信息與通信光電式傳感器

2023/12/61

物質(zhì)受到光照會(huì)發(fā)生某些電學(xué)特性的變化，這一現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)：光電子發(fā)射效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)三種類型發(fā)生在物體內(nèi)部發(fā)生在物體表面半導(dǎo)體金屬8.1

光電器件2023/12/62

當(dāng)物質(zhì)受到光照射時(shí)，電子得到了足夠的光能會(huì)從物質(zhì)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(yīng)（外光電效應(yīng)）

當(dāng)物質(zhì)受到光的照射時(shí)，載流子的濃度增加，電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是利用這種效應(yīng)制成的。光電導(dǎo)效應(yīng)（內(nèi)光電效應(yīng)）光電式傳感器2023/12/63

在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。光電池就是利用這種效應(yīng)制成的。光生伏特效應(yīng)（內(nèi)光電效應(yīng)）1、光電發(fā)射型器件非電量轉(zhuǎn)換光亮變化光子光電器件光電效應(yīng)電流（電子）光電式傳感器2023/12/64光電式傳感器光電效應(yīng)方程：光是一粒一粒運(yùn)動(dòng)著的粒子流，即光子每個(gè)光子的能量為hf光子打在光電材料上，光子與電子進(jìn)行能量交換能量轉(zhuǎn)換為：電子逸出功+初始動(dòng)能h－普朗克常數(shù) hf－光子的能量f－光的頻率m－電子質(zhì)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(chǎn)生光電子發(fā)射的最低當(dāng)入射光的頻率f<f0時(shí)，則不能激發(fā)光電子。用波長表示外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物表面，且是瞬時(shí)發(fā)生的，滯后時(shí)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(fù)載RL的光電流光電流與入射光強(qiáng)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(gè)電子能轟擊產(chǎn)生出δ個(gè)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(diǎn)：靈敏度高適合弱光強(qiáng)光易損壞2023/12/68隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，出現(xiàn)了大量的以半導(dǎo)體為材料的基于內(nèi)光電效應(yīng)器件：光電阻光敏管光電池2023/12/692、光導(dǎo)型光電器件

光照在半導(dǎo)體材料上，電子從價(jià)帶→禁帶→導(dǎo)帶，形成自由電子，使導(dǎo)電性增強(qiáng)。導(dǎo)帶Eg禁帶價(jià)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(shí)：呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，稱暗阻，一般在兆歐級。有光照射時(shí)：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(jià)格便宜。在檢測與自動(dòng)化技術(shù)中廣泛應(yīng)用2023/12/611光敏二極管RL光敏二極管光電式傳感器器件結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(dǎo)體材料上，若E>Eg,，PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢，直接將光能轉(zhuǎn)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(dāng)光電器件電極上的電壓一定時(shí),光電流I與光通量關(guān)系I＝F（φ）2023/12/615E－照度（lux）2、光照特性當(dāng)光電器件電極上的電壓一定時(shí)，光電流I與光照度關(guān)系I＝F（E）真空光電管光電特性呈現(xiàn)線性關(guān)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(guān)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(guān)，也與制造工藝有關(guān)。不同材料對應(yīng)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(dāng)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(qiáng)相同5、頻率特性S－靈敏度f－光調(diào)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(xué)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(zhuǎn)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(jì)、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(guān)式，光路“通”與“不通”用于開關(guān)，計(jì)數(shù)，編碼等。光電式傳感器2023/12/6318.2電荷耦合器件優(yōu)點(diǎn)：壽命長。CCD攝像管的壽命約20一30年。成本低。用CCD攝像管構(gòu)成的攝像機(jī)沒有電子槍及其附屬設(shè)備，體積小，成本低。機(jī)械性能好，耐震、耐撞，不怕強(qiáng)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(yùn)動(dòng)圖像。

2023/12/632CCD的基本工作原理①CCD的電荷存儲(chǔ)構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器，由金屬、氧化物、半導(dǎo)體材料構(gòu)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(chǔ)電荷作用，以及改變柵壓高低可以使勢阱內(nèi)電荷包逐個(gè)勢阱轉(zhuǎn)移的效應(yīng)。2023/12/634當(dāng)MOS電容柵壓增高時(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)電勢越低，電子則向耗盡層移動(dòng)、存儲(chǔ)，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(diǎn)是：當(dāng)柵壓增加，勢阱變深；當(dāng)柵壓減小，勢阱變淺，電子向勢阱深處移動(dòng)。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(chǎn)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(shí)，由光注入電荷信號。

勢阱內(nèi)的電荷包是由光敏材料受光照射后激發(fā)→產(chǎn)生電子空穴對在柵極電壓的作用下，空穴被排斥進(jìn)入襯底而電子被收集在勢阱里，成為信號電荷存儲(chǔ)電荷的多少正比于照射光強(qiáng)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(chǎn)生2023/12/644光注入方式有：正面照射：電極用透明導(dǎo)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(gè)光敏單元的電極下開一個(gè)很小的孔，光線直接照射到硅片表面通常在半導(dǎo)體硅片上制有幾百或幾千個(gè)相互獨(dú)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(gè)相互獨(dú)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(qiáng)度相對應(yīng)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(zhuǎn)移CCD的最基本結(jié)構(gòu)是彼此非常靠近的一系列MOS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(zhuǎn)移的基本條件。任何可移動(dòng)的電荷信號總是力圖向表面勢大的位置移動(dòng)，→相鄰勢阱間的電荷轉(zhuǎn)移。實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)脈沖有二相，三相、四相。2023/12/646123456

t=t1時(shí)，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(shí)，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(zhuǎn)移。2023/12/648123456

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

t=t4時(shí)，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(zhuǎn)移。2023/12/650123456

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

2023/12/6522023/12/6532023/12/6542023/12/655④CCD的信號輸出每個(gè)象素下面勢阱內(nèi)的電荷包通過轉(zhuǎn)移后，順序向外電路輸出，并轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)是反偏二極管CCD輸出方式。在一個(gè)作為負(fù)載的電容上可得到相應(yīng)的離散的負(fù)極性脈沖電壓，形成負(fù)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(diǎn)：簡單缺點(diǎn)：易產(chǎn)生“拖影”，須用機(jī)械式快門因此不實(shí)用！CCD放大器光機(jī)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(dāng)轉(zhuǎn)移控制柵開啟時(shí)，信號電荷同時(shí)平行讀入電荷移位寄存器，然后再轉(zhuǎn)移出去。2023/12/6662023/12/6672023/12/6682023/12/6692023/12/6703.雙通道線陣CCD轉(zhuǎn)移寄存器分別配置在光敏線列兩側(cè)

2023/12/6712023/12/6722023/12/6732023/12/674雙通道線陣CCD優(yōu)點(diǎn)：①與長度相同的分離式相比，兩倍分辨率。②轉(zhuǎn)移寄存器的級數(shù)小，電荷轉(zhuǎn)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(gòu)成。2023/12/675線型CCD的主要用途測量掃描儀、傳真機(jī)、數(shù)字復(fù)印機(jī)等

舉例說明在測量上的應(yīng)用2023/12/6762023/12/6772023/12/6782023/12/679面陣CCD攝像器件行間轉(zhuǎn)移式（IT）幀間轉(zhuǎn)移式（FT）行幀間轉(zhuǎn)移式（FIT）2023/12/680行間轉(zhuǎn)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(gè)水平移位寄存器。場消隱期間電荷包從各個(gè)感光單元轉(zhuǎn)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(shí)場正程內(nèi)的行逆程期間垂直移存器將電荷包向下轉(zhuǎn)移一個(gè)單元，最下一行電荷包進(jìn)入水平移存器，而場正程內(nèi)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(zhuǎn)移式（FT）FT式CCD有一個(gè)成像部分和一個(gè)與之大小相同和單元數(shù)目相同的存儲(chǔ)部分，以及一個(gè)水平移位寄存存器。場消隱期間成像部分中各個(gè)電荷包一一對應(yīng)的移入存儲(chǔ)部分各勢阱內(nèi)，然后，場正程期間電荷包的轉(zhuǎn)移和輸出象ITCCD一樣。2023/12/6862023/12/6872023/12/6882023/12/6892023/12/690行幀間轉(zhuǎn)移式（FIT）IT式CCD的一個(gè)缺點(diǎn)是高亮點(diǎn)景象會(huì)在重現(xiàn)圖象上出現(xiàn)垂直拖影，F(xiàn)T的缺點(diǎn)是需要在成像部分前加裝一個(gè)與場頻同步的旋轉(zhuǎn)遮光片式機(jī)械快門。結(jié)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(zhuǎn)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(nèi)積累電荷包的時(shí)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(shí)期越短，相當(dāng)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(diǎn)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(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)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(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，直徑1mm1.結(jié)構(gòu)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(xì)，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(xì)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(diào)制型和偏振調(diào)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(qiáng)度調(diào)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?yàn)槎ㄖ稻徸冃停涸谥行妮S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(zhì)光纖傳感器2023/12/6104光纖傳感器實(shí)例2023/12/61053.傳光原理①入射角θ1

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

n1sinθ1＝n2×sin90°＝n2有：光纖傳感器θ2＝90°θCθCc”c’a’ac介質(zhì)2（n2）介質(zhì)1（n1）θ2023/12/6107③當(dāng)θ1>θC時(shí)，光不再產(chǎn)生折射，稱為全反射即光纖傳感器θ’1b’b介質(zhì)2（n2）介質(zhì)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(jìn)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(nèi)產(chǎn)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(dāng)入射光處于2φC夾角內(nèi)，進(jìn)入光纖后才能滿足全反射條件。結(jié)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(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的強(qiáng)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(diào)制過的光信號進(jìn)行檢測與解調(diào)，從而獲得被測參數(shù)。三、傳輸光的調(diào)制方式對傳輸光的調(diào)制法：光通量、光相位、光頻率、光波