传感器与信号检测技术课件共8章第2章光敏传感器.ppt

第2章光敏传感器第第2章章 光敏传感器光敏传感器 2.0 基本概念基本概念 2.1 外光电效应及器件外光电效应及器件 2.2 内光电效应及器件内光电效应及器件 2.3 光生伏特效应及器件光生伏特效应及器件 2.4红外热释电传感器红外热释电传感器2.5固态图像传感器固态图像传感器CCDCCD 2.6光纤传感器光纤传感器 2.7光电耦合器件光电耦合器件第2章光敏传感器2.0 基本概念基本概念 1.1.光谱光谱可见光波长 0.38m0.78m 光速C=f.紫外线 0.01m0.38m 具有荧光作用（荧光灯），生理作用（医用紫光灯）光学玻璃 透射弱 石英玻璃 透射强红外线 0.78m1000m 具有热辐射作用（人体保健）近红外3m（人体辐射9.4m远红外内衣）2.2.色谱色谱在可见光范围内，由于波长的不同。而对视觉产生的颜色差异。（人眼的光谱）0.380.4350.490.580.600.650.78 紫 蓝 绿 黄 橙 红 电视、电子表、光纤、激光器等产品都有应用军事上：夜视仪，热像仪，多光谱遥感等。第2章光敏传感器电磁波谱图电磁波谱图第2章光敏传感器3.光的单位光的单位光强度：光源产生光的强弱。频率为5401012（0.555m）的单色光在给定方向上产生的辐射功率为1/680W/Sr（球面度）定为光强度单位。称坎德拉cd光通量：具有1cd均匀光源在一个球面内产生的光的辐射量，定为光通量单位称流明lm光照度：物体表面被光照亮的程度。1lm的光通量在1的平面上产生的照度，单位为勒克斯lx第2章光敏传感器4.光的特性光的特性几何光学研究光路，透镜物理光学研究光的本质，光的波动，粒子说把光看作具有一定质量、能量、动量的粒子（又称光子）又可看作按光速运动的粒子流。C=f.光电效应：光照射到物体上后，光子轰击物体表面，物体吸收了光子能量，而产生电的效应。光电效应分类：外光电效应：在光的作用下，使电子溢出物体表面。如光电管、光电倍增管内光电效应：在光的作用下，使物体的电阻率发生变化。如光敏电阻光生伏特效应：在光的作用下，物体上产生具有一定方向的电动势。如人造卫星上光电池、光敏二极管、三极管。第2章光敏传感器5.发光器件发光器件1）、钨丝白炽灯光谱连续（可见光、大量红外线及少量紫外线）对光敏器件要求不高，都可使其收到光信号（某种）工作电压比额定电压低10%：光通量减少30%，寿命增3倍工作电压比额定电压高10%：光通量增大40%，寿命降1/3倍光电实验6V12W（连续可调）DB双向触发二极管32V导通可调光台灯电路2）、气体放电灯依靠水银蒸汽的气体放电产生紫外线，再利用特殊荧光粉，把紫外线转换成可见光启辉电压500V工作电压100V第2章光敏传感器3）、发光二极管（LED）由半导体组成的，PN结构成，封装于透明外壳中，所用材料不同，颜色也不同（镓、砷等）红、绿、兰三基色，红绿较见，蓝色发明较晚，市面还有白色LED红色LED开启电压1.7V“刚刚亮，即为开启”绿色LED开启电压2.2V红外LED开启电压1.5V反向击穿电压1/（为中和平均时间）,就会输出频率为f的电信号。热释电传感器可以看作电流源,等效电路如图3.67所示。图中电流其中,A为电极面积;Rd,Cd为绝缘电阻和电容;RL和CL为外接负载。传感器输出电压为第2章光敏传感器式中,Z为Rd,Cd,RL,CL的并联阻抗。热释电传感器绝缘电阻高达几十到几百兆欧,容易引入外部噪声,在实际使用中,要求有输入阻抗高、噪声小的前置放大器。通常把前放的场效应晶体管和输入电阻装入管壳内。场效应管起到阻抗变换,同时起到抗干扰的作用。第2章光敏传感器第2章光敏传感器第2章光敏传感器2.5 CCD图像传感器图像传感器 电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices,简称CCD)是贝尔实验室的和于1970年发明的,由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能,且集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展,是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件,广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。第2章光敏传感器CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属氧化物半导体）电容器组成的阵列,其构造如图3.71所示。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约1200）的二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极）,形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。第2章光敏传感器图3.71CCD芯片的构造第2章光敏传感器图3.71中所示为64位CCD结构。每个光敏元（像素）对应有三个相邻的转移栅电极1、2、3,所有电极彼此间离得足够近,以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的1电极相连并施加时钟脉冲1,所有的2、3也是如此,并施加时钟脉冲2、3。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭,如图3.72所示。第2章光敏传感器图3.72三个时钟脉冲的时序第2章光敏传感器MOS电容器和一般电容器不同的是,其下极板不是一般导体而是半导体。假定所用半导体是P型硅,其中多数载流子是空穴,少数载流子是电子。若在栅极上加正电压,衬底接地,则带正电的空穴被排斥离开Si-SiO2界面,带负电的电子被吸引到紧靠Si-SiO2界面。当电压高到一定值,形成对电子而言的所谓势阱,电子一旦进入就不能复出。电压愈高,产生的势阱愈深。可见MOS电容器具有存储电荷的功能。如果衬底是N型硅,则在电极上加负电压,可达到同样目的。第2章光敏传感器光照射到光敏元上,会产生电子-空穴对（光生电荷）,电子被吸引存储在势阱中。入射光强则光生电荷多,弱则光生电荷少,无光照的光敏元则无光生电荷。这样就在转移栅实行转移前,把光的强弱变成与其成比例的电荷的数量,实现了光电转换。若停止光照,电荷在一定时间内也不会损失,可实现对光照的记忆。第2章光敏传感器转移栅实行转移的工作原理是,t1时刻1是高电平,于是在电极1下形成势阱,并将少数载流子(电子)吸引至聚集在Si-SiO2界面处,而电极2、3却因为加的是低电平,形象地称为垒起阱壁。图3.71所示的情况是,第62、64位光敏元受光,而第1、2、63位等单元未受光照。第2章光敏传感器t2时刻,1的高电平有所下降,2变为高电平,而3仍是低电平。这样在电极2下面势阱最深,且和电极1下面势阱交迭,因此储存在电极1下面势阱中的电荷逐渐扩散漂移到电极2下的势阱区。由于电极3上的高电平无变化,所以仍高筑势垒,势阱里的电荷不能往电极3下扩散和漂移。第2章光敏传感器t3时刻,1变为低电平,2为高电平,这样电极1下面的势阱完全被撤除而成为阱壁,电荷转移到电极2下的势阱内。由于电极3下仍是阱壁,所以不能继续前进,这样便完成了电荷由电极1下转移到电极2下的一次转移,如图3.73所示。第2章光敏传感器图3.73完成一次转移的过程第2章光敏传感器CCD也可在输入端用电形式输入被转移的电荷,或用以补偿器件在转移过程中的电荷损失,从而提高转移效率。电荷输入的多少,可用改变二极管偏置电压,即改变Gi来控制。CCD输出经由输出二极管。输出二极管加反向偏压的大小由输出栅控制电压G0来控制。目前商品CCD器件,一维的有512,1024,2048位等,二维的有256320,512340像素等。第2章光敏传感器2.5.2光导摄像管光导摄像管出现于20世纪60年代,以后性能得到很大改善,广泛应用于电视摄像等方面。作为摄像装置,必须有三个功能:把图像的像素图转换为相应电荷图的功能，把电荷图暂存器起来的功能和把各个像素依次读出的功能。光导摄像管就具备这三个功能。光导摄像管的结构如图3.70(a)所示。在真空管的前屏幕上设置有光电导膜和透明导电膜的阵列小单元。由电子枪射出的电子经电子透镜聚焦成电子束射向光电导膜。通过电子束扫描,读取储存在光导电子靶面上的由于入射光的激励所产生的电子图像。第2章光敏传感器图3.70光导摄像管的结构和等效电路第2章光敏传感器图3.70(b)示出了原理性的等效电路。R与C并联电路代表光电导膜的像素小单元,并假定为射束的撞击面积。工作时,用电子束逐点扫描像素小单元,把各小单元均充至电源电压V,然后中断。在光的照射下,由于光电导效应,R会变小,C则会放电,电压降低。第2章光敏传感器电压降低的多少与光强成比例,实现把图像的像素图转换为相应的电荷图,并把电荷图暂存起来。当用电子束再次逐点扫描时,如图3.70(b)所示形成闭合电路,(电子束)所放出的电荷量使C充电。充电电流大小与小单元电压降低的程度成正比。充电电流流过负载电阻RL,从而输出与强弱程度不同的光成正比的电压信号。根据这样的工作原理来扫描二维的光电膜表面,就可获得二维图像信号,完成各个像素信号的依次读出。电子束的偏转有电磁方式和静电方式两种。为使电子加速必须外加300600V的电压。第2章光敏传感器2.6 光光 纤纤 传传 感感 器器一、一、概述概述 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术,它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列优点，如不受电磁干扰,体积小,重量轻,可挠曲,灵敏度高,耐腐蚀,电绝缘、防爆性好,易与微机连接,便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等各种物理量的测量,具有极为广泛的应用前景。第2章光敏传感器光纤传感器可以分为两大类:一类是功能型（传感型）传感器;另一类是非功能型（传光型）传感器。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制过的信号进行解调,从而得出被测信号。非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传输介质。光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为212m,很细的纤芯半径接近于光源波长的长度,仅能维持一种模式传播,一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤;光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。第2章光敏传感器为了满足特殊要求,出现了保偏光纤、低双折射光纤、高双折射光纤等。所以采用新材料研制特殊结构的专用光纤是光纤传感技术发展的方向。二、二、光纤的结构和传输原理光纤的结构和传输原理 1 光纤的结构光纤的结构光导纤维简称为光纤,目前基本上还是采用石英玻璃,其结构示于图2-27。中心的圆柱体叫纤芯,围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2,在包层外面还常有一层保护套,多为尼龙材料。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质,而光纤的机械强度由保护套维持。第2章光敏传感器第2章光敏传感器2 光纤的传输原理光纤的传输原理 众所周知,光在空间是直线传播的。在光纤中,光的传输限制在光纤中,并随光纤能传送到很远的距离,光纤的传输是基于光的全内反射。当光纤的直径比光的波长大很多时,可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。设有一段圆柱形光纤,如图2-28所示,它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成角时,根据斯涅耳光的折射定律,在光纤内折射成,然后以角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射,则纤芯与界面的光线入射角应大于临界角c,即第2章光敏传感器c=arcsin(2-)并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射,直至传播到另一端面。为满足光在光纤内的全内反射,光入射到光纤端面的临界入射角c应满足下式:所以第2章光敏传感器实际工作时需要光纤弯曲,但只要满足全反射条件,光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。一般光纤所处环境为空气,则n0=1。这样在界面上产生全反射,在光纤端面上的光线入射角为c=arcsin说明光纤集光本领的术语叫数值孔径NA,即NA=sinc=（2-5）第2章光敏传感器数值孔径反映纤芯接收光量的多少。其意义是:无论光源发射功率有多大,只有入射光处于2c的光锥内,光纤才能导光。如入射角过大,如图2-28中角r,经折射后不能满足式（2-2）的要求,光线便从包层逸出而产生漏光。所以NA是光纤的一个重要参数。一般希望有大的数值孔径,这有利于耦合效率的提高,但数值孔径过大,会造成光信号畸变,所以要适当选择数值孔径的数值。三、三、光纤传感器光纤传感器 光纤传感器由于它的独特的性能而受到广泛的重视,它的应用正在迅速地发展。下面我们介绍几种主要的光纤传感器。第2章光敏传感器第2章光敏传感器 光纤加速度传感器光纤加速度传感器 光纤加速度传感器的组成结构如图2-29所示。它是一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光,透射光作为参考光束,反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时,由于质量块M对光纤的作用,从而使光纤被拉伸,引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号,经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。第2章光敏传感器第2章光敏传感器 光纤温度传感器光纤温度传感器光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而广泛使用的光纤传感器。根据工作原理可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。这里仅介绍一种光强调制型的半导体光吸收型光纤温度传感器,图2-30为这种传感器的结构原理图,它的敏感元件是一个半导体光吸收器,光纤用来传输信号。传感器是由半导体光吸收器、光纤、发射光源和包括光控制器在内的信号处理系统等组成。它体积小、灵敏度高、工作可靠,广泛应用于高压电力装置中的温度测量等特殊场合。第2章光敏传感器第2章光敏传感器这种传感器的基本原理是利用了多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性,如图2-31所示,材料的吸收光波长将随温度增加而向长波方向移动,如果适当地选定一种波长在该材料工作范围内的光源,那么就可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化,从而达到测量温度的目的。这种光纤温度传感器结构简单、制造容易、成本低、便于推广应用,可在-10300的温度范围内进行测量,响应时间约为2s。光纤旋涡流量传感器光纤旋涡流量传感器 光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入流管,当液体或气体流经与其垂直的光纤时,光纤受到流体涡流的作用而振动,振动的频率与流速有关系,测出频率便可知流速。这种流量传感器结构示意图如图2-32所示。第2章光敏传感器第2章光敏传感器第2章光敏传感器当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时,根据流体力学原理,在某些条件下,在非流线体的下游两侧产生有规则的旋涡,其旋涡的频率f近似与流体的流速成正比，即f(2-6)式中:v流速;d流体中物体的横向尺寸大小;S斯特罗哈（Strouhal）数,它是一个无量纲的常数,仅与雷诺数有关。式（2-6）是旋涡流体流量计测量流量的基本理论依据。由此可见,流体流速与涡流频率呈线性关系。第2章光敏传感器在多模光纤中,光以多种模式进行传输,在光纤的输出端,各模式的光就形成了干涉花样,这就是光斑。一根没有外界扰动的光纤所产生的干涉图样是稳定的,当光纤受到外界扰动时,干涉图样的明暗相间的斑纹或斑点发生移动。如果外界扰动是由流体的涡流引起的,那么干涉图样的斑纹或斑点就会随着振动的周期变化来回移动,这时测出斑纹或斑点移动,即可获得对应于振动频率f的信号,根据式（2-6）推算流体的流速。这种流量传感器可测量液体和气体的流量,因为传感器没有活动部件,测量可靠,而且对流体流动不产生阻碍作用,所以压力损耗非常小。这些特点是孔板、涡轮等许多传统流量计所无法比拟的。第2章光敏传感器光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用,以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管,光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。1 光电耦合器光电耦合器 光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内,一般有金属封装和塑料封装两种。耦合器常见的组合形式如图2-15所示。2.7 光电耦合器件光电耦合器件 第2章光敏传感器第2章光敏传感器图(a)所示的组合形式结构简单、成本较低,且输出电流较大,可达100mA,响应时间为34s。图(b)形式结构简单,成本较低、响应时间快,约为1s,但输出电流小,在50300A之间。图（c）形式传输效率高,但只适用于较低频率的装置中。图（d）是一种高速、高传输效率的新颖器件。对图中所示无论何种形式,为保证其有较佳的灵敏度,都考虑了发光与接收波长的匹配。光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器,它具有抗干扰性能和单向信号传输功能,广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合.第2章光敏传感器光电耦合器件工作时,在输入端接入电信号,使发光器件发光,而受光器件管芯在此光辐射的作用下输出光电流。通过电-光、光-电两次转换,进行输入端和输出端之间的电的耦合。图3.69为一种光电三极管和发光二极管组合的光电耦合器件的结构和外形。第2章光敏传感器图3.69一种光电耦合器件的结构和外形第2章光敏传感器这种器件能将输出和输入进行完全的电气隔离,以消除漏电流的影响,同时还可以使输入和输出完全没有反馈。另外,它还具有独立选择输入阻抗和输出阻抗的优点。输入与输出之间有10111012的高绝缘电阻,其分布电容只有几皮法,这就大大增强了器件的抗干扰能力和隔离性能。第2章光敏传感器2.光电开关光电开关光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收,并进行光电转换,同时加以某种形式的放大和控制,从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。图2-16为典型的光电开关结构图。图（a）是一种透射式的光电开关,它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时,会阻断光路,使接收元件接收不到来自发光元件的光,这样起到检测作用。图（b）是一种反射式的光电开关,它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时,接收元件将接收到从物体表面反射的光,没有物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触,而且与TTL、MOS等电路容易结合。第2章光敏传感器第2章光敏传感器用光电开关检测物体时,大部分只要求其输出信号有“高-低”（1-0）之分即可。图2-17是基本电路的示例。（a）、（b）表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况,（c）表示用晶体管放大光电流的情况。光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中用作物体检测，产品计数,料位检测，尺寸控制，安全报警及计算机输入接口等用途。第2章光敏传感器第2章光敏传感器图2-66纸张监控电路图第2章光敏传感器图2-69开关电路原理图第2章光敏传感器 六、六、光电传感器的应用光电传感器的应用1.火焰探测报警器火焰探测报警器图2-23是采用硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路图。硫化铅光敏电阻的暗电阻为1M，亮电阻为0.2M(光照度0.01W/m2下测试的)，峰值响应波长为2.2m。硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为6V，电流约为6。V2管集电极电阻两端并联68F的电容，可以抑制100Hz以上的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。V2、V3构成二级负反馈互补放大器，火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度，保证火焰报警器能长期稳定地工作。第2章光敏传感器第2章光敏传感器2.光电式纬线探测器光电式纬线探测器 光电式纬线探测器是应用于喷气织机上，判断纬线是否断线的一种探测器。图2-24为光电式纬线探测器原理电路图。当纬线在喷气作用下前进时，红外发射管VD发出的红外光，经纬线反射，由光电池接收，如光电池接收不到反射信号时，说明纬线已断。因此利用光电池的输出信号，通过后续电路放大、脉冲整形等，控制机器正常运转还是关机报警。由于纬线线径很细，又是摆动着前进，形成光的漫反射，削弱了反射光的强度，而且还伴有背景杂散光，因此要求探纬器具备高的灵敏度和分辨力。为此，红外发光管VD采用占空比很小的强电流脉冲供电，这样既保证发光管使用寿命，又能在瞬间有强光射出，以提高检测灵敏度。一般来说，光电池输出信号比较小，需经放大、脉冲整形以提高分辨力。第2章光敏传感器第2章光敏传感器3.燃气热水器中脉冲点火控制器由于煤气是易燃、易爆气体，所以对燃气器具中的点火控制器的要求是安全、稳定、可靠。为此电路中有这样一个功能，即打火确认针产生火花，才可打开燃气阀门；否则燃气阀门关闭，这样就保证使用燃气器具的安全性。图2-25为燃气热水器中的高压打火确认电路原理图。在高压打火时，火花电压可达一万多伏，这个脉冲高电压对电路工作影响极大，为了使电路正常工作，采用光电耦合器VB进行电平隔离，大大增强了电路抗干扰能力。当高压打火针对打火确认针放电时，光电耦合器中的发光二极管发光，耦合器中的光敏三极管导通，经V1、V2、V3放大，驱动强吸电磁阀，将气路打开，燃气碰到火花即燃烧。若高压打火针与打火确认针之间不放电，则光电耦合器不工作，V1等不导通，燃气阀门关闭。第2章光敏传感器第2章光敏传感器本章习题本章习题P1321，2，3，4，5，911，12，13