新型傳感器第二章1444課件

第二章新型固態(tài)光電傳感器

§2.2普通光敏器件陣列§2.3自掃描光電二極管陣列(SSPD)§2.4光電位置傳感器(PSD)＊＊＊＊§2.1概述概述利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)來接受和探測光信號為電信號的功能器件。什么是新型固態(tài)光電傳感器？★定義：光敏器件包括光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管及線性光敏傳感器等。已從可見光波段，延伸到紅外光區(qū)和紫外光區(qū)。

★探測光源的波長：紅外夜視鏡§2。1普通光敏器件陣列一、象限探測器------將整塊的光敏器件敏感面分隔成若干面，利用光電效應(yīng)來探測光信號。★原理：。。。有光敏電阻、光電二極管、硅光電池等?！锏湫偷墓饷羝骷?1)光敏電阻結(jié)構(gòu)、外形：二、坐標測量原理分析1、直差測量XYucuAuBuD4132÷÷3421直差電路uDucuA-uCuA+uB

+uc+

uD)(uAuBXYuB-uD二、坐標測量原理分析2、和差測量XYucuBuD3124uA象限數(shù)

4光敏面直徑(mm)

14mmSPD-043A四象限光電探測器用途：0.4～1.1μm波長信號的優(yōu)良探測器，適用于光功率計、激光測距、測速、測角、光電探測、光電信息傳輸?shù)认到y(tǒng)特點：在低偏置電壓下可獲得較高的響應(yīng)度主要技術(shù)指標：應(yīng)用舉例一種新型光電定向系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

用來確定光點的坐標測量、光點在二維平面上的位置坐標，一般用于準直、定位、跟蹤等方面。1基本原理

光電定向是指用光電系統(tǒng)測定目標的方向，這是光學(xué)雷達和光學(xué)制導(dǎo)的重要組成部分[1]，利用光電系統(tǒng)可以直接、間接測定目標的方向，該系統(tǒng)主要由發(fā)射部分、光電探測器，信號處理電路，A/D轉(zhuǎn)換器和單片機、計算機顯示器組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。應(yīng)用舉例小資料2具體實現(xiàn)

2.1發(fā)射部分

光發(fā)射電路主要由光源驅(qū)動器、光源（主要是半導(dǎo)體光源，包括LED（發(fā)光二極管），LD（激光二極管）等）、光功率自動控制電路等部分組成，我們用NE555組成的脈沖發(fā)射電路來驅(qū)動650nm的激光器，為了使半導(dǎo)體激光器克服供電電源波動、器件老化等因素的影響，確保激光器輸出功率穩(wěn)定，還必須有自動功率控制電路。小資料3）實現(xiàn)目標的手動跟蹤和自動跟蹤。每個象限的光強伏值可以直接從單片機采集的數(shù)據(jù)讀?。荒繕斯庠吹倪\動軌跡可以固定光斑的半徑，而通過確定光心位置坐標的改變來觀察光源的運動軌跡，而且直觀地把目標光源的中心坐標顯示出來，但要實現(xiàn)目標的手動跟蹤和自動跟蹤，則要通過手動平移臺和電控平移臺來實現(xiàn)，目標控制是希望通過在目標控制界面下直接輸入目標坐標來直接定位探測器。在計算機中輸入目標的坐標，單片機接收上位機的指令，從而驅(qū)動步進電機運動，把從計算機讀入的數(shù)值和從步進電機讀取的數(shù)值進行比較，當(dāng)兩者在一個很小的誤差范圍內(nèi)時，步進電機停止運動，而光斑也到了需要達到的位置，從而實現(xiàn)了目標控制。

自動控制是指當(dāng)偏移目標時，可以通過自動控制來實現(xiàn)目標的跟蹤，當(dāng)單片機檢測到從計算機讀入的坐標和從電控平移臺讀取的坐標不一致時，就會給步進電機一個驅(qū)動指令，從而控制步進電機運動，以實現(xiàn)目標的自動控制。小資料三、光敏管陣列:

-----是將N個光敏管（光電二極管或光電三極管）集成在一個硅片上，將各管的每一同極端連接在一起，另一端各自單獨引出。1、定義：與分立光電二極管完全相同，只不過外型結(jié)構(gòu)不同而已。陣列的每一個光電管稱作象元，通常也稱它們?yōu)檫B續(xù)工作方式。

2、工作原理及特性：第二節(jié)自掃描光電二極管陣列(SSPD)SSPD的內(nèi)部集成了數(shù)字移位寄存器等電路，以電荷存貯方式工作。與普通光電管陣列相似，自掃描光電二極管(SSPD)也是將N個光電二極管集成在一個硅片上，但工作原理以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同。線陣的象元數(shù)有64、128、256、512、4096位等。分線陣、面陣以及其它形式的特殊列陣。簡介：--------SelfScanningPhotodiodeArraySDGn-Si一、電荷存貯工作原理Ip+IDCdDpAlSiO2電荷儲存原理定性分析充電（預(yù)充電）積分充電（信號輸出）電荷儲存原理定量分析（二）Ts內(nèi)，交變照度E(t)產(chǎn)生的平均光生電流ＩｐCd上所釋放的電荷：Cd的電壓因放電而下降到Vcd：電荷儲存原理定量分析（三）Cd上補充的電荷等于曝光時釋放的電荷。充電電流在RL上的壓降等于光生電流在RL上的壓降，其最大值為：

VLmax=Vc

-Vcd=Q/Cd。負載電阻RL上的電流：二、SSPD器件移位寄存器：T1～TN掃描控制(負脈沖)。

S：幀起始脈沖，：時鐘信號

感光部分：D1～DN排列（即“線陣”）多路開關(guān)：T1～TN，漏極連在一起，組成視頻輸出線（即Vo）。采樣脈沖出現(xiàn)的瞬間(前后沿)，MOSFET形成微分狀尖脈沖，并串入視頻輸出信號，產(chǎn)生開關(guān)噪聲。輸出信號VO（T）T開關(guān)噪聲補償陣列產(chǎn)生相同的開關(guān)噪聲VN。VN和視頻輸出Vs送差分放大。陣列補償電路：第一位光電二極管輸出開關(guān)噪聲信號，抵消了相鄰位的開關(guān)噪聲。鄰近位補償電路：三、光電特性入射光的輻照度和積分時間Ts的乘積。曝光量H：光照引起SSPD器件的二極管輸出電荷Q正比于曝光量。曝光量H/lx.sCd能存儲的電荷量有限，曝光量達到某一值Hmax后，輸出電荷達到最大值Qmax

，稱Qmax稱為飽和電荷。若允許的最小起始脈沖周期為Tsmin

，那么飽和照度為：

Es=Hs/TsminHmax輸出電荷Q/pCQmax飽和曝光量Hmax結(jié)電容Cd的飽和電荷Qmax=Cd·Vc，因此，飽和曝光量為：可用于光信息處理；文字、圖像識別；傳真；尺寸和位置的不接觸測量；表面缺陷檢測；機器視覺、光譜配量檢測。I2I0I1第三節(jié)光電位置傳感器(PSD)一、PSD的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：在同一硅片上制作的三層結(jié)構(gòu)：LPNI+②①③P層：既是光敏層，又是高摻雜的均勻的電阻層。I層：接近本征的高阻層。N層：高摻雜的均勻的電阻層。XA--------PositionSensitiveDevice二、PSD的工作原理原理：光照射在光敏層上，入射點產(chǎn)生與光能成比例的電荷，并形成光電流通過電阻層由電極輸出。p層的電阻是均勻的，由電極①和②輸出的電流I1

、I2分別與光點到各電極的距離(電阻值)成反比。I2I0I1LPNI+②①③XA電極③上的電流為總電流I0，則I0＝I1+I2。設(shè)光點離中心點的距離為xA，有：進而有：I2I0I1LPNI+②①③XA二、PSD及其等效電路一維PSD感光面：大多是細長矩形條。 等效電路：并聯(lián)電阻Rsh，電流源Ip

，理想二極管D，定位電阻RD

，結(jié)電容Cj入射光點的坐標位置：123二維PSD電流分路少、靈敏度高，位置線性度和空間分辨率高。上表面形成電流Ix、Ix’，匯總后在下表面分解形成電流Iy、Iy’。上下表面都是均勻電阻層，并設(shè)電極。兩面分離型電流：特性：結(jié)構(gòu)：表面分離型結(jié)構(gòu)：上表面是均勻電阻層。電極在同一表面上。電流：光電流在上表面分解成：Ix、Ix’、Iy、Iy’，并作為位移信號輸出。特性：施加偏壓容易，暗電流小和響應(yīng)速度快。二維PSD暗電流小、響應(yīng)快、邊緣位置誤差小，易于加反偏電壓。改進表面分離型結(jié)構(gòu)：改進了光敏面和電極。電流：同表面分離型特性：二維PSD3、PSD轉(zhuǎn)換電路3123、PSD轉(zhuǎn)換電路3124

1）對光斑形狀無嚴格要求，只與光的能量中心位置有關(guān)，這給測量帶來很多方便。2）光敏面上無須分割，消除了死區(qū)，可連續(xù)測量光斑位置，位置分辨率高，一維PSD可達0.2m；3）可同時檢測位置和光強：PSD器件輸出的總光電流與入射光強有關(guān)，而各信號電極輸出光電流之和等于總光電流，所以從總光電流可求得相應(yīng)的入射光強。4）光電位置傳感器被廣泛地應(yīng)用于激光束對準、位移和振動測量、平面度檢測、二維坐標檢測系統(tǒng)等。ＰＳＤ與象限探測器相比，其特點是：應(yīng)用案例案例-----測距PSD可用于精密尺寸、三維空間位置和角度的測量,是近程(10m以內(nèi))實時測量飛行器位置和距離的極佳器件,如空中加油機等空間飛行器對接中可精確提供目標的相對位置、距離及角度姿態(tài);空間光通信中位置誤差信號的提取等。隨著光電子技術(shù)和MEMS技術(shù)的結(jié)合,集成PSD器件系統(tǒng)的應(yīng)用將更加廣泛。第二章習(xí)題與思考1、什么是新型固態(tài)光電傳感器？2、光敏器件有哪些？列舉其應(yīng)用。4、SSPD的感光部分是什么？以什么方式工作3、光電位置傳感器的敏感元件是什么?5、簡述光電位置傳感器(PSD）的結(jié)構(gòu)、工作原理、它能測哪些參數(shù)？。

轟-6最新改型是轟油-6空中加油機，該機在翼下加裝兩個軟式加油吊艙，能為殲-8ⅡD空中加油型戰(zhàn)斗機進行加油。該型號取消了機頭玻璃鑲嵌結(jié)構(gòu)的觀察轟炸艙、尾炮等，尾部觀察窗略有增大。該改型全機可載油37噸，輸油18.5噸，約夠6架殲-8D型機使用。對接操作通過儀表指引和目視控制。該型機的導(dǎo)航系統(tǒng)為兩套慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成，互為備用，加裝了兩套塔康導(dǎo)航系統(tǒng)，用于加、受油機空中測距和對地近程導(dǎo)航、定向儀。加裝航向姿態(tài)系統(tǒng)。機頭裝有氣象雷達。通信系統(tǒng)增加了兩套超短波單邊帶電臺、兩部保密電臺和救生電臺。電子對抗設(shè)備中增裝了雷達告警設(shè)備和箔條/紅外誘餌投放器。為了實施夜間加油，在左右掛架兩側(cè)、左右起落架短艙內(nèi)側(cè)的尾錐內(nèi)、后機務(wù)艙兩側(cè)各裝了一個白光燈。加油吊艙也裝有指示燈。

空中加油機

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用于在空中對飛行中的飛機補充燃油的飛機?？罩屑佑偷哪康氖窃龃箫w機的航程和續(xù)航時間?？罩屑佑图夹g(shù)起源于第一次世界大戰(zhàn)后美國的一種航空竟技活動。1949年，英國和美國分別研制出實用的空中加油裝置。蘇聯(lián)也研制出類似插頭錐套式的裝置?？罩屑佑蜋C多由運輸機或轟炸機改裝而成。所采用的空中加油裝置有兩類：①插入錐套式：加油機上裝有一根長20-30米的軟管。軟管一端與貯油箱相通，另一端裝一錐套，通過絞盤可以收放。受油機機頭或機翼前緣裝有一根可伸縮的或固定的受油管。受油機飛到加油機后下方適當(dāng)位置，將受油管伸進錐套，