傳感器與檢測技術(shù)胡向東第2章光電式傳感器

1、傳感器與檢測技術(shù)胡向東第2章光電式傳感器2.1 光電效應(yīng)概述 光電效應(yīng)按其作用原理可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。一. 外光電效應(yīng) 在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體外表，向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。 基于外光電效應(yīng)的光電器件由光電管、光電倍增管等。 我們知道，光子是具有能量的粒子，每個光子具有的能力由下式確定。假設(shè)物體中電子吸收的入射光的能量足以抑制逸出功A0時，電子就逸出物體外表，產(chǎn)生電子發(fā)射。故要使一個電子逸出，那么光子能量h必須超出逸出功A0 ，超過局部的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動能。即 受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類。1光電

2、導(dǎo)效應(yīng)。在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的器件有光敏電阻等。2光生伏特效應(yīng)。在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)。基于該效應(yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。一. 普通光電管在一個真空泡內(nèi)裝有兩個電極：光電陰極和光電陽極。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對準(zhǔn)光的照射孔。當(dāng)光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。2.2 光電管二. 光電倍增管由于真空光電管的靈敏度較低，因此人們便研制了光

3、電倍增管，其工作原理如圖。1倍增系數(shù) M 電流放大倍數(shù)M與所加電壓有關(guān)，一般在105108之間。一般陽極和陰極的電壓為1000V2500V，兩個相鄰的倍增電極的電壓差為50V100V。2陰極靈敏度和總靈敏度 一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)焦作光電陰極的靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)焦灼光電倍增管的總靈敏度。 光電倍增管的放大倍數(shù)或總靈敏度如下圖。 光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。 光電池在有光線作用下實質(zhì)就是電源, 電路中有了這種器件就不需要外加電源。 光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)。 它實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié), 當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個面, 例如p型面時

4、, 假設(shè)光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度, 那么p型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴, 電子空穴對從外表向內(nèi)迅速擴(kuò)散, 在結(jié)電場的作用下, 最后建立一個與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動勢。 2.3 光電池二. 光電池的根本特性 硒光電池和硅光電池的光譜特性如左圖 不同的光電池，光譜峰值的位置不同。例如，硅光電池在8000A附近，硒光電池在5400A附近。2. 光照特性 光照度定義為電位面積上所接收的光的輻射能通量。單位勒克斯。Lx (W/m2) 反映短路電流、開路電壓與光照度的關(guān)系。 短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度成線性關(guān)系,光電池工作于短路電流狀態(tài)，可做檢測元件。 開路電壓負(fù)載電阻RL無限大時與

5、光照度的關(guān)系是非線性的, 并且當(dāng)照度在2000 lx時就趨于飽和了。光電池工作于開路電壓狀態(tài)，可做開關(guān)元件。 溫度特性主要描述開路電壓與短路電流隨溫度變化的情況。如下圖. 把光電池作為測量器件應(yīng)用時, 應(yīng)保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。JMJ112V2A51KL39K470uf1.自動干手器手放入干手器時，手遮住燈泡發(fā)出的光，光電池不受光照，晶體管基極正偏而導(dǎo)通，繼電器吸合。風(fēng)機(jī)和電熱絲通電，熱風(fēng)吹出烘手。手干抽出后，燈泡發(fā)出光直接照射到光電池上，產(chǎn)生光生電動勢，使三極管基射極反偏而截止，繼電器釋放，從而切斷風(fēng)機(jī)和電熱絲的電源。2.4 光敏電阻為了防止周圍介質(zhì)的影響, 在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一

6、層漆膜, 漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。 它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì), 半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極, 金屬電極與引出線端相連接, 光敏電阻就通過引出線端接入電路。2. 光敏電阻的工作原理 光敏電阻又稱光導(dǎo)管, 它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。 光敏電阻沒有極性, 純粹是一個電阻器件, 使用時既可加直流電壓, 也可以加交流電壓。 無光照時, 光敏電阻值暗電阻很大, 電路中電流暗電流很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時, 它的阻值亮電阻急劇減少, 電路中電流迅速增大。 一般希望暗電阻越大越好, 亮電阻越小越好,此時光敏電阻的靈敏度高。 實際光敏電阻的暗電阻

7、值一般在兆歐級, 亮電阻在幾千歐以下。3 光敏電阻的主要參數(shù) 暗電阻光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻, 此時流過的電流稱為暗電流。 亮電阻光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻, 此時流過的電流稱為亮電流。 光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。 4 光敏電阻的根本特性1 伏安特性：在一定照度下, 流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系一定光照，R一定，I正比于U。一定電壓，I隨著光照E增強(qiáng)而增大。 ERI。2) 光照特性IE 光敏電阻的光照特性為非線性，不宜作檢測元件，主要用于自動控制中。3 光譜特性Kr %光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性。 亦稱為光譜響應(yīng)。不同材料

8、，其峰值波長不同。同一種材料，對不同波長的入射光，其相對靈敏度不同，響應(yīng)電流不同。應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)，選擇適宜的光電元件匹配使光電元件得到較高得相對靈敏度。4 溫度特性溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)。 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線, 它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此, 硫化鉛光敏電阻要在低溫、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。 1.光照度計 農(nóng)作物日照時數(shù)測定。 輸出接單片機(jī)的I/O口，每2分鐘對此口查詢1次，為高電平，計數(shù)一次，為低電平，不計數(shù)。1天查詢720次。 無光照V0=VL 。有光照V0=VH。2.5 光敏二極管與三極管一. 光敏二極管光敏

9、二極管的構(gòu)造與普通二極管一樣，都有一個PN結(jié)，兩根電極引線，而且都是非線性器件，具有單向?qū)щ娦?。不同之處在于光敏二極管的PN結(jié)狀在管殼的頂部，可直承受到光的照射，其構(gòu)造和電路如下圖。沒有光照射時，處于反向偏置的光敏二極管，工作于截止?fàn)顟B(tài), 這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流即暗電流。這時反向電阻很大。 當(dāng)光照射在PN結(jié)上時, 光子打在PN結(jié)附近, PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對。從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在反向外加電壓和內(nèi)電場的作用下,P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大

10、為增加，形成光電流。這時二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光的照度越大, 光電流越大。1光譜特性 在入射度一定時，輸出的光電流或相對靈敏度隨光波波長的變化而變化。一種光敏二極管只對一定波長的入射光敏感，這就是它的光譜特性。如下圖。2伏安特性3光照特性4溫度特性溫度變化對光敏二極管輸出電流影響較小,但對暗電流的影響卻十分顯著.1光電路燈控制電路2光強(qiáng)測量電路二. 光敏三級管光電三極管比具有一樣有效面積的光電二極管的光電流大幾十至幾百倍，但相應(yīng)速度較二極管差?；鶚O開路，集電極與發(fā)射極之間加正電壓。當(dāng)光照射在集電結(jié)上時, 在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對, 電子在結(jié)電場的作用下，由P區(qū)向N區(qū)運動，形成基極電流，放大倍形成

11、集電極電流光電流, 所以光電三極管有放大作用。 1光譜特性與伏安特性 光譜特性與二極管一樣，伏安特性如圖。2溫度特性與光照特性 溫度特性與光敏二極管一樣，光照特性如圖光電耦合器件一 光電耦合器 光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi), 一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。發(fā)光元件為發(fā)光二極管，受光元件為光敏三極管或光敏可控硅。它以光為媒介，實現(xiàn)輸入電信號耦合到輸出端。 特點：強(qiáng)弱電隔離。 輸入輸出極之間絕緣電阻很高。耐壓達(dá)2000V以上。 能防止輸出端對輸入端地線等的干擾。對系統(tǒng)內(nèi)部噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。發(fā)光二極管為電流驅(qū)動元件，動態(tài)電阻很小，對系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲有旁路作用。濾除噪聲 光電耦合器的

12、組合形式應(yīng)用于自動控制電路中的強(qiáng)弱電隔離。二. 光電開關(guān) 光電開關(guān)在制造業(yè)自動化包裝線及平安裝置中作光控制和光探測裝置?？蓪崿F(xiàn)限位控制、產(chǎn)品計數(shù), 料位檢測，越限平安報警及計算機(jī)輸入接口等用途。 1.光電開關(guān)構(gòu)造 透射式和反射式的光電開關(guān)。 利用輸出電平的狀態(tài)判斷有無被測物。2. 根本電路透射式如圖a)(c)無被測物，輸出高電平；有被測物，輸出低電平。(b)無被測物，輸出低電平；有被測物，輸出高電平。2.7 色敏光電傳感器 色敏光電傳感器相當(dāng)于兩支構(gòu)造不同的光電二極管的組合，故又稱光電雙結(jié)二極管1光譜特性2短路電流比波長特性 短路電流比波長特性是表征半導(dǎo)體色敏器件對波長的識別能力，是賴以確定被

13、測波長的根本特性。色彩信號處理電路2.8 紅外光傳感器紅外輻射 紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.76-1000m,紅外線在電磁波譜中的位置如以下圖。 紅外光傳感器按工作原理可分為光量子型和熱電型兩大類。 光量子型可直接把紅外光轉(zhuǎn)換成電能。如，紅外光敏電阻和紅外PN結(jié)型光生伏特器件，用于遙感成像方面。 熱電型吸收紅外光后變?yōu)闊崮?，使材料的溫度升高，電學(xué)性能發(fā)生變化，人們利用這個現(xiàn)象制成了測量光輻射的器件。如紅外熱釋電傳感器。 對于某些材料 (如鋯鈦酸鉛系陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘肽等)，具有自發(fā)極化的特征。自發(fā)極化與溫度有

14、很大關(guān)系。假設(shè)溫度因吸收紅外光而升高，那么極化強(qiáng)度減少，使單位面積上極化電荷減少，釋放一定量的吸附電荷；假設(shè)與一個電阻連成回路，會形成電流，如下圖。由實驗證實，電阻上壓降的變化為由于dT/dt與紅外線強(qiáng)度的變化成正比，結(jié)合上式，可得出輸出電壓正比與紅外線強(qiáng)度的變化。3. 雙元件雙元型紅外傳感器 此傳感器專門用來檢測人體輻射的紅外線能量。市場上常見有國產(chǎn)的SD02、PH5324，日本的SCA02-1，美國的P2288等。 SD02由敏感單元、場效應(yīng)管、高阻抗變換管、濾光窗等組成，并在氦氣環(huán)境下封裝而成。三. 紅外光傳感器的應(yīng)用2.9 固態(tài)CCD圖像傳感器 固態(tài)圖像傳感器按其構(gòu)造可分為三類：電荷耦

15、合器件簡稱CCD、MOS圖像傳感器簡稱SSPA和電荷注入器件簡稱CID。 目前，前兩種用得較多。廣泛用于圖像傳輸與識別。例如，攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)和機(jī)器人的眼睛等。 在本節(jié)中僅說明CCD圖像傳感器的工作原理與特性一. 電荷耦合器件 (CCD)電荷耦合器件Charge Couple Device， 簡稱CCD，它將光敏二極管陣列和讀出移位存放器集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的圖象傳感器。是一種金屬氧化物半導(dǎo)體MOS集成電路器件，它以電荷作為信號, 根本功能是進(jìn)展光電轉(zhuǎn)換電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移輸出。 廣泛應(yīng)用于自動控制和自動測量, 尤其適用于圖像識別技術(shù)。1. MOS光敏單元的構(gòu)造及

16、原理CCD器件完成對物體的成像，在其內(nèi)部形成與光像圖形相對應(yīng)的電荷分布圖形。這就要求它的根本單元具有存儲電荷的功能，同時還具有電荷轉(zhuǎn)移輸出功能。CCD器件的根本單元構(gòu)造是MOS金屬氧化物半導(dǎo)體構(gòu)造。即在P型硅襯底上生長一層SiO2 (120nm),再在 SiO2層上沉積金屬鋁構(gòu)成MOS構(gòu)造，它是CCD器件的最小工作單元。A、勢阱的產(chǎn)生 MOS的金屬電極加正壓，電極下的P型硅區(qū)域內(nèi)空穴被趕盡，留下帶負(fù)電荷的負(fù)離子，其中無導(dǎo)電的載流子，形成耗盡層。它是電子的勢阱。勢阱的深淺取決于U的大小。B、電荷的存儲 勢阱具有存儲電荷的功能，勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強(qiáng)成正比。 CCD器件將

17、物體的光像形成對應(yīng)的電像時，就是CCD器件中上千個相互獨立的MOS單元勢阱中存儲與光像對應(yīng)的電荷量。2. 讀出移位存放器是電荷圖像的輸出電路研究如何實現(xiàn)勢阱下的電荷從一個MOS元位置轉(zhuǎn)移到另一個MOS元位置，并依次轉(zhuǎn)移并傳輸出來。A、電荷的定向轉(zhuǎn)移 當(dāng)外加電壓一定時，勢阱的深度隨勢阱中的電荷量的增加而線性減少。由此通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓上下來調(diào)節(jié)勢阱的深淺。 要求： 多個MOS電容嚴(yán)密排列且勢阱相互溝通。 金屬電極上加電壓脈沖嚴(yán)格滿足相位要求。B、三相CCD電極的構(gòu)造 MOS上三個相鄰電極，每隔兩個所有電極接在一起。由3個相位差120時鐘脈沖驅(qū)動。C、電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴(kuò)

18、散形成輸出二極管，二極管加反壓，在PN結(jié)形成耗盡層。輸出柵OG加壓使電荷轉(zhuǎn)移到二極管的耗盡區(qū)，作為二極管的少數(shù)載流子形成反向電流輸出。輸出電流的大小與電荷大小成正比，通過負(fù)載變?yōu)殡妷狠敵觥］敵龆O管電流法 1. 線陣電荷耦合器件線陣CCD構(gòu)造原理圖 1光照光敏元，各光敏元中的光敏二極管產(chǎn)生光生電子空穴對，電子注入對應(yīng)的MOS勢阱中，光像變?yōu)殡娤耠姾砂?。光積分 2積分周期完畢，控制信號使轉(zhuǎn)移柵翻開，光生電荷就通過轉(zhuǎn)移柵耦合到移位存放器中，通過移位存放器并行輸出。 3轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后，光敏單元開場下一行圖像信號積分采集。圖7-12 各脈沖的波形和相位 面陣型CCD圖像器件的感光單元呈二維矩陣排列，能檢

19、測二維平面圖像。按傳輸和讀出方式可分為行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。下面主要介紹前兩種。1行傳輸LT面陣CCD2 幀傳輸FT面陣CCD 光敏區(qū)和存儲區(qū)分開，光敏區(qū)在積分時間內(nèi)，產(chǎn)生與光像對應(yīng)的電荷包，在積分周期完畢后，利用時鐘脈沖將整幀信號轉(zhuǎn)移到讀出存放器。然后，整幀信號再向下移，進(jìn)入水平讀出移位存放器，串行輸出。一幀對應(yīng)光敏區(qū)MOS的數(shù)量光敏區(qū)存儲區(qū)讀出寄存器三. CCD圖像傳感器的特性參數(shù) 當(dāng)CCD中電荷包從一個勢阱轉(zhuǎn)移到另一個勢阱時，假設(shè)Q1為轉(zhuǎn)移一次后的電荷量，Q0為原始電荷，那么轉(zhuǎn)移效率定義為假設(shè)轉(zhuǎn)移損耗定義為那么電荷進(jìn)展N次轉(zhuǎn)移時，總轉(zhuǎn)移效率為要求轉(zhuǎn)移效率必須到達(dá)99.9999.9

20、99% CCD圖象傳感器的分辨率用調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)MTF表征。當(dāng)光強(qiáng)以正弦變化的圖像作用在傳感器上時，電信號幅度隨光像空間頻率的變化為調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)MTF。 根據(jù)奈奎斯特采樣定理，定義圖像傳感器的最高分辨率fm等于它的空間采樣頻率f0的一半，即 暗電流起因于熱激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對，是缺陷產(chǎn)生的主要原因。CCD器件暗電流越小越好。 圖象傳感器的靈敏度是指單位發(fā)射照度下，單位時間、單位面積發(fā)射的電量，即 四. CCD圖像傳感器應(yīng)用 1、線陣CCD器件檢測工件尺寸L工件尺寸，N覆蓋的光敏單元d相鄰光敏單元中心距離M光學(xué)系統(tǒng)放大率2d為圖象末端兩個光敏單元之間可能的最大誤差。根據(jù)目前產(chǎn)品情況d0013003

21、mm。郵政編碼識別系統(tǒng)。寫有郵政編碼的信封放在傳送帶上，傳感器光敏元的排列方向與信封的運動方向垂直，光學(xué)鏡頭將編碼的數(shù)字聚焦到光敏元上。當(dāng)信封運動時，傳感器以逐行掃描的方式把數(shù)字依次讀出。讀出的數(shù)字經(jīng)二值化等處理，與計算機(jī)中存儲的數(shù)字特征比較，最后識別出數(shù)字碼。由數(shù)字碼，計算機(jī)控制分類機(jī)構(gòu)，把信件送入相應(yīng)分類箱中。驅(qū)動電路分類機(jī)構(gòu)計算機(jī)細(xì)化二值化處理傳送帶CCD透鏡1分類箱23郵政編碼識別系統(tǒng)2.10 光纖傳感器一、光纖的傳光原理1、光纖構(gòu)造由纖芯和包層組成石英玻璃5100um)n1n2)。外層一層尼龍保護(hù)套。2、傳光原理光的全內(nèi)反射是光纖傳輸光的根底。1光的全反射條件 光由纖芯到包層外表，由

22、光的折射定律可知： 2數(shù)值孔徑NA光由空氣射入光纖端面，與軸成 角。即可實現(xiàn)全反射，光在纖芯內(nèi)全反射無損耗傳輸。希望NA越大越好。它說明無論光源發(fā)射功率多大，只有2 內(nèi)的光才能被光纖承受，全反射傳輸。1.按傳輸模式分單模光纖、多模光纖. 模的概念 光纖傳輸光波，可分解為沿縱向和橫向傳輸兩種平面波成分。橫向波在纖芯和包層界面上產(chǎn)生全反射。當(dāng)它在橫向往返依次的相位變化為2的整數(shù)倍時，形成駐波。形成駐波的光線組成為模。模是離散存在的。一定材質(zhì)一定尺寸的光纖只能傳輸特定模數(shù)的光波。 模確實定光纖傳輸模數(shù)由歸一化頻率確定。芯徑大，折射率差大NA大，N大，多模。芯徑小到6m,折射率差小到0.5%。N=1光

23、纖只能傳輸一定波長光，單模。階躍型光纖和梯度型光纖三. 光纖傳感器的根本原理光纖傳感器通常可分為功能型傳感型和非功能型傳光型。功能型光纖傳感器 用單模光纖，既傳光又是敏感元件。單模光纖只能傳輸某一角度和波長的單色光光纖的傳輸特性受被測物理量作用而發(fā)生變化。使光纖中傳輸光的屬性相位、強(qiáng)度、波長、偏振態(tài)被調(diào)制。光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型。測溫度、壓力、位移等。 非功能型光纖傳感器光通訊光纖只作為光的傳輸回路。為了得到較大的受光量和傳輸光功率。非功能型光纖傳感器采用NA較大和芯徑較大的階躍型多模光纖。增大傳輸光的通量。2. 相位調(diào)制Mach-Zehnder干預(yù)原理圖3. 偏振調(diào)

24、制光纖電流傳感器 三、光纖傳感器實例 激光束通過分光板后分為兩束光, 透射光作為參考光束, 反射光作為測量光束。當(dāng)傳感器感受加速度時, 由于質(zhì)量塊M對上下光纖的作用, 從而使光纖被拉伸, 引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會合產(chǎn)生干預(yù)效應(yīng)。激光干預(yù)儀的干預(yù)條紋的移動可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號,(光電探測器置于集合處 經(jīng)過處理電路處理后便可正確地測出加速度值。 由于光纖長度的變化，引起光束光程差的變化兩束光經(jīng)干預(yù)儀產(chǎn)生相干條紋，相干條紋移過的數(shù)目與相位差成正比。一般用光電探測器計下干預(yù)條紋移過的數(shù)目，經(jīng)處理電路可算出相位差，即而算出加速度。2.11 激光傳感器 原子在正常分布狀態(tài)下，總是穩(wěn)定的處于低能級E1，如無外界作用，原子將長期保持這種穩(wěn)定狀態(tài)。一旦受到外界光子的作用，賦予原子一定的能量E后，原子就從低能級E1躍遷到高能級E2，這個過程稱為光的受激吸收