度的增加而上升IU照度增加2、時(shí)間和頻率響應(yīng)

硅光電池頻率特性好硒光電池頻率特性差硅光電池是目前使用最廣泛的光電池

要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小的負(fù)載電阻RL；光電池面積越大則響應(yīng)時(shí)間越大，因?yàn)楣怆姵孛娣e越大則結(jié)電容Cj越大，在給定負(fù)載時(shí)，時(shí)間常數(shù)就越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小面積光電池。開路電壓下降大約23mV/度短路電流上升大約10-510-3mA/度3、溫度特性

隨著溫度的上升，硅光電池的光譜響應(yīng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，開路電壓下降，短路電流上升。光電池做探測(cè)器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器應(yīng)考慮溫度的漂移，要進(jìn)行補(bǔ)償。4、光譜響應(yīng)度硅光電池響應(yīng)波長(zhǎng)0.4-1.1微米，峰值波長(zhǎng)0.8-0.9微米。硒光電池響應(yīng)波長(zhǎng)0.34-0.75微米，峰值波長(zhǎng)0.54微米。5、光電池的光照特性連接方式：開路電壓輸出---(a)

短路電流輸出---(b)光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。開路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)趨于飽和。光照特性---開路電壓輸出：非線性(電壓---光強(qiáng))，靈敏度高短路電流輸出：線性好(電流---光強(qiáng))，靈敏度低開關(guān)測(cè)量（開路電壓輸出），線性檢測(cè)（短路電流輸出）負(fù)載RL的增大線性范圍也越來(lái)越小。因此，在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時(shí)，負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在適當(dāng)?shù)墓庹辗秶鷥?nèi)使用。光電池的應(yīng)用1、光電探測(cè)器件利用光電池做探測(cè)器有頻率響應(yīng)高，光電流隨光照度線性變化等特點(diǎn)。2、將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能實(shí)際應(yīng)用中，把硅光電池經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組。硅太陽(yáng)能電池硅太陽(yáng)能電池包括單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池。單晶硅太陽(yáng)能電池在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽(yáng)能電池,其效率為15%。多晶硅半導(dǎo)體材料的價(jià)格比較低廉,但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點(diǎn)。多晶硅太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。非晶硅太陽(yáng)能電池非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池組件的制造采用薄膜工藝,具有較多的優(yōu)點(diǎn),例如:沉積溫度低、襯底材料價(jià)格較低廉,能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積。

非晶硅的可見光吸收系數(shù)比單晶硅大,是單晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大約90%有用的太陽(yáng)光能。非晶硅太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性較差,從而影響了它的迅速發(fā)展。

化合物太陽(yáng)能電池

三五族化合物電池和二六族化合物電池。三五族化合物電池主要有GaAs電池、InP電池、GaSb電池等;二六族化合物電池主要有CaS/CuInSe電池、CaS/CdTe電池等。在三五族化合物太陽(yáng)能電池中,GaAs電池的轉(zhuǎn)換效率最高,可達(dá)28%;GaAs化合物太陽(yáng)能電池Ga是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品,非常稀少珍貴;As不是稀有元素,有毒。GaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結(jié)電池,這是由于GaAs具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率。

GaAs化合物太陽(yáng)能電池雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn),但是GaAs材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。

太陽(yáng)能太陽(yáng)能特點(diǎn)：①無(wú)枯竭危險(xiǎn)；②絕對(duì)干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。要使太陽(yáng)能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太陽(yáng)能光電變換效率并降低成本；二是要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。光敏二極管結(jié)構(gòu)光敏二極管與普通二極管一樣有一個(gè)PN結(jié)，屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€形元件。外形不同之處是在光電二極管的外殼上有一個(gè)透明的窗口以接收光線照射，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作面，即PN結(jié)面積比普通二極管大得多，以擴(kuò)散層作為它的受光面。為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極管淺。

光電二極管（光敏二極管）光敏二極管符號(hào)

光敏二極管接法

外加反向偏壓可以不加偏壓，與光電池不同，光敏二極管一般在負(fù)偏壓情況下使用大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場(chǎng)，電子—空穴在耗盡層復(fù)合機(jī)會(huì)少，提高光敏二極管的靈敏度。增加了耗盡層的寬度，結(jié)電容減小，提高器件的頻響特性。但是，為了提高靈敏度及頻響特性，卻不能無(wú)限地加大反向偏壓，因?yàn)樗€受到PN結(jié)反向擊穿電壓等因素的限制。光敏二極管體積小，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短，光譜響應(yīng)在可見到近紅外區(qū)中，光電檢測(cè)中應(yīng)用多。擴(kuò)散型P-i-N硅光敏二極管和雪崩光敏二極管擴(kuò)散型P-i-N硅光敏二極管選擇一定厚度的i層，具有高速響應(yīng)特性。i層所起的作用:(1)為了取得較大的PN結(jié)擊穿電壓，必須選擇高電阻率的基體材料，這樣勢(shì)必增加了串聯(lián)電阻，使時(shí)間常數(shù)增大，影響管子的頻率響應(yīng)。而i層的存在，使擊穿電壓不再受到基體材料的限制，從而可選擇低電阻率的基體材料。這樣不但提高了擊穿電壓，還減少了串聯(lián)電阻和時(shí)間常數(shù)。

(2)反偏下，耗盡層較無(wú)i層時(shí)要大得多，從而使結(jié)電容下降，提高了頻率響應(yīng)。PIN管的最大特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一特點(diǎn)是線性輸出范圍寬。缺點(diǎn):

由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。雪崩光敏二極管由于存在因碰撞電離引起的內(nèi)增益機(jī)理，雪崩管具有高的增益帶寬乘積和極快的時(shí)間響應(yīng)特性。通過(guò)一定的工藝可以使它在1.06微米波長(zhǎng)處的量子效率達(dá)到30％，非常適于可見光及近紅外區(qū)域的應(yīng)用。

當(dāng)光敏二極管的PN結(jié)上加相當(dāng)大的反向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很高的電場(chǎng)，使進(jìn)入場(chǎng)區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量，通過(guò)碰撞使晶格原子電離，而產(chǎn)生新的電子—空穴對(duì)。新的電子—空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下分別向相反方向運(yùn)動(dòng)．在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，又有可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。只要電場(chǎng)足夠強(qiáng)，此過(guò)程就將繼續(xù)下去，達(dá)到載流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二極管的反向工作偏壓略低于擊穿電壓。雪崩光電二極管的

倍增電流、噪聲與偏壓的關(guān)系曲線反向偏壓/V在偏置電壓較低時(shí)的A點(diǎn)以左，不發(fā)生雪崩過(guò)程；隨著偏壓的逐漸升高，倍增電流逐漸增加從B點(diǎn)到c點(diǎn)增加很快，屬于雪崩倍增區(qū)；偏壓再繼續(xù)增大，將發(fā)生雪崩擊穿；同時(shí)噪聲也顯著增加，如圖中c點(diǎn)以右的區(qū)域。因此，最佳的偏壓工作區(qū)是c點(diǎn)以左，否則進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)燒壞管子。由于擊穿電壓會(huì)隨溫度漂移，必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應(yīng)調(diào)整工作電壓。雪崩光電二極管具有電流增益大，靈敏度高，頻率響應(yīng)快，帶寬可達(dá)100GHz。是目前響應(yīng)最快的一種光敏二極管。不需要后續(xù)龐大的放大電路等特點(diǎn)。因此它在微弱輻射信號(hào)的探測(cè)方向被廣泛地應(yīng)用。在設(shè)計(jì)雪崩光敏二極管時(shí)，要保證載流子在整個(gè)光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無(wú)缺陷的材料，必須保持更高的工藝和保證結(jié)面的平整。其缺點(diǎn)是工藝要求高，穩(wěn)定性差，受溫度影響大。雪崩光電二極管與光電倍增管比較體積小結(jié)構(gòu)緊湊工作電壓低使用方便但其暗電流比光電倍增管的暗電流大，相應(yīng)的噪聲也較大故光電倍增管更適宜于弱光探測(cè)光敏二極管陣列

將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來(lái)同時(shí)探測(cè)被測(cè)物體各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。象限探測(cè)器象限探測(cè)器有二象限和四象限探測(cè)器，又分光電二極管象限探測(cè)器和硅光電池象限探測(cè)器。象限探測(cè)器是在同一塊芯片上制成兩或四個(gè)探測(cè)器，中間有溝道將它們隔開，因而這兩或四個(gè)探測(cè)器有完全相同性能參數(shù)。當(dāng)被測(cè)體位置發(fā)生變化時(shí)，來(lái)自目標(biāo)的輻射量使象限間產(chǎn)生差異，這種差異會(huì)引起象限間信號(hào)輸出變化，從而確定目標(biāo)方位，同時(shí)可起制導(dǎo)、跟蹤、搜索、定位等作用。光敏三極管（光電三極管）光電三極管是由光電二極管和一個(gè)晶體三極管構(gòu)成，相當(dāng)于在晶體三極管的基極和集電極間并聯(lián)一個(gè)光電二極管。同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個(gè)透明窗口，以接收光線照射。日前用得較多的是NPN和PNP兩種平面硅光電三極管。NPN光電三極管結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖光電三極管工作原理NPN光電三極管（3DU型），使用時(shí)光電三極管的發(fā)射極接電源負(fù)極，集電極接電源正極。光電三極管不受光時(shí)，相當(dāng)于普通三極管基極開路的狀態(tài)。集電結(jié)(基—集結(jié))處于反向偏置，基極電流等于0，因而集電極電流很小，為光電三極管的暗電流。當(dāng)光子入射到集電結(jié)時(shí)，就會(huì)被吸收而產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，處于反向偏置的集電結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)使電子漂移到集電極，空穴漂移到基極，形成光生電壓，基極電位升高。發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極如同普通三極管的發(fā)射結(jié)(基—發(fā)結(jié))加上了正向偏置，當(dāng)基極沒(méi)有引線時(shí)，集電極電流就等于發(fā)射極電流。這樣晶體三極管起到電流放大的作用。由于光敏三極管基極電流是由光電流供給，因此一般基極不需外接點(diǎn)，所以通常只有集電極和發(fā)射極兩個(gè)引腳線。光電三極管與光電二極管相比，具有較高的輸出光電流，但線性差線性差主要是由電流放大倍數(shù)的非線性所致在大照度時(shí)，光敏三極管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開關(guān)元件使用。管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開關(guān)元件使用。光電三極管的光照特性光敏三極管的伏安特性硅光電三極管的光電流在毫安量級(jí)，硅光電二極管的光電流在微安量級(jí)。在零偏壓時(shí)硅光電三極管沒(méi)有光電流輸出，但硅光電二極管有光電流輸出。

工作電壓較低時(shí)輸出電流有非線性，硅光電三極管的非線性更嚴(yán)重。（因?yàn)榉糯蟊稊?shù)與工作電壓有關(guān)）在一定的偏壓下，硅光電三極管的伏安曲線在低照度時(shí)間隔較均勻，在高照度時(shí)曲線越來(lái)越密硅光電三極管硅光電二極管

光敏三極管的溫度特性溫度特性反映了光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。溫度變化對(duì)光電流和暗電流都有影響，對(duì)暗電流的影響更大。精密測(cè)量時(shí)，應(yīng)采取溫度補(bǔ)償措施，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。光電三極管的光電流和暗電流受溫度影響比光電二極管大得多

光敏三極管的（調(diào)制）頻率特性光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對(duì)于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5000Hz以下，硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。由光源、光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測(cè)時(shí)，還必須配備適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路。測(cè)量電路能夠把光電效應(yīng)造成的光電元件電性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流。不同的光電元件，所要求的測(cè)量電路也不相同。下面介紹幾種半導(dǎo)體光電元件常用的測(cè)量電路。半導(dǎo)體光敏電阻可以通過(guò)較大的電流，所以在一般情況下，無(wú)需配備放大器。在要求較大的輸出功率時(shí)，可用圖4.4.1所示的電路。圖4.4.2a給出帶有溫度補(bǔ)償?shù)墓饷舳O管橋式測(cè)量電路。當(dāng)入射光強(qiáng)度緩慢變化時(shí)，光敏二極管的反向電阻也是緩慢變化的，溫度的變化將造成電橋輸出電壓的漂移，必須進(jìn)行補(bǔ)償。圖中一個(gè)光敏二極管作為檢測(cè)元件，另一個(gè)裝在暗盒里，置于相鄰橋臂中，溫度的變化對(duì)兩只光敏二極管的影響相同，因此，可消除橋路輸出隨溫度的漂移。4.4 光電轉(zhuǎn)換電路光敏三極管在低照度入射光下工作時(shí)，或者希望得到較大的輸出功率時(shí)，也可以配以放大電路，如圖4.4.2b所示。圖4.4.1光敏電阻測(cè)量電路

圖4.4.2光敏晶體管測(cè)量電路

圖4.4.3光電池測(cè)量電路

由于光電池即使在強(qiáng)光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級(jí)晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖4.4.3a所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無(wú)光照時(shí)承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個(gè)電阻。也可以使用硅光電池組串聯(lián)，使其電壓大于0.7伏,如圖4.4.3b所示

圖4.4.4使用運(yùn)放的光敏元件放大電路

半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運(yùn)算放大器。硅光敏二極管通過(guò)集成運(yùn)放可得到較大輸出幅度，如圖4.44a所示。當(dāng)光照產(chǎn)生的光電流為IФ時(shí)，輸出電壓U0=IФRF，為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個(gè)負(fù)電壓。圖4.44b給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運(yùn)放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的特點(diǎn)，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓U0=2IФRF。

下面是光電二極管與IC放大電路的三種典型連接方法。

1.電流放大型圖4.4.5(a)是電流放大型IC檢測(cè)電路。光電二極管和運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端同極性相連，運(yùn)算放大器兩輸入端間的輸入阻抗Zin是光電二極管的負(fù)載電阻，可表示為

Zin=Rf/（A+1)式中，A是放大器的開環(huán)放大倍數(shù)；Rf是反饋電阻。當(dāng)A=104。Rf=100kΩ時(shí)，Zin=10Ω?？梢哉J(rèn)為光電二極管是處于短路工作狀態(tài)，能取出近于理想的短路電流。處于電流放大狀態(tài)的運(yùn)算放大器，其輸出電壓U0與輸入短路光電流成比例，并有

U0=IscRf=RfSΦ

即輸出信號(hào)與輸入光通量成正比。此外，電流放大器因輸入阻抗低而響應(yīng)速度較高并且放大器噪聲較低，所以信噪比提高。這些優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于弱光信號(hào)的檢測(cè)中。

2．電壓放大型

圖4.4.5(b)是電壓放大型IC檢測(cè)電路，光電二極管的正端接在運(yùn)算放大器的正端，運(yùn)算放大器的漏電流比光電流小得多，具有很高的輸入阻抗。當(dāng)負(fù)載電阻RL取1MΩ以上時(shí)，工作在光電池狀態(tài)下的光電二極管處于接近開路狀態(tài)，可以得到與開路電壓成比例的輸出信號(hào)，即式中是該電路的電壓放大倍數(shù)。3.阻抗變換型反向偏置光電二極管或PIN光電二極管具有恒流源性質(zhì)，內(nèi)阻很大，且飽和光電流和輸入光通量成正比，在有很高的負(fù)載電阻的情況下可以得到較大的信號(hào)電壓。但如果將這種處于反向偏置狀態(tài)下的光電二極管直接接到實(shí)際的負(fù)載電阻上，則會(huì)因阻抗的失配而削弱信號(hào)的幅度。因此需要有阻抗變換器將高阻抗的電流源變換成低阻抗的電壓源，然后再與負(fù)載相連。圖4.4.5(c)中所示的以場(chǎng)效應(yīng)管為前級(jí)的運(yùn)算放大器就是這樣的阻抗變換器。該電路中場(chǎng)效應(yīng)管具有很高的輸入阻抗，光電流是通過(guò)反饋電阻Rf形成壓降的。電路的輸出電壓U0為

（4-1）即U0與輸入光通量成正比。當(dāng)實(shí)際的負(fù)載電阻RL與放大器連接時(shí)，由于放大器輸出阻抗R0較小，RL>>R0，則負(fù)載功率P0為：

另一方面，計(jì)算光電二極管直接與負(fù)載電阻相連時(shí)負(fù)載上的功率為：比較兩種情況可見，采用阻抗變換器可以使功率輸出提高(Rf/RL)2倍。例如，當(dāng)RL=1MΩ，Rf=10MΩ時(shí)，功率提高100倍。這種電路的時(shí)間特性較差，但用在信號(hào)帶寬沒(méi)有特殊要求的緩變光信號(hào)檢測(cè)中，可以得到很高的功率放大倍數(shù)。此外，用場(chǎng)效應(yīng)管代替雙極性晶體管作前置級(jí)，其偏置電流很小，因此適用于光功率很小的場(chǎng)合。4.5常見光電傳感器及應(yīng)用4.5.1各種光電檢測(cè)器件的性能比較參看75頁(yè)表2-6（第1版)典型光電探測(cè)器件工作特性的比較.

動(dòng)態(tài)性能(即頻率響應(yīng)):光電倍增管和光電二極管最好;光電特性(線性):光電倍增管、光電二極管和光電池;靈敏度:光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管;長(zhǎng)期穩(wěn)定性:光電二極管和光電池最好,其次是光電倍增管.4.5.2光電檢測(cè)器件的應(yīng)用選擇要點(diǎn)*光電檢測(cè)器件必須和輻射信號(hào)源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配;光電檢測(cè)期間的光敏面必須和入射輻射能量相對(duì)準(zhǔn)；光電檢測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻射能量相匹配(器件的感光面要和照射光匹配好);光電檢測(cè)器必須和光信號(hào)的調(diào)制形式、信號(hào)頻率及波形相匹配,以保證得到?jīng)]有頻率失真的輸出波形和良好的時(shí)間響應(yīng);光電檢測(cè)器件的最小可探測(cè)功率必須與入射輻射相匹配；光電檢測(cè)器件必須和輸入電路在電特性上良好地匹配,以保證有有足夠的線性范圍、信噪比及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng);為使器件具有長(zhǎng)期工作的可靠性,必須注意選好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條件.4.5.3光電傳感器及在煙塵濁度監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

透射式光電傳感器是將發(fā)光管和光敏三極管等，以相對(duì)的方向裝在中間帶槽的支架上。當(dāng)槽內(nèi)無(wú)物體時(shí)，發(fā)光管發(fā)出的光直接照在光敏三極管的窗口上，從而產(chǎn)生一定大的電流輸出，當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)槽內(nèi)時(shí)則擋住光線，光敏管無(wú)輸出，以此可識(shí)別物體的有無(wú)。適用于光電控制、光電計(jì)量等電路中，可檢測(cè)物體的有無(wú)、運(yùn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速等方面。 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測(cè)、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。

圖4.5.1透射型BYD3M.TDT光電傳感器使用示意圖

圖4.5.2吸收式煙塵濁度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖

DST9702激光反射式煙塵濃度儀

圖4.5.3DST9702激光反射式煙塵濃度儀組成框圖

技術(shù)特點(diǎn)

采用激光背散射原理,不怕煙道的機(jī)械振動(dòng)及煙氣溫度不均造成的折射率不均造成的光束擺動(dòng)；

單端安裝,無(wú)需光路對(duì)中，且安裝簡(jiǎn)單方便；

采用標(biāo)準(zhǔn)4-20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流輸出,連接方便；

儀器整體功耗非常小,大約5w左右；

一般標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置參數(shù)可適用于煙道璧厚小于400，煙道直徑大于儀器名牌標(biāo)示（D.GT.2000）,在特殊的要求條件下測(cè)量區(qū)大小可以訂制.用戶也可以在經(jīng)維護(hù)人員的認(rèn)可及指導(dǎo)下調(diào)整.

煙道里的煙塵濁度是通過(guò)光在煙道在傳輸過(guò)程中的變化大小來(lái)檢測(cè)的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測(cè)器的光減少。因此光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。本應(yīng)用中應(yīng)用奧托尼克斯(Autonics)公司的BYD3M-TDT透射式小型光電傳感器BYD3M-TDT透射式小型光電傳感器，其光源(發(fā)光器)與接收器不在同一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，見圖4.5.1使用示意圖：先將發(fā)射器和接收器對(duì)準(zhǔn)并固定好后才可以通電(12.24)VDC；接著在ON狀態(tài)設(shè)定好發(fā)射器的中心位置，然后左右上下方向調(diào)節(jié)接收器和發(fā)射器的位置；最后檢測(cè)目標(biāo)穩(wěn)定后固定好發(fā)射器和接收器。

圖4.5.2是吸收式煙塵濁度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成框圖：為了檢測(cè)出煙塵中對(duì)人體危害性最大的亞微米顆粒的濁度和避免水蒸氣對(duì)光源衰減的影響，選取可見光作光源(400-700nm波長(zhǎng)的白熾光)。光檢測(cè)器光譜響應(yīng)范圍為400-600nm的光電管，獲取隨濁度變化的相應(yīng)電信號(hào)。為了提高檢測(cè)靈敏度，采用具有高增益、高輸入阻抗、低零漂、高共模抑制比的運(yùn)算放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大?？潭刃Ｕ挥脕?lái)進(jìn)行調(diào)零與調(diào)滿刻度，以保證測(cè)試準(zhǔn)確性。顯示器可顯示濁度瞬時(shí)值。報(bào)警電路由多諧振蕩器組成，當(dāng)運(yùn)算放大器輸出濁度信號(hào)超過(guò)規(guī)定時(shí)，多諧振蕩器工作，輸出信號(hào)經(jīng)放大后推動(dòng)喇叭發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4.5.4光電式帶材跑偏檢測(cè)器帶材跑偏檢測(cè)器用來(lái)檢測(cè)帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向,從而為糾偏控制電路提供糾偏信號(hào),主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過(guò)程中。光電式帶材跑偏檢測(cè)器原理如圖4.5.4所示。光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)透鏡1會(huì)聚為平行光束,投向透鏡2,隨后被會(huì)聚到光敏電阻上。在平行光束到達(dá)透鏡2的途中,有部分光線受到被測(cè)帶材的遮擋,使傳到光敏電阻的光通量減少。

圖4.5.4帶材跑偏檢測(cè)器工作原理

圖4.5.5測(cè)量電路

圖4.5.5為測(cè)量電路簡(jiǎn)圖。Ｒ1、Ｒ2是同型號(hào)的光敏電阻。Ｒ1作為測(cè)量元件裝在帶材下方，Ｒ2用遮光罩罩住,起溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)帶材處于正確位置(中間位)時(shí)，由Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4組成的電橋平衡，使放大器輸出電壓ｕｏ為0。當(dāng)帶材左偏時(shí)，遮光面積減少，光敏電阻Ｒ1阻值減少，電橋失去平衡。差動(dòng)放大器將這一不平衡電壓加以放大，輸出電壓為負(fù)值，它反映了帶材跑偏的方向及大小。反之，當(dāng)帶材右偏時(shí)，ｕｏ為正值。輸出信號(hào)ｕｏ一方面由顯示器顯示出來(lái)，另一方面被送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號(hào)。

包裝充填物高度檢測(cè)

用容積法計(jì)量包裝的成品，除了對(duì)重量有一定誤差范圍要求外，一般還對(duì)充填高度有一定的要求，以保證商品的外觀質(zhì)量，不符合充填高度的成品將不許出廠。圖4.5.6所示為借助光電檢測(cè)技術(shù)控制充填高度的原理。當(dāng)充填高度ｈ偏差太大時(shí)，光電接頭沒(méi)有電信號(hào)，即由執(zhí)行機(jī)構(gòu)將包裝物品推出進(jìn)行處理。圖4.5.6利用光電檢測(cè)技術(shù)控制充填高度

利用光電開關(guān)還可以進(jìn)行產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、對(duì)裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，例如灌裝時(shí)瓶蓋是否壓上、商標(biāo)是否漏貼，以及送料機(jī)構(gòu)是否斷料等。

激光器在光電檢測(cè)中的應(yīng)用激光測(cè)距，測(cè)長(zhǎng)，測(cè)平面度等激光大氣污染檢測(cè)激光ＤＮＡ檢測(cè)激光海洋探測(cè)激光制導(dǎo)激光雷達(dá)激光干涉測(cè)量（探傷）激光全息測(cè)量

激光式氣體分析儀在轉(zhuǎn)爐煤氣回收中的應(yīng)用

測(cè)量原理是基于朗伯-比爾定律(1)“單線光譜”測(cè)量技術(shù)該技術(shù)利用激光的光譜比較窄、遠(yuǎn)小于被測(cè)氣體的吸收譜線的特性，選擇某一位于特定波長(zhǎng)的吸收光譜線，使得在所選吸收譜線波長(zhǎng)附近無(wú)測(cè)量環(huán)境中其他氣體組分的吸收譜線，從而避免了這些背景氣體組分對(duì)該被測(cè)氣體的交叉吸收干涉。單線光束測(cè)量原理圖(2)激光頻率掃描技術(shù)激光氣體分析儀通過(guò)調(diào)制激光頻率使之周期性地掃描過(guò)被測(cè)氣體吸收譜線，激光頻率的掃描范圍被設(shè)置成大于被測(cè)氣體吸收譜線的寬度。(3)譜線展寬自動(dòng)修正技術(shù)在氣體溫度和壓力發(fā)生變化時(shí)．被測(cè)氣體譜線的展寬及高度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化．從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。通過(guò)輸入4—20mA方式的溫度和壓力信號(hào)，激光氣體分析儀能自動(dòng)修正溫度和壓力變化對(duì)氣體濃度測(cè)量的影響。從而保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的精確作業(yè)：文獻(xiàn)查閱及對(duì)光電測(cè)量部分的分析查閱一篇光電檢測(cè)方面的近期文獻(xiàn)（近3～5年之內(nèi)），圍繞系統(tǒng)組成、光電探測(cè)器的選用、前置放大器設(shè)計(jì)這三方面進(jìn)行分析，寫成講解的PPT，在11月08日前發(fā)我郵箱，文件以學(xué)號(hào)+名字命名，并附上文獻(xiàn)。我的郵箱：lixinguangneu@作業(yè)計(jì)入平時(shí)成績(jī)。第五章CCD圖像傳感器

圖像傳感器(ImagingSensor,縮寫為IS，又稱成像器件、攝像器件)作為現(xiàn)代視覺(jué)信息獲取的一種基礎(chǔ)器件，因其能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺(jué)功能的擴(kuò)展(光譜拓寬、靈敏度范圍擴(kuò)大)，能給出直觀、真實(shí)、層次最多、內(nèi)容最豐富的可視圖像信息，所以在現(xiàn)代社會(huì)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。圖像傳感器的功能是把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息(可見光和非可見光)、轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)——

視頻信號(hào)，而視頻信號(hào)能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。把空間圖像轉(zhuǎn)換為按時(shí)序變化的電信號(hào)的過(guò)程稱為掃描。

50年代前，電子束攝像管(如光導(dǎo)攝像管、飛點(diǎn)掃描管等)。60年代后期，MOS集成電路工藝成熟，各種固體圖像傳感器得到迅速發(fā)展，到70年代末期，已有一系列產(chǎn)品在軍事、民用各方面得到廣泛應(yīng)用。

固體圖象傳感器(SolidStateImagingSensor——縮寫為SSIS)主要有三大類型、一種是電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice簡(jiǎn)稱CCD)；第二種是MOS圖象傳感器，又稱自掃描光電二極管列陣(SelfScannedPhotodiodeArray，簡(jiǎn)稱SSPA)，第三種是電荷注入器件(ChargeInjectionDevice，簡(jiǎn)稱CID)。目前，前兩種用得比較多。同電子束攝像管相比，固體圖象傳感器有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

(1)全固體化，體積很小，重量輕，工作電壓和功耗都很低；耐沖擊性好．可靠性高，壽命長(zhǎng)。

(2)基本上不保留殘象，無(wú)象元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。

(3)紅外敏感性。硅的SSPA光譜響應(yīng)：0.20~1.0；CCD可作成紅外敏感型；CID主要用于光譜響應(yīng)大于3~5微米的紅外敏感器件。

(4)象元尺寸的幾何位置精度高(優(yōu)于1微米)，因而可用于不接觸精密尺寸測(cè)量系統(tǒng)。

(5)視頻信號(hào)與微機(jī)接口容易主要應(yīng)用領(lǐng)域：①小型化黑白/彩色TV攝象機(jī)；②傳真通訊系統(tǒng)；③光學(xué)字符識(shí)別（OCR:OpticalCharacterRecognition）；④工業(yè)檢測(cè)與自動(dòng)控制；⑤醫(yī)療儀器；⑥多光譜機(jī)載和星載遙感；⑦天文應(yīng)用；⑧軍事應(yīng)用。

CCD攝像器件由光敏（光積分）單元和電荷轉(zhuǎn)移單元（讀出移位寄存器）組成，每個(gè)光敏單元對(duì)應(yīng)一個(gè)象素如下圖所示。各單元的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示，由金屬、絕緣層、半導(dǎo)體構(gòu)成。VG加正向偏壓后在半導(dǎo)體內(nèi)形成“電子勢(shì)阱（耗盡區(qū)）”，勢(shì)阱的深度由VG的大小來(lái)控制。電子勢(shì)阱可以用來(lái)存放電子，這些電子的注入方式既可用“光注入”（光敏單元采用光注入），也可以用“電注入”（轉(zhuǎn)移電荷時(shí)采用電注入）。

對(duì)于光敏單元，當(dāng)受到光線照射時(shí)，在光子的作用下，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，空穴被排斥，電子被電子勢(shì)阱俘獲。這種光生電子作為反映光強(qiáng)的載體——電荷包被收集，成為光電荷注入，這就是CCD攝像器件的光電變換過(guò)程。勢(shì)阱內(nèi)電荷包的大小與光照強(qiáng)度和光照時(shí)間成正比。光敏單元電子勢(shì)阱的電荷包可以通過(guò)轉(zhuǎn)移柵的作用并行地轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器（電荷轉(zhuǎn)移單元）中，讀出移位寄存器在讀出脈沖（三相或四相脈沖）的作用下把各個(gè)來(lái)自光敏單元的電荷包讀出，從而獲得各個(gè)像素的亮度值。

光線

ＣＣＤ主要由三部分組成：信號(hào)輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)輸出。輸入部分：將信號(hào)電荷引入到ＣＣＤ的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵極下的勢(shì)阱中，稱為電荷注入。電荷注入的方法主要有兩類：光注入和電注入電注入：用于濾波、延遲線和存儲(chǔ)器等。通過(guò)輸入二極管給輸入柵極施加電壓。光注入：用于攝像機(jī)。用光敏元件代替輸入二極管。當(dāng)光照射CCD硅片時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。ＣＣＤ的工作原理P-Si輸入柵輸入二極管輸出二極管輸出柵SiO2以電子為信號(hào)電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡(jiǎn)稱為N型CCD。而以空穴為信號(hào)電荷的CCD稱為P型溝道CCD，簡(jiǎn)稱為P型CCD。由于電子的遷移率遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此N型CCD比P型CCD的工作頻率高得多。光電轉(zhuǎn)換當(dāng)一束光線投射到MOS電容上時(shí)，光子穿過(guò)透明電極及氧化層，進(jìn)入P型硅襯底，襯底中處于價(jià)帶的電子將吸收光子能量躍入導(dǎo)帶，價(jià)電子能否躍遷至導(dǎo)帶形成電子空穴對(duì)，將由入射光子能量hν是否大于等于Eg來(lái)確定，即Eg=1.24/λc,對(duì)于硅材料來(lái)說(shuō)，Eg=1.12eV，λc=1.11μm。也存在紅限。波長(zhǎng)太短的光，則會(huì)穿透半導(dǎo)體層而不起作用。ＣＣＤ的工作原理

讀出移位寄存器的工作原理是依靠MOS電容與其電子勢(shì)阱的存儲(chǔ)電荷作用，以及改變柵壓高低可以使勢(shì)阱內(nèi)電荷包逐個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移的效應(yīng)。當(dāng)MOS電容柵壓VG增高時(shí)，在半導(dǎo)體內(nèi)部被排斥的電荷數(shù)也增加，耗盡層厚度增加，半導(dǎo)體內(nèi)電勢(shì)越低，電子則向耗盡層移動(dòng)、存儲(chǔ)象對(duì)電子的陷阱一樣，稱為電子勢(shì)阱。電子勢(shì)阱可以用來(lái)存放電子。其特點(diǎn)是：當(dāng)VG增加，勢(shì)阱變深；當(dāng)VG減小，勢(shì)阱變淺，電子向勢(shì)阱深處移動(dòng)。

在柵極加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中的空穴（多子）的分布是均勻的。加正偏壓后，空穴被排斥而產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓增加，耗盡區(qū)向內(nèi)延伸。當(dāng)UG＞Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)變得非常高，以致于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子(少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。電荷存儲(chǔ)5.1CCD圖像傳感器電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）第一個(gè)電極保持10V，第二個(gè)電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個(gè)電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起。原來(lái)在第一個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢(shì)阱所共有。若此后第一個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個(gè)電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個(gè)電極下的勢(shì)阱中。這樣，深勢(shì)阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對(duì)絕大多數(shù)CCD，1μm的間隙長(zhǎng)度是足夠了。

為確保CDD的轉(zhuǎn)移功能，對(duì)時(shí)鐘脈沖的要求是：

1）三相時(shí)鐘脈沖有一定的交疊，在交疊區(qū)內(nèi)，電荷包的源勢(shì)阱與接收勢(shì)阱同時(shí)共存，以保證在這兩個(gè)勢(shì)阱間進(jìn)行充分轉(zhuǎn)移；

2）時(shí)鐘脈沖的低電平必須保證溝道表面處于耗盡狀態(tài)；

3）時(shí)鐘脈沖幅度選取得當(dāng)。值得指出的是，我們通常所說(shuō)的CCD的位數(shù)的位，不是這里的一個(gè)柵電極，對(duì)三相CCD來(lái)說(shuō)，電荷包轉(zhuǎn)移了三個(gè)柵電極是時(shí)鐘脈沖的一個(gè)周期，我們把這三個(gè)柵電極稱之為CCD的一個(gè)單元，或CCD的一位，也就是通常所說(shuō)的一個(gè)像元。CCD的特性參數(shù)作為成像器件，CCD的主要特性參數(shù)仍然是靈敏度、分辨力、光譜響應(yīng)以及信噪比等。但CCD還起著電荷傳輸?shù)淖饔茫蔬€應(yīng)包括轉(zhuǎn)移效率、噪聲、功耗等參數(shù)。主要參數(shù)：轉(zhuǎn)移效率η和損耗率ε

η=(Q(t)/Q(0))×100%

式中：Q(0)為t=0時(shí)某電極下的電荷；Q(t)為在時(shí)間t后轉(zhuǎn)移到下一個(gè)勢(shì)井中的電荷。

ε=1-η

如果CCD有n個(gè)柵電極，則總的轉(zhuǎn)移效率為η的n次方。2時(shí)鐘頻率的上、下限光譜特性和光電特性CCD的特性參數(shù)2時(shí)鐘頻率的上、下限

頻率下限：CCD是一種非穩(wěn)態(tài)器件，如果驅(qū)動(dòng)脈沖電壓變化太慢，則存儲(chǔ)的電荷會(huì)受到干擾而不能準(zhǔn)確測(cè)量。為了避免由于熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子對(duì)于注入信號(hào)的干擾，注入電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到下一個(gè)電極所用的時(shí)間t，必須小于少數(shù)載流子的平均壽命τ，即t﹤τ

在正常工作條件下，對(duì)于三相CCD，t為t=T/3=1/(3f)﹤τ，

即f下﹥1/(3τ)CCD的特性參數(shù)頻率上限：由于CCD電極長(zhǎng)度不是無(wú)限小，信號(hào)電荷通過(guò)電極需要一定時(shí)間。若要電荷有效轉(zhuǎn)移，對(duì)三相CCD來(lái)說(shuō)，必須使轉(zhuǎn)移時(shí)間t≦T/3

即f上≦1/(3t)光譜特性和光電特性

略。

此外還有分辨率、暗電流和動(dòng)態(tài)范圍等。CCD的特性參數(shù)像素?cái)?shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等像素?cái)?shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。44萬(wàn)（768*576）、100萬(wàn)（1024*1024）、200萬(wàn)（1600*1200）、600萬(wàn)（2832*2128）信噪比：典型值為46分貝感光范圍—

可見光、紅外CCD按電荷存儲(chǔ)的位置分有兩種基本類型

1、電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?/p>

——表面溝道CCD(簡(jiǎn)稱SCCD)。

2、電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸，

——體溝道或埋溝道器件(簡(jiǎn)稱BCCD)。ＣＣＤ的類型ＣＣＤ的類型線陣ＣＣＤ：光敏元排列為一行的稱為線陣，象元數(shù)從128位至5000位以至7000位不等，由于生產(chǎn)廠家象元數(shù)的不同，市場(chǎng)上有數(shù)十種型號(hào)的器件可供選用。面陣CCD：器件象元排列為一平面，它包含若干行和列的結(jié)合。目前達(dá)到實(shí)用階段的象元數(shù)由25萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)個(gè)不等，按照片子的尺寸不同有1／3英寸、l／2英寸、2／3英寸以至1英寸之分。5.2CCD圖像測(cè)量的二值化CCD圖像測(cè)量的基本原理是：光學(xué)系統(tǒng)把被測(cè)對(duì)象的光信息投射在CCD的光敏面元上，形成了光學(xué)圖像。由CCD器件把光敏元上的光信息轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成比例的電荷量，積累起來(lái)的光電荷在一定頻率的時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下，在CCD輸出端得到被測(cè)對(duì)象的視頻信號(hào)。視頻信號(hào)中每一個(gè)離散電壓信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)著該光敏元所接收的光強(qiáng)強(qiáng)弱，而信號(hào)輸出的時(shí)序則對(duì)應(yīng)著CCD光敏元位置的順序。通過(guò)后續(xù)處理線路對(duì)CCD輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行二值化或量化處理后，將被測(cè)對(duì)象從背景中分離出來(lái)，為下一步的數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備。圖7-5-12

二值化處理二值化處理電路5.2CCD圖像測(cè)量的基本原理二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值圖像對(duì)待。光學(xué)系統(tǒng)把被測(cè)對(duì)象成像在CCD光敏元上，由于被測(cè)對(duì)象與背景在光強(qiáng)上的強(qiáng)烈變化，反映在CCD視頻信號(hào)中所對(duì)應(yīng)的圖像尺寸邊界處會(huì)有急劇的電平變化，通過(guò)二值化處理把CCD視頻信號(hào)中圖像尺寸部分與背景部分分離成二值電平。實(shí)現(xiàn)CCD視頻信號(hào)二值化的處理由硬件電路完成，常采用電壓比較器，即將視頻信號(hào)與某一電平閾值比較，視頻信號(hào)電平高于閾值的部分輸出高電平，而低于閾值部分輸出低電平，形成具有一定寬度的二值化電平的脈沖信號(hào)，該脈沖寬度對(duì)應(yīng)被測(cè)對(duì)象的圖像尺寸大小，如上圖所示。線陣CCD：一行，掃描；體積小，價(jià)格低；

面陣CCD:

整幅圖像；直觀；價(jià)格高，體積大；面陣CCD芯片CCD在檢測(cè)方面的應(yīng)用幾何量測(cè)量測(cè)寬、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)徑。光譜測(cè)量光譜儀輸出信號(hào)測(cè)量。5.3CCD玻管尺寸測(cè)控儀CCD尺寸測(cè)量技術(shù)是一種非常有效的非接觸檢測(cè)方法，廣泛應(yīng)用于在線檢測(cè)工件的尺寸。CCD玻管尺寸測(cè)控儀就是測(cè)量的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，它對(duì)玻管外圓直徑及壁厚尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。光源照射被測(cè)玻管，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD光敏陣列面上。由于各處透射率的不同，玻管的像在上下邊緣處形成兩條暗帶，中間部分的透射光相對(duì)較強(qiáng)而形成亮帶。兩條暗帶最外的邊界距離是玻管外徑成像的大小，中間亮帶是玻管內(nèi)徑像的大小，暗帶則是玻管壁厚像的大小，如圖所示，CCD視頻信號(hào)上出現(xiàn)了兩個(gè)谷

5.3CCD玻管尺寸測(cè)控儀圖7-5-14系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖5.3CCD玻管尺寸測(cè)控儀圖7-5-13CCD視頻信號(hào)CCD視頻信號(hào)5.3CCD玻管尺寸測(cè)控儀把視頻信號(hào)中的外徑尺寸部分和壁厚部分進(jìn)行二值化處理，填入標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖，該時(shí)鐘脈沖對(duì)應(yīng)CCD空間分辨率，由計(jì)算機(jī)采集這兩個(gè)尺寸對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到被測(cè)玻管的尺寸。本系統(tǒng)被測(cè)玻管的直徑尺寸為20mm，光學(xué)系統(tǒng)的放大率為0.8倍，則玻管像的大小為16mm，被測(cè)玻管的測(cè)量精度要求達(dá)到±0.05mm，他在像面上對(duì)應(yīng)精度為±0.04mm。根據(jù)CCD測(cè)量靈敏度的要求，0.04mm要大于2個(gè)CCD像素的空間尺寸。選擇TCD102C型號(hào)CCD可滿足上述測(cè)量范圍和精度的要求。該器件的技術(shù)指標(biāo)為：

2048感光像素元，14微米相鄰像素中心距，工作時(shí)鐘1MHz，兩相驅(qū)動(dòng)，同步脈沖寬度128微秒，同步周期：7.5ms。5.4線陣CCD在線測(cè)量棒狀物尺寸棒狀物長(zhǎng)度的非接觸式精密在線測(cè)量，是采用平行光源對(duì)被測(cè)物垂直照射，形成被測(cè)物的輪廓圖像并把它投影在CCD圖像傳感器上，輪廓圖像轉(zhuǎn)變成CCD圖像傳感器的輸出信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)二值化處理后，再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理，最后由計(jì)算機(jī)的屏幕顯示出來(lái)。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)如圖所示

圖中，平行光源、棒狀物參比端及CCD圖像傳感器必須置于同一基準(zhǔn)面上。棒狀物被測(cè)端、平行光中心軸線和CCD的中心點(diǎn)要大致位于同一直線上。平行光源的作用是產(chǎn)生一束高平行度的光線，以使棒狀物經(jīng)平行光垂直照射后在CCD上形成1：1的高精度像。5.4線陣CCD在線測(cè)量棒狀物尺寸7-5-16棒狀物成像系統(tǒng)及CCD輸出波形5.4線陣CCD在線測(cè)量棒狀物尺寸平行光源是本系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，它采用高亮度白熾燈作為光源，經(jīng)組合透鏡后形成平行光束，因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、平行度高及亮度均勻等特點(diǎn)。本系統(tǒng)中使用的CCD型號(hào)為TCD141C，像點(diǎn)尺寸為7μm，共5000個(gè)像點(diǎn)，測(cè)量長(zhǎng)度范圍為35mm。由平行光源、CCD圖像傳感器及棒狀物構(gòu)成的成像系統(tǒng)以及CCD視頻輸出信號(hào)的波形如上圖所示。圖中，棒狀物擋住了部分平行光，未被擋住的平行光照射在CCD上成像。OS1和OS2分別為CCD奇數(shù)位和偶數(shù)位像點(diǎn)的脈沖輸出波形。奇、偶位像點(diǎn)脈沖有一個(gè)相位差。利用這個(gè)相位差可以很方便地對(duì)成像信號(hào)進(jìn)行二值化處理。ΦSH為周期掃描信號(hào)脈沖，利用ΦSH可作為計(jì)數(shù)的定位脈沖。5.4線陣CCD在線測(cè)量棒狀物尺寸信號(hào)處理首先對(duì)CCD成像信號(hào)進(jìn)行二值化處理。在光源照射下，CCD的成像電平在對(duì)應(yīng)于棒狀物被測(cè)端應(yīng)有明顯的電平變化，通過(guò)二值化處理可以把CCD視頻信號(hào)中對(duì)應(yīng)的圖像尺寸邊界分離出來(lái)，CCD視頻信號(hào)二值化處理的硬件電路如圖所示。5.4線陣CCD在線測(cè)量棒狀物尺寸CCD圖像傳感器的奇數(shù)位和偶數(shù)位輸出的信號(hào)OS1和OS2經(jīng)放大后和同一個(gè)閾值電平進(jìn)行電壓比較，根據(jù)這兩路視頻信號(hào)脈沖相位錯(cuò)疊的特點(diǎn)，通過(guò)邏輯電路合成一個(gè)方波

Φ0,該方波的前沿代表棒狀物被測(cè)端的位置(即圖中的h1)。實(shí)踐證明，我們只要選擇合適的閾值，可以滿足測(cè)量精度的要求。單片機(jī)的功能主要有兩個(gè)，一是完成棒狀物參與成像的長(zhǎng)度的定時(shí)計(jì)數(shù)功能，二是完成棒狀物整個(gè)長(zhǎng)度h=h1+h0的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，其中h0代表棒狀物未參與成像的固定長(zhǎng)度。第六章、熱釋電紅外傳感器及其應(yīng)用檢測(cè)器件的矛盾因素（1）響應(yīng)波長(zhǎng)和探測(cè)率的矛盾熱敏器件（熱電偶、熱電阻）響應(yīng)波長(zhǎng)寬，但探測(cè)率低。光電探測(cè)器探測(cè)率高，但響應(yīng)波長(zhǎng)有限；（2）探測(cè)率與響應(yīng)時(shí)間的矛盾熱敏類器件探測(cè)率越高，其反應(yīng)速度就越慢，光敏電阻也有同樣的問(wèn)題。熱釋電檢測(cè)器的出現(xiàn)，在一定程度上避免了上述矛盾。熱釋電紅外傳感器是一種被動(dòng)式調(diào)制型溫度敏感器件，利用熱釋電效應(yīng)工作，它是通過(guò)目標(biāo)與背景的溫差來(lái)探測(cè)目標(biāo)的。其響應(yīng)速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬，靈敏度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，容易使用。這種探測(cè)器，靈敏度高，探測(cè)面廣，是一種可靠性很強(qiáng)的探測(cè)器。因此廣泛應(yīng)用于各類入侵報(bào)警器，自動(dòng)開關(guān)、非接觸測(cè)溫、火焰報(bào)警器等，目前生產(chǎn)有單元、雙元、四元、180°等傳感器和帶有PCB控制電路的傳感器。常用的熱釋電探測(cè)器如：硫酸三甘鈦（TGS）探測(cè)器、鈮酸鍶鋇（SBN）探測(cè)器、鉭酸鋰（LiTaO3）探測(cè)器、鋯鈦酸鉛（PZT）探測(cè)器等。熱釋電效應(yīng)：當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷。這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被空氣中附集在晶體外表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能顯示出來(lái)。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正、負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對(duì)位移，晶體自發(fā)極化值就會(huì)發(fā)生變化，在晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷，對(duì)外顯示電性。若溫度對(duì)時(shí)間的變化率為dT/dt，極化強(qiáng)度PS

對(duì)時(shí)間的變化率為dPs/dt，它相當(dāng)于外電路上流動(dòng)的電流。若電極面積為A，則信號(hào)電壓的大小為：△U=ARLdPs/dt=ARLdPs/dTdT/dt，A為敏感元面積，RL為負(fù)載電阻；dPs/dT為常數(shù)。1.熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)常見的熱釋電紅外傳感器的外形如圖所示。熱釋電紅外傳感器由敏感元、場(chǎng)效應(yīng)管、高阻電阻等組成，并向殼內(nèi)充入氮?dú)夥庋b起來(lái)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。敏感元也有做成上下兩層的。常見熱釋電紅外傳感器的外形熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)⑴敏感元敏感元用紅外熱釋電材料—鋯鈦酸鉛(PZT)制成，經(jīng)極化處理后，其剩余極化強(qiáng)度隨溫度T升高而下降。制作敏感元件時(shí)，將熱釋電材料制成很小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構(gòu)成兩個(gè)串聯(lián)的、有極性的小電容。把兩個(gè)極性相反的熱釋電敏感元做在同一晶片上，由于溫度的變化影響，整個(gè)晶片產(chǎn)生溫度變化時(shí)，兩個(gè)敏感元產(chǎn)生的熱釋電信號(hào)互相抵消，起到補(bǔ)償作用。使用熱釋電傳感器時(shí)，通常要在使用菲涅爾透鏡將外來(lái)紅外輻射通過(guò)透鏡會(huì)聚光于一個(gè)傳感元上，它產(chǎn)生的信號(hào)不會(huì)被抵消。熱釋電傳感器的持點(diǎn)是它只在由于外界的輻射而引起它本身的溫度變化時(shí)，才會(huì)給出一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)，當(dāng)溫度的變化趨于穩(wěn)定后，就再?zèng)]有信號(hào)輸出，即熱釋電信號(hào)與它本身的溫度的變化率成正比。因此，熱釋電傳感器只對(duì)運(yùn)動(dòng)的人體或物體敏感。傳感器內(nèi)部接線圖

⑵場(chǎng)效應(yīng)管及高阻值電阻Rg

敏感元的阻值可達(dá)1013Ω，因此需用場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換才能應(yīng)用。場(chǎng)效應(yīng)管常用2SK303V3，2SK94X3等型號(hào)，用來(lái)構(gòu)成源極跟隨器。高阻值電阻Rg的作用是釋放柵極電荷，使場(chǎng)效應(yīng)管安全正常工作，源極輸出接法時(shí)，源極電壓約0.4一1.0V。如傳感器內(nèi)部接線圖如下圖所示。紅外濾光片透射曲線

⑶濾光片(FT)PZT制成的敏感元件是一種光譜材料，能探測(cè)各種波長(zhǎng)輻射。為了使傳感器對(duì)人體最敏感，而對(duì)太陽(yáng)、電燈光等有抗干擾性，傳感器采用了濾光片作窗口。濾光片是在Si基片上鍍多層膜制成的。每個(gè)物體都能發(fā)出紅外輻射，其輻射峰值波長(zhǎng)滿足維恩位移定律（λmT=2898）。對(duì)于人體體溫(約36℃)，輻射的最長(zhǎng)波長(zhǎng)為

λm=2898／309=9.4μm，也就是說(shuō)，人體輻射在9.4μm處最強(qiáng)，紅外濾光片選取了6.5～14μm波段，能有效地選取人體的紅外輻射。紅