信息與通信光電式傳感器

2023/12/61

物質受到光照會發(fā)生某些電學特性的變化，這一現(xiàn)象稱為光電效應。光電效應：光電子發(fā)射效應光電導效應光生伏特效應三種類型發(fā)生在物體內部發(fā)生在物體表面半導體金屬8.1

光電器件2023/12/62

當物質受到光照射時，電子得到了足夠的光能會從物質表面上放射出來的現(xiàn)象，稱為光電子發(fā)射。普通光電管和光電倍增管就是利用這種原理制成的。

光電子發(fā)射效應（外光電效應）

當物質受到光的照射時，載流子的濃度增加，電導率增大的現(xiàn)象，稱為光電導效應。光敏電阻就是利用這種效應制成的。光電導效應（內光電效應）光電式傳感器2023/12/63

在光線的作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應。光電池就是利用這種效應制成的。光生伏特效應（內光電效應）1、光電發(fā)射型器件非電量轉換光亮變化光子光電器件光電效應電流（電子）光電式傳感器2023/12/64光電式傳感器光電效應方程：光是一粒一粒運動著的粒子流，即光子每個光子的能量為hf光子打在光電材料上，光子與電子進行能量交換能量轉換為：電子逸出功+初始動能h－普朗克常數(shù) hf－光子的能量f－光的頻率m－電子質量v－電子初速度A－電子逸出功愛因斯坦假說：2023/12/65光電式傳感器紅限頻率:產生光電子發(fā)射的最低當入射光的頻率f<f0時，則不能激發(fā)光電子。用波長表示外光電效應多發(fā)生于金屬和金屬氧化物表面，且是瞬時發(fā)生的，滯后時間不超過10-9s2023/12/66光電式傳感器光電器件：光電管：透光的玻璃外殼陽極A涂有光電發(fā)射材料的陰極K抽真空或少量惰性氣體ERLAKU光電管光電倍增管入射光→負載RL的光電流光電流與入射光強不成比例溫度影響大，靈敏度低容易衰老2023/12/67倍增極+能發(fā)射更多電子的材料I=I0(cδ)nδ—每極的倍增率（一個電子能轟擊產生出δ個次級電子）

C—各次陰極電子收集效率光電式傳感器—光電倍增管陰極K第一倍增極第四倍增極第三倍增極第二倍增極陽極A入射光RLU0D1D4D3D2IAKAR4R3R2R1R5特點：靈敏度高適合弱光強光易損壞2023/12/68隨著半導體器件的發(fā)展，出現(xiàn)了大量的以半導體為材料的基于內光電效應器件：光電阻光敏管光電池2023/12/692、光導型光電器件

光照在半導體材料上，電子從價帶→禁帶→導帶，形成自由電子，使導電性增強。導帶Eg禁帶價帶E紅限頻率：ΔEg—光電材料禁帶寬度h---普朗克常數(shù)光電式傳感器2023/12/610光敏電阻RGRL光敏電阻光電式傳感器光敏電阻是一種電阻器件，可以在交流或直流電壓下工作。無光照射時：呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，稱暗阻，一般在兆歐級。有光照射時：呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，稱亮阻，一般在幾千歐以下。靈敏度高，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定，價格便宜。在檢測與自動化技術中廣泛應用2023/12/611光敏二極管RL光敏二極管光電式傳感器器件結構與二極管相似，一般處于反向工作區(qū)，只能在直流電壓下工作。光照射的反向電流基本上與光強成正比。光敏三極管光敏三極管RL光敏三極管比光敏二極管更高的靈敏度2023/12/612gnd1gnd2vcc1vcc2發(fā)光二極管和光敏三極管共體光電式傳感器2023/12/6133、光伏型光電器件——光電池光照在半導體材料上，若E>Eg,，PN結內產生電子-空穴對，PN結兩端產生電動勢，直接將光能轉變成電能。光生電子-空穴對+PN-光電式傳感器2023/12/614光電器件：光電池二、光電器件的基本特性光電式傳感器φ

－光通量（lumen）1.光電特性當光電器件電極上的電壓一定時,光電流I與光通量關系I＝F（φ）2023/12/615E－照度（lux）2、光照特性當光電器件電極上的電壓一定時，光電流I與光照度關系I＝F（E）真空光電管光電特性呈現(xiàn)線性關系光電式傳感器2023/12/616光電倍增管靈敏度高，線性范圍大光敏電阻非線性，作為開關元件光電式傳感器2023/12/617硅光電池開路電壓呈非線性短路電流呈線性光敏二極管線性特性好，用于檢測光電式傳感器開路電壓短路電流2023/12/618光敏三極管線性特性好，用于弱光檢測3、光譜特性I=F(λ)λ－入射光波長光電式傳感器2023/12/619真空管光電倍增管光敏電阻硫化鎘硫化鉈硫化鉛銻—鉀—銫光電式傳感器2023/12/620硅光電池光敏晶體管硒硅硅鍺光電式傳感器2023/12/621

光譜特性與制造器件的材料有關，也與制造工藝有關。不同材料對應不同的紅線頻率。各種敏感材料對不同的波長靈敏度不一樣。每一種材料只對某一種波長的靈敏度最高。2023/12/6224、伏安特性當光通量或照度一定，I=F（U）光敏電阻真空管光電倍增管光電式傳感器2023/12/623光電池光敏晶體管光電式傳感器2023/12/624I=F1（f）或S＝F2（f）電壓、光強相同5、頻率特性S－靈敏度f－光調制頻率真空管硫化鉛硫化鉈光敏電阻光電式傳感器2023/12/625硅光電池硒光電池光電池RL=1kΩ光敏三極管光電式傳感器2023/12/626短路電流開路電壓硅光電池光敏三極管暗電流光電流光敏電阻光電式傳感器6、溫度特性溫度變化對元件特性的影響2023/12/627三、光電式傳感器的基本組成和類型光源光學通路光電器件測量電路φ1φ2IX1被測量X2被測量把光電器件輸出電信號轉換成電路的可用信號1、基本組成光電式傳感器2023/12/6282、基本類型（1）透射式φp＝φ0－φA

φA－被測對象A所吸收的光通量

φP－光敏元件所接收的光通量

φ0－光源發(fā)出一定的光通量I＝F(φP)＝F’(φA)測量液體、氣體和固體的透明度和混濁度。AφA光敏元件φpI被測對象φ0光電式傳感器2023/12/629(2)反射式測量表面粗糙度φp＝φ0－φAφA－被測對象損失光通量(3)輻射式I＝F(φP)＝F(φ0)＝F’(T)如光電高溫計、和爐子燃燒監(jiān)視裝置φp＝φ0光電式傳感器2023/12/630(4)遮擋式I＝F（φP）＝F’（φA）光敏元件(5)開關式，光路“通”與“不通”用于開關，計數(shù)，編碼等。光電式傳感器2023/12/6318.2電荷耦合器件優(yōu)點：壽命長。CCD攝像管的壽命約20一30年。成本低。用CCD攝像管構成的攝像機沒有電子槍及其附屬設備，體積小，成本低。機械性能好，耐震、耐撞，不怕強光照射。重合精度高。攝像管與鏡頭固定牢固，匹配精確。暫留特性好，適于拍攝運動圖像。

2023/12/632CCD的基本工作原理①CCD的電荷存儲構成CCD的基本單元是MOS電容器，由金屬、氧化物、半導體材料構成。

2023/12/633原理

工作原理是依靠MOS電容與其電子勢阱的存儲電荷作用，以及改變柵壓高低可以使勢阱內電荷包逐個勢阱轉移的效應。2023/12/634當MOS電容柵壓增高時，在半導體內部被排斥的電荷數(shù)也增加，耗盡層厚度增加，半導體內電勢越低，電子則向耗盡層移動、存儲，象對電子的陷阱一樣，稱為電子勢阱。電子勢阱可以用來存放電子。其特點是：當柵壓增加，勢阱變深；當柵壓減小，勢阱變淺，電子向勢阱深處移動。2023/12/6352023/12/6362023/12/6372023/12/6382023/12/639

在一定的條件下，所加VG越大，耗盡層越深，MOS電容器所容納的少數(shù)載流子電荷量就越大。2023/12/6402023/12/6412023/12/6422023/12/643

CCD信號電荷產生有兩種方式：光信號注入和電壓信號注入。用做圖像傳感器時，由光注入電荷信號。

勢阱內的電荷包是由光敏材料受光照射后激發(fā)→產生電子空穴對在柵極電壓的作用下，空穴被排斥進入襯底而電子被收集在勢阱里，成為信號電荷存儲電荷的多少正比于照射光強這就是CCD攝像器件的光電變換過程。②光信號注入與電荷產生2023/12/644光注入方式有：正面照射：電極用透明導電材料（氧化錫、氧化鈦等）制作。背面照射：需將襯底減薄直接照射：在每個光敏單元的電極下開一個很小的孔，光線直接照射到硅片表面通常在半導體硅片上制有幾百或幾千個相互獨立的排列的MOS光敏源，稱為光敏源陣列。如果在金屬電極上施加一正偏壓，則在硅片上形成幾百或幾千個相互獨立的勢阱。如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就感生出一幅與光照強度相對應的光生電荷圖像，這就是電荷耦合攝像器件的基本原理。2023/12/645③電荷轉移CCD的最基本結構是彼此非?？拷囊幌盗蠱OS電容器，耗盡區(qū)能夠在控制下相通，這是保證相鄰的勢阱耦合和電荷轉移的基本條件。任何可移動的電荷信號總是力圖向表面勢大的位置移動，→相鄰勢阱間的電荷轉移。實現(xiàn)電荷轉移的驅動脈沖有二相，三相、四相。2023/12/646123456

t=t1時，電極1、4在V1的作用下形成勢阱，并存有電荷。2023/12/647123456

t=t2時，電極2、5在V2的作用下形成勢阱，電極1、4下面的勢阱變淺，所存電荷開始向2、5轉移。2023/12/648123456

t=t3時，電極1、4下面的勢阱消失，電荷完全轉到電極2、5下面。2023/12/649123456

t=t4時，電極3、6在V3的作用下形成勢阱，電極2、5下面的勢阱變淺，所存電荷開始向3、6轉移。2023/12/650123456

t=t4時，電極2、5下面的勢阱消失，電荷完全轉到電極3、6下面。2023/12/651t=t+T時，原電極1下面的電荷全部轉到電極4下面。123456

2023/12/6522023/12/6532023/12/6542023/12/655④CCD的信號輸出每個象素下面勢阱內的電荷包通過轉移后，順序向外電路輸出，并轉換成信號電流或電壓的形式，由外電路放大和處理。常用的電路結構是反偏二極管CCD輸出方式。在一個作為負載的電容上可得到相應的離散的負極性脈沖電壓，形成負極性圖象信號。2023/12/6562023/12/6572023/12/6582023/12/6592023/12/6602023/12/6612023/12/6622023/12/663CCD攝像器件線陣CCD

面陣CCD攝像器件2023/12/6641.光積蓄式線陣CCD光敏元件與電荷移位寄存器合二為一優(yōu)點：簡單缺點：易產生“拖影”，須用機械式快門因此不實用！CCD放大器光機械快門2023/12/6652.分離式單通道線陣CCD光敏單元與電荷移位寄存器互為分離，當轉移控制柵開啟時，信號電荷同時平行讀入電荷移位寄存器，然后再轉移出去。2023/12/6662023/12/6672023/12/6682023/12/6692023/12/6703.雙通道線陣CCD轉移寄存器分別配置在光敏線列兩側

2023/12/6712023/12/6722023/12/6732023/12/674雙通道線陣CCD優(yōu)點：①與長度相同的分離式相比，兩倍分辨率。②轉移寄存器的級數(shù)小，電荷轉移損失小。③尺寸小雙通道式已經(jīng)發(fā)展成為線型固態(tài)圖像傳感器的主要構成。2023/12/675線型CCD的主要用途測量掃描儀、傳真機、數(shù)字復印機等

舉例說明在測量上的應用2023/12/6762023/12/6772023/12/6782023/12/679面陣CCD攝像器件行間轉移式（IT）幀間轉移式（FT）行幀間轉移式（FIT）2023/12/680行間轉移式（IT）IT式CCD中一列列感光單元與一列列垂直移位寄存器相間的排列，最下面是一個水平移位寄存器。場消隱期間電荷包從各個感光單元轉移到垂直移存器，場正程期間感光單元重新積累電荷包，同時場正程內的行逆程期間垂直移存器將電荷包向下轉移一個單元，最下一行電荷包進入水平移存器，而場正程內的行正程期間水平移存器將一行的電荷包順序移至輸出端，形成一行圖象信號。2023/12/6812023/12/6822023/12/6832023/12/6842023/12/685幀間轉移式（FT）FT式CCD有一個成像部分和一個與之大小相同和單元數(shù)目相同的存儲部分，以及一個水平移位寄存存器。場消隱期間成像部分中各個電荷包一一對應的移入存儲部分各勢阱內，然后，場正程期間電荷包的轉移和輸出象ITCCD一樣。2023/12/6862023/12/6872023/12/6882023/12/6892023/12/690行幀間轉移式（FIT）IT式CCD的一個缺點是高亮點景象會在重現(xiàn)圖象上出現(xiàn)垂直拖影，F(xiàn)T的缺點是需要在成像部分前加裝一個與場頻同步的旋轉遮光片式機械快門。結合二者，制作FITCCD，其工作原理是兩者之和，但是電荷包從垂直方向轉移的速度比IT式快上千倍。2023/12/6912023/12/6922023/12/6932023/12/6942023/12/6952023/12/6962023/12/697電子快門CCD攝像器件有附加電子快門的工作原理是將一場內積累電荷包的時間分為兩段，前一段積累的電荷包用溢流溝道吸收后舍棄掉，后一段積累的電荷包正式用于讀出。后一段時期越短，相當于電子快門速度越快。2023/12/6988.3光纖傳感器靈敏度高，電絕緣性能好，耐腐蝕，抗電磁干擾，耐高溫、體積小、重量輕用途優(yōu)點測量位移、速度、加速度、壓力、溫度液壓、流量、水聲、電流、磁場、放射性射線等2023/12/699一、光導纖維的結構和傳光原理纖芯：光的傳輸通道，直徑5μm-75μm包層：直徑100μm-200μm外套：增強機械強度，直徑1mm1.結構光纖傳感器2023/12/61001）按傳輸方式分：2.種類玻璃和塑料單模：纖芯直徑只有波長的幾倍，纖芯細，包層厚，傳輸性能好，制造困難光纖傳感器

單模光纖的纖芯直徑通常為2~12μm,很細的纖芯半徑接近于光源波長的長度,僅能維持一種模式傳播,一般相位調制型和偏振調制型的光纖傳感器采用單模光纖。2023/12/6101多模：纖芯直徑比波長大很多倍，纖芯粗，包層薄，制造容易。光強度調制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。光纖傳感器2023/12/61022）按折射率分為階躍型和緩變型階躍型：纖芯的折射率沿徑向為定值緩變型：在中心軸上最大，沿徑向逐漸變小光纖傳感器2023/12/61033）按光纖在傳感器中的作用功能性：光纖自身作為敏感元件非功能性：光纖只是作為傳播光的介質光纖傳感器2023/12/6104光纖傳感器實例2023/12/61053.傳光原理①入射角θ1

光密介質n1→光疏介質n2，n1>n2以θ2折射到介質2→a”以θ1反射回介質1→a’n1sinθ1＝n2sinθ2∵n1>n2，∴θ1<θ2光纖傳感器θ21θa”a’a介質2（n2）介質1（n1）θ1θ2023/12/6106②當θ1＝θc時，θ2＝90°，此時，

n1sinθ1＝n2×sin90°＝n2有：光纖傳感器θ2＝90°θCθCc”c’a’ac介質2（n2）介質1（n1）θ2023/12/6107③當θ1>θC時，光不再產生折射，稱為全反射即光纖傳感器θ’1b’b介質2（n2）介質1（n1）2023/12/6108

由于光纖的折射率（n1）大于包層的折射率（n2），只要滿足上述全反射的條件，光在光纖的傳播成“Z”字形向前傳播。光纖的可彎曲,必須：R〉4d通常d為幾十微米注意光纖傳感器2023/12/6109光纖端面的入射角φ0φ0進入光纖φ1折射θ1=sin(90°-φ1)入射到界面若欲滿足全反射條件，則有即：2φcθ1φ1φ0φ’0n0n1n2包層光纖傳感器2023/12/6110

能在光纖內產生全反射的端面入射角φ0的最大允許值，即光纖的數(shù)值孔徑

只有當入射光處于2φC夾角內，進入光纖后才能滿足全反射條件。結論光纖傳感器2023/12/6111二、光纖傳感器的基本原理

被測量對光纖傳輸?shù)墓膺M行調制，使傳輸光的強度（振幅）相位，頻率或偏振態(tài)隨被測量變化而變化，再通過對被調制過的光信號進行檢測與解調，從而獲得被測參數(shù)。三、傳輸光的調制方式對傳輸光的調制法：光通量、光相位、光頻率、光波