光電式傳感器修改

1、第三章 光電式傳感器 組成 光電傳感器一般由輻射源、光學(xué)通路、光電器件組成。 工作原理 被測量作用于輻射源或者光學(xué)通路，將待測信息調(diào)制 到光波上，通過改變光波的強(qiáng)度、相位、空間分布和 頻譜分布等，由光電器件將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。電 信號經(jīng)后續(xù)電路解調(diào)分離出被測量信息，實現(xiàn)測量。 光電器件 光源 電信號 被測量 被測量 光學(xué)通路 光電式傳感器的原理框圖 特點 頻譜寬 不受電磁干擾的影響 非接觸測量 高精度、高分辨力、高可靠性 反應(yīng)快 應(yīng)用 檢測、控制領(lǐng)域 第一節(jié) 光電器件 不同種類的光電傳感器，在靈敏度、動 態(tài)特性、頻譜接收能力等方面不相同。 光電器件按探測原理可分為：熱探測型 和光子探測型。

2、一、熱探測器 將光信號的能量變?yōu)樽陨淼臏囟茸兓?，再?用器件將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。 對波長沒有選擇性，只與接收到的總能量有 關(guān)，尤其適用于紅外探測。 種類：測輻射的熱電偶、測輻射的熱敏電阻、 熱釋電探測器等。 二、光子探測器 原理：基于光電效應(yīng)原理，即利用光子本身能 量激發(fā)載流子。 特點：這類器件有一定的截止波長，但響應(yīng)速 度快，靈敏度高，使用最為廣泛。 什么是光電效應(yīng)？ 光是由光子組成的，其能量和頻率關(guān)系為 E=hf 光照在物體上可看成是一連串具有能量為E的 光子轟擊物體，如果光子能量足夠大，物質(zhì)內(nèi) 部電子在吸收光子后就會擺脫內(nèi)部力的束縛， 成為自由電子，自由電子可能從物質(zhì)表面逸出，

3、 也可能參與物質(zhì)內(nèi)部的導(dǎo)電過程，這種現(xiàn)象稱 為光電效應(yīng)。 （一）光電發(fā)射型探測器 當(dāng)光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量當(dāng)光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量E E 大于電子的逸出功大于電子的逸出功A A（E EA A），會有電子逸出產(chǎn)），會有電子逸出產(chǎn) 生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引， 在在 光電管內(nèi)形成電子流，光電管內(nèi)形成電子流， 光電管 光電管的特性 （1）伏伏安特性安特性 當(dāng)入射光的頻譜和光通量一定時，陽極電壓與與陽極電流之間的關(guān)當(dāng)入射光的頻譜和光通量一定時，陽極電壓與與陽極電流之間的關(guān) 系稱為伏系稱為伏安特性。安特性。 （2）光電特性）

4、光電特性 當(dāng)光電管的陽極與陰極間所加電壓和入射光譜一定時，陽極電流當(dāng)光電管的陽極與陰極間所加電壓和入射光譜一定時，陽極電流I 與入射光在光電陰極上的光通量與入射光在光電陰極上的光通量之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 光電管的特性光電管的特性 （a）真空光電管伏安特性；（）真空光電管伏安特性；（b）充氣光電管伏安特性；（）充氣光電管伏安特性；（c）光電管的光電特性）光電管的光電特性 （ 3）光譜特性）光譜特性 同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。 銻銫（銻銫（Cs3Sb）材料陰極，紅限波長）材料陰極，紅限波長 0=0.7 m ，對可見光的，對可見光的 靈敏度較

5、高，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)靈敏度較高，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20%30%； 銀銀-氧氧-銫光電陰極，構(gòu)成紅外探測器，其紅限波長銫光電陰極，構(gòu)成紅外探測器，其紅限波長 0=1.2 m， 在近紅外區(qū)（在近紅外區(qū)（0.750.80 m）的靈敏度有極大值，靈敏度較低，）的靈敏度有極大值，靈敏度較低， 但對紅外較敏感；但對紅外較敏感； 銻鉀鈉銫陰極光譜范圍較寬（銻鉀鈉銫陰極光譜范圍較寬（0.30.85 m ）靈敏度也較高，）靈敏度也較高， 與人眼的光譜特性很接近，是一種新型光電陰極；與人眼的光譜特性很接近，是一種新型光電陰極； 對紫外光源，常采用銻銫陰極和鎂鎘陰極。對紫外光源，常采用銻銫陰極和鎂鎘陰極。 （1 1）原理：光

6、電倍增管的光陰極和陽極之間）原理：光電倍增管的光陰極和陽極之間 加了許多倍增極（加了許多倍增極（1010個左右），在陽極和陰個左右），在陽極和陰 極之間加有幾百上千伏的高壓，每個倍增極之間加有幾百上千伏的高壓，每個倍增 極間有極間有200200400V400V高壓，電流增益在高壓，電流增益在105105數(shù)量數(shù)量 極極 光電倍增管光電倍增管 （2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度 一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)稱為光電陰極的一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)稱為光電陰極的 靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)稱為光電倍靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)

7、生的平均電子數(shù)稱為光電倍 增管的總靈敏度。增管的總靈敏度。 注意注意:光電倍增管的靈敏度很高，切忌強(qiáng)光源照射光電倍增管的靈敏度很高，切忌強(qiáng)光源照射。 光電倍增管特性曲線光電倍增管特性曲線 （二）光電導(dǎo)型探測器 半導(dǎo)體材料在光線作用下，其電阻值往往變小，這種現(xiàn)象稱為 光導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻，也叫光導(dǎo)管。 金屬電極 半導(dǎo)體 玻璃底板 電源 檢流計 RL E I (a)(b)(c) Ra 金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu) (a) 光敏電阻結(jié)構(gòu)； (b) 光敏電阻電極； (c) 光敏電阻接線圖 金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu) (a) 光敏電阻結(jié)構(gòu)； (b) 光敏電阻電極； (c) 光敏電阻接線圖 金屬電極 半導(dǎo)

8、體 玻璃底板 電源 檢流計 RL E I (a)(b)(c) Ra 光敏電阻的主要特性參數(shù)光敏電阻的主要特性參數(shù) 1 1暗電阻、亮電阻和光電流暗電阻、亮電阻和光電流 暗電阻：暗電阻：光敏電阻在室溫條件下，無光照時具有的電阻光敏電阻在室溫條件下，無光照時具有的電阻 值，稱為暗電阻（值，稱為暗電阻（1M1M）。此時流過的電流稱為）。此時流過的電流稱為暗電流暗電流。 亮電阻：亮電阻：光敏電阻在一定光照下所具有的電阻稱其為在光敏電阻在一定光照下所具有的電阻稱其為在 該該 光照下的亮電阻（光照下的亮電阻（1k1k）。此時流過的電流稱為）。此時流過的電流稱為亮電流亮電流。 光電流光電流= =亮電流亮電流

9、暗電流。暗電流。 （ 2）伏安特性）伏安特性 在在一定光照度一定光照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與其光電下，光敏電阻兩端所加的電壓與其光電 流之的關(guān)系，成為伏安特性。它是線性的，服從歐姆流之的關(guān)系，成為伏安特性。它是線性的，服從歐姆 定律，但不同照度下具有不同的斜率。定律，但不同照度下具有不同的斜率。 CdS光敏電阻的伏安特性光敏電阻的伏安特性 注意光敏電阻的功耗，使用時保持適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷汉凸ぷ麟娏髯⒁夤饷綦娮璧墓模褂脮r保持適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷汉凸ぷ麟娏鳌?（ 3）光照特性）光照特性 在在一定的偏壓一定的偏壓下，光敏電阻的光電流與照射光強(qiáng)之間的關(guān)系，下，光敏電阻的光電流與照射光強(qiáng)之間的關(guān)系， 稱

10、為光敏電阻的光照特性。稱為光敏電阻的光照特性。 光敏電阻的光照特性光敏電阻的光照特性 （4）光譜特性）光譜特性 光譜特性表征光敏電阻對不同波長的光其靈敏度不同的性質(zhì)。 光敏電阻的光譜踏特性曲線光敏電阻的光譜踏特性曲線 （5）響應(yīng)時間和頻率特性）響應(yīng)時間和頻率特性 照射光強(qiáng)度變化時，光敏電阻的阻值的變化在時間上 有一定的滯后，通常用響應(yīng)時間表示。分為上升時間t1和下 降時間t2。 不同材料的光敏電阻具有不同的時間常數(shù)（毫秒數(shù)量 級）， 因而它們的頻率特性也就各不相同。 光敏電阻的頻率特性光敏電阻的頻率特性 光敏電阻的時間響應(yīng)曲線光敏電阻的時間響應(yīng)曲線 (6) 溫度特性 溫度變化時，光敏電阻的光譜

11、響應(yīng)，靈敏度和暗電阻改變。 響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響大，低溫、恒溫 的條件下使用。對于可見光的光敏電阻， 其溫度影響要小一些。 優(yōu)點：光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命 長、體積小等。此外許多光敏電阻對紅外線敏感，適宜于紅外線 光譜區(qū)工作。 缺點：型號相同的光敏電阻參數(shù)參差不齊，并且由于光照特 性的非線性，不適宜于測量要求線性的場合，常用作開關(guān)式光電 信號的傳感元件。 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 1.02.03.04.0 0 20 40 60 80 100 2020 / m S / (%) 硫化鎘光敏電阻的溫度特性 1 212 12 %100 )( C RTT RR

12、 溫度系數(shù)溫度系數(shù): 在一定光照下，溫度每變化1， 光敏電阻阻值的平均變化率 上一頁下一頁返 回 表表 3-1 幾種光敏電阻的特性參數(shù)幾種光敏電阻的特性參數(shù) （三）光電結(jié)型探測器 無光照時，反向電阻很大，反向電流很?。挥泄庹諘r，光子能 量足夠大產(chǎn)生光生電子空穴對，在PN結(jié)電場作用下，形成光 電流，電流方向與反向電流一致，光照越大光電流越大。 光敏二極管、光敏晶體管。 1.光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管 (1)光敏二極管光敏二極管結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理 光敏二極管結(jié)構(gòu)模型和基本工作電路光敏二極管結(jié)構(gòu)模型和基本工作電路 （a）結(jié)構(gòu)簡化模型；（）結(jié)構(gòu)簡化模型；（b）基本工作電路）基本工作電路

13、 (2)光敏三極管的結(jié)構(gòu)光敏三極管的結(jié)構(gòu) NPNNPN型光敏型光敏三三極管結(jié)構(gòu)模型和基本工作電路極管結(jié)構(gòu)模型和基本工作電路 （a a）結(jié)構(gòu)簡化模型；（）結(jié)構(gòu)簡化模型；（b b）基本工作電路）基本工作電路 光敏管結(jié)構(gòu)及其符號 a) 光敏二極管 b) 光敏三極管 c) 光敏場效應(yīng)三極管 1）光譜特性）光譜特性 光敏管在光敏管在恒定電壓恒定電壓作用和恒定光通量照射下，光電流（用相對值或相對靈敏作用和恒定光通量照射下，光電流（用相對值或相對靈敏 度）與入射光波長的關(guān)系，稱為光敏管的光譜特性。度）與入射光波長的關(guān)系，稱為光敏管的光譜特性。 硅和鍺光敏管的光譜特性硅和鍺光敏管的光譜特性 （3）光敏管）光敏

14、管(光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管)的基本特性的基本特性 2）伏安特性）伏安特性 光敏管在光敏管在一定光照一定光照下，其端電壓與器件中電流的關(guān)系，下，其端電壓與器件中電流的關(guān)系， 稱為光敏管的伏安特性。稱為光敏管的伏安特性。 硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性 （a）硅光敏二極管；（）硅光敏二極管；（b）硅光敏三極管）硅光敏三極管 3）光照特性）光照特性 在在端電壓一定端電壓一定條件下，光敏管的光電流與光照度的關(guān)條件下，光敏管的光電流與光照度的關(guān) 系，稱為光敏管的光照特性。系，稱為光敏管的光照特性。 硅光敏管的光電特性硅光敏管的光電特性 （a）硅光敏二極管；（）硅光敏二極管；（

15、b）硅光敏三極管）硅光敏三極管 4）溫度特性）溫度特性 在在端電壓端電壓和和光照度光照度一定條件下，光敏管的暗電流及光電流與溫一定條件下，光敏管的暗電流及光電流與溫 度的關(guān)系，稱為光敏管的溫度特性。度的關(guān)系，稱為光敏管的溫度特性。 光敏管的溫度特性光敏管的溫度特性 暗 5）頻率響應(yīng)）頻率響應(yīng) 具有一定頻率的調(diào)制光照射光敏管時，光敏管輸出的光電流具有一定頻率的調(diào)制光照射光敏管時，光敏管輸出的光電流 （或負(fù)載上的電壓）隨調(diào)制頻率的變化關(guān)系。（或負(fù)載上的電壓）隨調(diào)制頻率的變化關(guān)系。 一般情況下，鍺管的頻率響應(yīng)低于一般情況下，鍺管的頻率響應(yīng)低于5000Hz，硅管的頻率響應(yīng)，硅管的頻率響應(yīng) 優(yōu)于鍺管。優(yōu)

16、于鍺管。 硅光敏管的頻率響應(yīng)曲線硅光敏管的頻率響應(yīng)曲線 表表 3-2 2CU型硅光敏二極管的型硅光敏二極管的基本參數(shù)基本參數(shù) 表表-3 3DU型硅光敏晶體管型硅光敏晶體管的基本參數(shù)的基本參數(shù) （四）光生伏特型探測器 定義：受到光照射時就產(chǎn)生一定方向的電動勢，而不需要外 部電源。這種因光照而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。 它實質(zhì)上是一個大面積的它實質(zhì)上是一個大面積的PNPN結(jié)。結(jié)。 A 硼 擴(kuò) 散 層 SiO 2膜 P型 電 極 N型 硅 片PN結(jié) 電 極 A I I (a)(b) 為什么為什么PNPN結(jié)會因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？結(jié)會因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？ 用可見光作光源的光電池，是最

17、常用的光生伏特型元 件。如硅光電池。 光電池優(yōu)點：輕便、簡單、不會產(chǎn)生氣體或熱污染， 易于適應(yīng)環(huán)境。 可用于宇宙飛行器的各種儀表電源。 LED太陽能供電 警示 太陽能電池 光電池的基本特性光電池的基本特性 1）光譜特性）光譜特性 光電池對不同波長的光，其光電轉(zhuǎn)換靈敏度是不同的。光電池對不同波長的光，其光電轉(zhuǎn)換靈敏度是不同的。 硅光電池：光譜響應(yīng)范圍硅光電池：光譜響應(yīng)范圍4001200nm，光譜響應(yīng)峰值波長在，光譜響應(yīng)峰值波長在 800nm附近；附近； 硒光電池：光譜響應(yīng)范圍硒光電池：光譜響應(yīng)范圍380750nm，光譜響應(yīng)峰值波長在，光譜響應(yīng)峰值波長在 500nm附近。附近。 2）光照特性）光照

18、特性 光電池在不同照度下，其光電流和光生電動勢是不同的。 硅光電池的開路電壓和短路電流與光照度關(guān)系硅光電池的開路電壓和短路電流與光照度關(guān)系 硅光電池在不同負(fù)載下的光照特性硅光電池在不同負(fù)載下的光照特性 3）頻率特性）頻率特性 光電池的頻率特性是指其輸出電流隨照射光調(diào)制頻率變光電池的頻率特性是指其輸出電流隨照射光調(diào)制頻率變 化的關(guān)系?；年P(guān)系。 硅光電池響應(yīng)頻率較高，高速計數(shù)的光電轉(zhuǎn)換中一般采硅光電池響應(yīng)頻率較高，高速計數(shù)的光電轉(zhuǎn)換中一般采 用硅光電池；用硅光電池； 硒光電池響應(yīng)頻率較低，不宜用做快速光電轉(zhuǎn)換硒光電池響應(yīng)頻率較低，不宜用做快速光電轉(zhuǎn)換。 光電池的頻率特性光電池的頻率特性 4）溫度

19、特性）溫度特性 光電池的溫度特性是指其開路電壓和短路電流隨溫度光電池的溫度特性是指其開路電壓和短路電流隨溫度 變化的關(guān)系。變化的關(guān)系。 開路電壓隨溫度升高下降很快，約開路電壓隨溫度升高下降很快，約3mV/3mV/； 短路電流隨溫度升高而緩慢增加，約短路電流隨溫度升高而緩慢增加，約2 2 1010-6 -6A/ A/ 5穩(wěn)定性穩(wěn)定性 光電池的穩(wěn)定性很好，使用壽命很長。但要防高溫和強(qiáng)光照射，保存光電池時切忌短路。光電池的穩(wěn)定性很好，使用壽命很長。但要防高溫和強(qiáng)光照射，保存光電池時切忌短路。 硅光電池的溫度特性（照度硅光電池的溫度特性（照度1000lx） 表表3-4 硅光電池硅光電池2CR型特性參數(shù)

20、型特性參數(shù) 表表3-4 硅光電池硅光電池2CR型特性參數(shù)型特性參數(shù) 三、光電式傳感器的應(yīng)用三、光電式傳感器的應(yīng)用 光電式傳感器光電式傳感器=光源光源+光學(xué)元件光學(xué)元件+光電元件光電元件 1.模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器 模擬式光電傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電信號，模擬式光電傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電信號， 與被測量間呈單值對應(yīng)關(guān)系。主要有四種基本形式與被測量間呈單值對應(yīng)關(guān)系。主要有四種基本形式 光電元件的應(yīng)用方式光電元件的應(yīng)用方式 （a）吸收式；（）吸收式；（b）反射式；（）反射式；（c）遮光式；（）遮光式；（d）輻射式）輻射式 2.光電式帶材跑偏儀光電式帶材跑偏儀 主要由邊緣位

21、置傳感器、測量電路和放大器等組成。它是主要由邊緣位置傳感器、測量電路和放大器等組成。它是 用于冷軋帶鋼生產(chǎn)過程中控制帶鋼運動途徑的一種自動用于冷軋帶鋼生產(chǎn)過程中控制帶鋼運動途徑的一種自動 控制裝置?？刂蒲b置。 光電式邊緣位置傳感器原理光電式邊緣位置傳感器原理 測量電路測量電路 采用角矩陣反射器能滿足安裝精度不高、工作環(huán)境有采用角矩陣反射器能滿足安裝精度不高、工作環(huán)境有 振動場合中使用。振動場合中使用。 帶材跑偏引起光通量變化帶材跑偏引起光通量變化 角矩陣反射器原理角矩陣反射器原理 3光電式轉(zhuǎn)速計光電式轉(zhuǎn)速計 反射式和直射式兩種基本類型反射式和直射式兩種基本類型. 光電轉(zhuǎn)速計光電轉(zhuǎn)速計 （a）反

22、射型；（）反射型；（b）直射型）直射型 4光電式轉(zhuǎn)速計光電式轉(zhuǎn)速計 利用光電斷續(xù)器測量轉(zhuǎn)速和圈數(shù)利用光電斷續(xù)器測量轉(zhuǎn)速和圈數(shù) 1-光電斷續(xù)器；光電斷續(xù)器；2-不銹鋼薄圓片；不銹鋼薄圓片；3-透光縫；透光縫；4-旋轉(zhuǎn)物轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)物轉(zhuǎn)軸 為了提高轉(zhuǎn)速測量的分辨率，采用為了提高轉(zhuǎn)速測量的分辨率，采用機(jī)械細(xì)分技術(shù)機(jī)械細(xì)分技術(shù)，使轉(zhuǎn)動體每轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)動體每轉(zhuǎn)動 一周有多個（一周有多個（Z）反射光信號或透射光信號。）反射光信號或透射光信號。 若直射型調(diào)制盤上的孔（或齒）數(shù)為若直射型調(diào)制盤上的孔（或齒）數(shù)為Z（或反射型轉(zhuǎn)軸上的反射體數(shù)（或反射型轉(zhuǎn)軸上的反射體數(shù) 為為Z），測量電路計數(shù)時間為），測量電路計數(shù)時間為

23、T秒，被測轉(zhuǎn)速秒，被測轉(zhuǎn)速n(r/min)，則計數(shù)值為，則計數(shù)值為 N=nZT/60 (8-9) 為了使計數(shù)值為了使計數(shù)值N能直接讀出轉(zhuǎn)速能直接讀出轉(zhuǎn)速n值，一般取值，一般取ZT=60 10m（m=0,1,2,） 光電脈轉(zhuǎn)換電路。光電脈轉(zhuǎn)換電路。 光電脈沖轉(zhuǎn)換電路光電脈沖轉(zhuǎn)換電路 光電池應(yīng)用的幾種基本電路光電池應(yīng)用的幾種基本電路 5光電池在光電檢測和自動控制方面的應(yīng)用光電池在光電檢測和自動控制方面的應(yīng)用 6光電耦合器光電耦合器 發(fā)光器件與光電元件集成在一起發(fā)光器件與光電元件集成在一起 光電耦合器典型結(jié)構(gòu)光電耦合器典型結(jié)構(gòu) （a）窄縫透射式；（）窄縫透射式；（b）反射式；（）反射式；（c）、（）

24、、（d）全封閉式）全封閉式 第三節(jié) 電荷耦合器件和位置敏感器件 電荷耦合器件（Charge-Coupled Devices）是 70年代發(fā)展起來的一種新型器件。它將MOS 光敏元陣列和讀出移位寄存器集成為一體， 構(gòu)成具有自掃描功能的圖像傳感器。 應(yīng)用領(lǐng)域：攝像機(jī)、廣播電視、可視電話、 傳真、自動檢測、控制、軍事、醫(yī)學(xué)、天文、 遙感。 車身檢測、鋼管檢測、芯片檢測、指紋檢測、 顯微鏡改造、工件尺寸及缺陷檢測、復(fù)雜 形貌測量等。 優(yōu)點 固體化、體積小、重量輕、功耗低、可靠性 高、壽命長 圖像畸變小、尺寸重現(xiàn)性好 光敏元之間幾何尺寸精度高，可得到較高的 定位精度和測量精度，具有較高分辨力 自掃描，具

25、有較高的光電靈敏度和較大的動 態(tài)范圍 視頻信號便于與微機(jī)接口 一、CCD的工作原理 （一）MOS光敏單元 CCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：基本結(jié)構(gòu)分兩部分： MOS（金屬（金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體）光敏元半導(dǎo)體）光敏元 陣列；陣列； 讀出移位寄存器。讀出移位寄存器。 電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅 片上片上 制作成百上千（萬）個制作成百上千（萬）個 光敏元，一個光敏元又稱一光敏元，一個光敏元又稱一 個像素。個像素。 在半導(dǎo)體硅平面上在半導(dǎo)體硅平面上 光敏元按線陣或面光敏元按線陣或面 陣有規(guī)則地排列。陣有規(guī)則地排列。 CCD結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 一個一個MOS結(jié)構(gòu)元為結(jié)構(gòu)元為MOS光敏元

26、或一個像素；光敏元或一個像素； 把一個勢阱所收集的光生電子稱為一個電把一個勢阱所收集的光生電子稱為一個電 荷包；荷包； 如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏 的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與 光照度響應(yīng)的光生電荷圖象。光照度響應(yīng)的光生電荷圖象。 （二）讀出移位寄存器 CCDCCD信號電荷的輸出的式主要有電流輸出、電壓輸出兩種信號電荷的輸出的式主要有電流輸出、電壓輸出兩種, ,以電壓輸出型為以電壓輸出型為 例：例： 有浮置擴(kuò)散放大器（有浮置擴(kuò)散放大器（FDAFDA）、浮置柵放大器（）、浮置柵放大器（FGAFGA） 由浮置

27、擴(kuò)散區(qū)收集的信號電荷來控制放大管由浮置擴(kuò)散區(qū)收集的信號電荷來控制放大管VT2VT2的柵極電位：的柵極電位： C CFD FD為浮置擴(kuò)散節(jié)點上的總電容 為浮置擴(kuò)散節(jié)點上的總電容 式中，式中，gm為為MOS管管VT1柵極與柵極與 源極之間的跨導(dǎo)。復(fù)位管源極之間的跨導(dǎo)。復(fù)位管VT1導(dǎo)通，導(dǎo)通，VT2的的 溝道抽走浮置擴(kuò)散區(qū)的剩余電荷，直到下一個時鐘周期信號到來如此循環(huán)溝道抽走浮置擴(kuò)散區(qū)的剩余電荷，直到下一個時鐘周期信號到來如此循環(huán) 下去下去。 二、CCD的結(jié)構(gòu) （一）線陣電荷耦合攝像器件 （二）面陣電荷 耦合攝像器件 以以TCD142DTCD142D型型CCDCCD為例做簡單介紹，其它型號的器為例做

28、簡單介紹，其它型號的器 件大同小異。件大同小異。 TCD142DTCD142D是一種具有是一種具有20482048位像元的兩相線陣位像元的兩相線陣CCDCCD器器 件，件，TCD142DTCD142D有有2222個引腳，其中個引腳，其中1212個是空腳；個是空腳； 1A1A、2A2A、1B1B、2B 2B 均為時鐘端，均為時鐘端，SHSH為為 轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵 RSRS為復(fù)位柵，為復(fù)位柵， OSOS為信號輸出端，為信號輸出端， DOSDOS為補(bǔ)償輸出端，為補(bǔ)償輸出端， SSSS為地，為地，NCNC空閑空閑 TCD142D結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 TCD142D結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 TCD142D的驅(qū)動

29、電路可分為兩部分：的驅(qū)動電路可分為兩部分： 一部分是脈沖產(chǎn)生電路；一部分是脈沖產(chǎn)生電路； 另一部分是驅(qū)動電路。另一部分是驅(qū)動電路。 脈沖電路產(chǎn)生脈沖電路產(chǎn)生HS、1、2、RS四路脈沖四路脈沖 由非門及晶體振蕩器構(gòu)成的晶體振蕩電路輸出頻率為由非門及晶體振蕩器構(gòu)成的晶體振蕩電路輸出頻率為 4MHz的方波；的方波； 經(jīng)經(jīng)JK觸發(fā)器分頻，得到頻率為觸發(fā)器分頻，得到頻率為2MHz的方波，將的方波，將4MHz與與 2MHz脈沖相與，形成脈沖相與，形成RS脈沖。將脈沖。將RS經(jīng)經(jīng)JK觸發(fā)器分觸發(fā)器分 頻，產(chǎn)生頻率為頻，產(chǎn)生頻率為1MHz的的1脈沖，脈沖，1脈沖送入分頻器；脈沖送入分頻器； 經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生轉(zhuǎn)移

30、脈沖經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生轉(zhuǎn)移脈沖SH，并且使，并且使SH周期周期TSH 1061s； 將將SH和和1相與產(chǎn)生相與產(chǎn)生2,1=2，至此，就產(chǎn)生了四路，至此，就產(chǎn)生了四路 脈沖。脈沖。 將這四路脈沖經(jīng)反相器反相，再經(jīng)阻容加加速電路送至將這四路脈沖經(jīng)反相器反相，再經(jīng)阻容加加速電路送至 H0026驅(qū)動器，放大至一定量以后用以驅(qū)動驅(qū)動器，放大至一定量以后用以驅(qū)動TCD142D。 TCD142D驅(qū)動電路驅(qū)動電路 三、CCD應(yīng)用舉例 尺寸測量 圖7-20工件尺寸測量系統(tǒng) 物體缺陷檢測 圖7-21 鈔票檢查系統(tǒng)原理圖 第四節(jié) 光纖傳感器（FOS） 背景知識 光纖傳感器是利用光在光纖中傳播特性的 變化來測量它所受環(huán)境

31、的變化，即用被測 量的變化調(diào)制光纖中的光波，使光纖中的 光波參量隨被測量而變化，從而得到被測 信號大小。 由光導(dǎo)纖維組成的光纖傳感器與常規(guī)傳感器相 比有哪些特點？ 抗電磁干擾能力強(qiáng)（為什么？） 靈敏度高 重量輕、體積小 適于遙測，容易構(gòu)成分布式測量系統(tǒng) 應(yīng)用 位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、力、流量、 振動、水聲、溫度、電流、電壓、磁場、核輻 射、生物醫(yī)學(xué)量、化學(xué)量。應(yīng)用范圍遍布軍事、 民用、商業(yè)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制等領(lǐng)域。 一、光纖導(dǎo)波光學(xué)基礎(chǔ) （一）光纖的導(dǎo)波原理 光纖由導(dǎo)光的纖芯、包層、套層構(gòu)成。 光纖傳光的基礎(chǔ)是光的全內(nèi)反射。 圖7-25 光纖的結(jié)構(gòu)及傳光原 理 定義 (n1- n2)/n

32、1，稱為光纖的相對折 射率差,一般為0.005-0.140。 當(dāng)光線以入射角入射到光纖的端面時，在 端面處發(fā)生折射，設(shè)折射角為，然后光 線以角入射至纖芯與包層的界面。當(dāng) 角大于纖芯與包層間的臨界角c時，在光 纖內(nèi)部以同樣的角度反復(fù)逐次反射，直至 傳播到另一端面。 什么是光纖的數(shù)值孔徑？ 由圖可知 設(shè)當(dāng)達(dá)到臨界角c時的入射角為c，則 稱為光纖的數(shù)值孔徑，用NA表示。 （二）光纖的種類 按制作材料分 （1）高純度石英玻璃纖維。這種材料 損耗低。 （2）塑料光纖。它與石英光纖相比具 有重量輕、成本低、柔軟性好、加工方 便等優(yōu)點，但損耗比玻璃光纖大。 按傳輸模式分 (1) 單模光纖。只能傳輸一種模式，

33、纖芯直徑 僅幾個微米，接近波長。單模光纖的優(yōu)點是沒 有模式色散，可利用波導(dǎo)色散抵消材料色散， 以得到零色散。同時，信息容量極大，可進(jìn)行 理論預(yù)測，可利用光的相位。但缺點是，芯徑 很小，因而使用不便。 (2) 多模光纖。能傳輸多種模式，可達(dá)幾百到 幾千個模式，纖芯直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長。多模光 纖由于模式色散的存在，從理論上難以預(yù)測其 特性，信息容量小，傳感器時不能利用光的相 位等限制。但因芯直徑達(dá)到100微米左右，光 纖相互之間的耦合以及與光源之間的耦合比較 容易，使用方便。 按光纖折射率的徑向分布分 (1) 階躍光纖。其纖芯和包層的折射率不 連續(xù)。 (2) 梯度光纖。又稱漸變光纖，在中心軸 上折射

34、率最大，沿徑向逐漸變小，纖芯 和包層交界處n1 = n2。 單模光纖多半是階躍光纖，多模光纖既 有階躍光纖又有梯度光纖。 26 按用途分 (1) 通信光纖。 (2) 非通信光纖特殊光纖。有低折射光 纖、高折射光纖、涂層光纖、液芯光纖、 激光光纖和紅外光纖等。 二、光纖傳感器 光纖傳感器按傳感原理可分為功能型和 非功能型。 功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特 性把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感 型或物性型光纖傳感器。 非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元 件感受被測量的變化，光纖僅作為傳輸 介質(zhì)，傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場所的 光信號，所以又稱為傳光型或結(jié)構(gòu)型光 纖傳感器。 光纖加速度傳感器光纖加速

35、度傳感器 應(yīng)用舉例 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 這種光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、便于推廣應(yīng)用，這種光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、便于推廣應(yīng)用， 可在可在-10300的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測量，響應(yīng)時間約為的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測量，響應(yīng)時間約為2s。 光纖旋渦流量傳感器光纖旋渦流量傳感器 將一根多模光纖垂直地裝入流管，當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與將一根多模光纖垂直地裝入流管，當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與 其垂直的光纖時，光纖受到流體渦流的作用而振動，振其垂直的光纖時，光纖受到流體渦流的作用而振動，振 動的頻率與流速成線性關(guān)系。動的頻率與流速成線性關(guān)系。 在多模光纖中，光以多種模式進(jìn)行傳輸，在光纖的

36、輸出在多模光纖中，光以多種模式進(jìn)行傳輸，在光纖的輸出 端，各模式的光就形成了干涉花樣，這就是光斑。一根端，各模式的光就形成了干涉花樣，這就是光斑。一根 沒有外界擾動的光纖所產(chǎn)生的干涉圖樣是穩(wěn)定的，當(dāng)光沒有外界擾動的光纖所產(chǎn)生的干涉圖樣是穩(wěn)定的，當(dāng)光 纖受到外界擾動時，斑紋或斑點發(fā)生移動。如果外界擾纖受到外界擾動時，斑紋或斑點發(fā)生移動。如果外界擾 動是由流體的渦流引起的，那么干涉圖樣的斑紋或斑點動是由流體的渦流引起的，那么干涉圖樣的斑紋或斑點 就會隨著振動的周期變化來回移動，這時測出斑紋或斑就會隨著振動的周期變化來回移動，這時測出斑紋或斑 點移動，獲得對應(yīng)于振動頻率點移動，獲得對應(yīng)于振動頻率f的

37、信號。的信號。 這種流量傳感器可測量液體和氣體的流量。因為傳感器這種流量傳感器可測量液體和氣體的流量。因為傳感器 沒有活動部件，測量可靠，而且對流體流動不產(chǎn)生阻礙沒有活動部件，測量可靠，而且對流體流動不產(chǎn)生阻礙 作用，所以壓力損耗非常小。這些特點是孔板、渦輪等作用，所以壓力損耗非常小。這些特點是孔板、渦輪等 許多傳統(tǒng)流量計所無法比擬的。許多傳統(tǒng)流量計所無法比擬的。 4.物性型光纖壓力傳感器物性型光纖壓力傳感器 5.反射式光纖位移傳感器反射式光纖位移傳感器 利用光纖實現(xiàn)無接觸位移測量。光源經(jīng)一束多利用光纖實現(xiàn)無接觸位移測量。光源經(jīng)一束多 股光纖將光信號傳送至端部，并照射到被測物體股光纖將光信號傳

38、送至端部，并照射到被測物體 上。另一束光纖接受反射的光信號，并通過光上。另一束光纖接受反射的光信號，并通過光 纖纖 傳送到光敏元件上。傳送到光敏元件上。 被測物體與光纖間被測物體與光纖間 距離變化，反射到距離變化，反射到 接受光纖上，光通接受光纖上，光通 量發(fā)生變化。再通量發(fā)生變化。再通 過光電傳感器檢測過光電傳感器檢測 出距離的變化。出距離的變化。 6.結(jié)構(gòu)型光纖傳感器及其應(yīng)用結(jié)構(gòu)型光纖傳感器及其應(yīng)用 由激光光源由激光光源(氫氫-氦激光氦激光)發(fā)出的光發(fā)出的光(頻率為頻率為fi)導(dǎo)入導(dǎo)入 光導(dǎo)纖維，經(jīng)過分光鏡后，光線通過光纖射向光導(dǎo)纖維，經(jīng)過分光鏡后，光線通過光纖射向 振動物體，由于振動物體

39、振動物體，由于振動物體 (被測體被測體)振動，產(chǎn)生振動，產(chǎn)生 散射散射 (頻率為頻率為fs)。被測物體的運動速度與多普勒。被測物體的運動速度與多普勒 頻率之間的關(guān)系為：頻率之間的關(guān)系為： 被測物體的運動速度與多普勒頻率之間的關(guān)系為：被測物體的運動速度與多普勒頻率之間的關(guān)系為： fi為入射光頻率，即激光源頻率；為入射光頻率，即激光源頻率； fs為散射光頻率；為散射光頻率； n為發(fā)生散射介質(zhì)的折射率；為發(fā)生散射介質(zhì)的折射率； 為入射光在空氣中的波長；為入射光在空氣中的波長； 為被測物體的運動速度。為被測物體的運動速度。 上式表明，多普勒頻率上式表明，多普勒頻率f與被測物體運動速度與被測物體運動速度

40、成比例變成比例變 化關(guān)系，從頻率分檢器中測得化關(guān)系，從頻率分檢器中測得f后，即可得到物體的運后，即可得到物體的運 動速度。動速度。 nv fff is 2 光纖傳感器應(yīng)用相當(dāng)廣泛，尤其在下列情況下特光纖傳感器應(yīng)用相當(dāng)廣泛，尤其在下列情況下特 別適應(yīng)別適應(yīng): 在高壓、電磁感應(yīng)噪音條件下的測試；在高壓、電磁感應(yīng)噪音條件下的測試； 在危險和環(huán)境惡劣條件下的測試；在危險和環(huán)境惡劣條件下的測試； 在機(jī)器設(shè)備內(nèi)部的狹小間隙中的測試；在機(jī)器設(shè)備內(nèi)部的狹小間隙中的測試； 在遠(yuǎn)距離的傳輸中的測試。在遠(yuǎn)距離的傳輸中的測試。 以光纖傳感器為核心的遠(yuǎn)距離測試系統(tǒng)在過程檢以光纖傳感器為核心的遠(yuǎn)距離測試系統(tǒng)在過程檢 測和控制系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為當(dāng)前的重點研究課測和控制系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為當(dāng)前的重點研究課 題。題。 第五節(jié) 紅外傳感器 按其應(yīng)用可分為以下幾方面： 紅外輻射計，用 于輻射和光譜輻射測量；搜索和跟蹤系統(tǒng)，用 于搜索和