新型传感器第二章精品文稿.ppt

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1、新型传感器第二章第1页，本讲稿共50页概述概述 利用半导体的光电效应来接受和探测光利用半导体的光电效应来接受和探测光信号为电信号的功能器件。信号为电信号的功能器件。u什么是什么是新型固态光电传感器？新型固态光电传感器？定义：定义：光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及线光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及线性光敏传感器等。性光敏传感器等。第2页，本讲稿共50页已从已从可见光波可见光波段，延伸到段，延伸到红外光红外光区和区和紫外光紫外光区区。探测光源的波长：探测光源的波长：第3页，本讲稿共50页应用：应用：1、检测直接引起光强变化、检测直接引起光强变化的非电量，如光强、的非电量

2、，如光强、辐射辐射测温测温2、检测能转换成光量变化的其他非电量，如位移、速度、检测能转换成光量变化的其他非电量，如位移、速度第4页，本讲稿共50页红外夜视镜第5页，本讲稿共50页2。1普通光敏器件阵列普通光敏器件阵列一、象限探测器一、象限探测器-将将整整块块的的光光敏敏器器件件敏敏感感面面分分隔隔成成若若干干面面，利用利用光电效应光电效应来探测光信号。来探测光信号。原理：原理：。第6页，本讲稿共50页有光敏电阻、光电二极管、硅光电池等。有光敏电阻、光电二极管、硅光电池等。典型的光敏器件：典型的光敏器件：(1)光敏电阻结构、外形：光敏电阻结构、外形：第7页，本讲稿共50页用用来来确确定定光光点点

3、的的坐坐标标测测量量、光光点点在在二二维维平平面面上上的的位位置坐标，一般用于准直、定位、跟踪等方面。置坐标，一般用于准直、定位、跟踪等方面。应用：应用：同普通二极管同普通二极管多数情况下，工作在反偏多数情况下，工作在反偏不加电压时，用作不加电压时，用作微型光电池微型光电池或作为或作为光电检测光电检测pn（2）光电二极管的结构：光电二极管的结构：第8页，本讲稿共50页二、坐标测量原理分析二、坐标测量原理分析1、直差测量、直差测量XYucuAuBuD4132第9页，本讲稿共50页3421直差电路直差电路uDucuA-uCuA+uB +uc+uD)(uAuBXYuB-uD第10页，本讲稿共50页二

4、、坐标测量原理分析二、坐标测量原理分析2、和差测量、和差测量XYucuBuD3124uA第11页，本讲稿共50页缺缺点点1、需要、需要分割分割，从而产生，从而产生死区死区，尤，尤其当光班其当光班很小时，死区的影响很小时，死区的影响更明显；更明显；2、若被测光斑全部落入某个象限时，输出、若被测光斑全部落入某个象限时，输出的电信号无法表示光斑位置，因此它的测的电信号无法表示光斑位置，因此它的测量范围、控制范围都不大；量范围、控制范围都不大；3、测量精度与光强变化及漂移密切相关，因、测量精度与光强变化及漂移密切相关，因此它的分辨率和精度受到限制。此它的分辨率和精度受到限制。第12页，本讲稿共50页象

5、限数象限数4光敏面直径光敏面直径(mm)14mmSPD-043A 四象限光电探测器四象限光电探测器用途：用途：0.41.1m波长信号的优良探测器，适用于光功率计、激光波长信号的优良探测器，适用于光功率计、激光测距、测速、测角、光电探测、光电信息传输等系统测距、测速、测角、光电探测、光电信息传输等系统特点：特点：在低偏置电压下可获得较高的响应度在低偏置电压下可获得较高的响应度主要技术指标：主要技术指标：应用举例应用举例第13页，本讲稿共50页一种新型光电定向系统的设计与实现一种新型光电定向系统的设计与实现 用用来来确确定定光光点点的的坐坐标标测测量量、光光点点在在二二维维平平面面上上的的位位置坐

6、标，一般用于准直、定位、跟踪等方面。置坐标，一般用于准直、定位、跟踪等方面。1基本原理基本原理光电定向是指用光电系统测定目标的方向，这是光学雷达和光学制光电定向是指用光电系统测定目标的方向，这是光学雷达和光学制导的重要组成部分导的重要组成部分1，利用光电系统可以直接、间接测定目标的方，利用光电系统可以直接、间接测定目标的方向，该系统主要由发射部分、光电探测器，信号处理电路，向，该系统主要由发射部分、光电探测器，信号处理电路，A/D转转换器和单片机、计算机显示器组成，结构框图如图换器和单片机、计算机显示器组成，结构框图如图1所示。所示。应用举例应用举例小资料第14页，本讲稿共50页2具体实现 2

7、.1发射部分 光发射电路主要由光源驱动器、光源（主要是半导体光源，包括LED（发光二极管），LD（激光二极管）等）、光功率自动控制电路等部分组成，我们用NE555组成的脉冲发射电路来驱动650nm的激光器，为了使半导体激光器克服供电电源波动、器件老化等因素的影响，确保激光器输出功率稳定，还必须有自动功率控制电路。小资料第15页，本讲稿共50页2.2接收部分 接收部分主要由四象限光电探测器组成，四象限光电探测器是把4个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像，如图2所示2，一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平

8、面，当目标成像不在光轴上时，4个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较4个光电信号的幅度大小可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位）。小资料第16页，本讲稿共50页3）实现目标的手动跟踪和自动跟踪。每个象限的光强伏值可以直接从单片机采集的数据读取；目标光源的运动轨迹可以固定光斑的半径，而通过确定光心位置坐标的改变来观察光源的运动轨迹，而且直观地把目标光源的中心坐标显示出来，但要实现目标的手动跟踪和自动跟踪，则要通过手动平移台和电控平移台来实现，目标控制是希望通过在目标控制界面下直接输入目标坐标来直接定位探测器。在计算机中输入目标的坐标，单片机接收上位机的指令，从而驱动步进电机运

9、动，把从计算机读入的数值和从步进电机读取的数值进行比较，当两者在一个很小的误差范围内时，步进电机停止运动，而光斑也到了需要达到的位置，从而实现了目标控制。自动控制是指当偏移目标时，可以通过自动控制来实现目标的跟踪，当单片机检测到从计算机读入的坐标和从电控平移台读取的坐标不一致时，就会给步进电机一个驱动指令，从而控制步进电机运动，以实现目标的自动控制。小资料第17页，本讲稿共50页三、光敏管阵列三、光敏管阵列:-是是将将N个个光光敏敏管管（光光电电二二极极管管或或光光电电三三极极管管）集集成成在在一一个个硅硅片片上上，将将各各管管的的每每一一同同极极端端连连接接在在一一起起，另另一一端端各自单独

10、引出。各自单独引出。1、定义：、定义：第18页，本讲稿共50页与分立与分立光电二极管光电二极管完全相同，只不过外型结构不同完全相同，只不过外型结构不同而已。阵列的每一个光电管称作象元，通常也称它们为而已。阵列的每一个光电管称作象元，通常也称它们为连续工作方式连续工作方式。2、工作原理及特性、工作原理及特性：第19页，本讲稿共50页信号引出比较复杂，每一个信号引出比较复杂，每一个象元象元信号的信号的引出需要一引出需要一个独立的电路，有多少个象元就需要多少路信号放大个独立的电路，有多少个象元就需要多少路信号放大和和处理电路。处理电路。3、外部电路、外部电路MUXoutABCD第20页，本讲稿共50

11、页第二节第二节 自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列(SSPD)uSSPD的内部集成了的内部集成了数字移位寄存器数字移位寄存器等电路，以等电路，以电电荷存贮方式荷存贮方式工作。工作。u与普通光电管阵列相似，与普通光电管阵列相似，自扫描光电二极管自扫描光电二极管(SSPD)也也是将是将N个光电二极管集成在一个硅片上个光电二极管集成在一个硅片上，但工作原理以及内部结构完全不同。但工作原理以及内部结构完全不同。u线阵的线阵的象元数象元数有有64、128、256、512、4096位等。位等。u分分线阵线阵、面阵面阵以及其它形式的以及其它形式的特殊列阵特殊列阵。简介：简介：-Self Scannin

12、g Photodiode Array 第21页，本讲稿共50页SDGn-Si一、电荷存贮工作原理一、电荷存贮工作原理Ip+IDCdDpAlSiO2第22页，本讲稿共50页电荷储存原理定性分析充电（预充电）积分充电（信号输出）第23页，本讲稿共50页电荷储存原理定量分析（一）电荷储存原理定量分析（一）u充充电电稳稳定定后后，p-n结结上上的电压接近的电压接近Vc。uCd上的电荷为：上的电荷为：Q=CdVc第24页，本讲稿共50页电荷储存原理定量分析（二）电荷储存原理定量分析（二）uTs内内，交交变变照照度度E(t)产产生生的平均光生电流的平均光生电流uCd上所释放的电荷：上所释放的电荷：uCd的

13、电压因放电而下降到的电压因放电而下降到Vcd：第25页，本讲稿共50页电荷储存原理定量分析（三）电荷储存原理定量分析（三）uCd上上补补充充的的电电荷荷等等于于曝曝光光时时释放的电荷。释放的电荷。u充电电流在充电电流在RL上的压降等于光生电上的压降等于光生电流在流在RL上的压降，其最大值为：上的压降，其最大值为：VLmax=Vc-Vcd=Q/Cd。u负载电阻负载电阻RL上的电流：上的电流：第26页，本讲稿共50页二、二、SSPD器件器件u移位寄存器：移位寄存器：T1TN扫描控制扫描控制(负脉冲负脉冲)。S：帧起始脉冲，：帧起始脉冲，：时钟信号时钟信号u感光部分：感光部分：D1DN排列（即排列（

14、即“线阵线阵”）u多路开关：多路开关：T1TN，漏极连在一起，组成视频输出线，漏极连在一起，组成视频输出线（即（即Vo）。）。第27页，本讲稿共50页第28页，本讲稿共50页采样脉冲出现的瞬间采样脉冲出现的瞬间(前后沿前后沿)，MOSFET形成微形成微分状尖脉冲，并串入视频输出信号，产生开关噪声。分状尖脉冲，并串入视频输出信号，产生开关噪声。输出信号VO（T）T开关噪声第29页，本讲稿共50页补偿阵列产生相同的补偿阵列产生相同的开关噪声开关噪声VN。VN和和视频输出视频输出Vs送差分放送差分放大。大。u阵列补偿电路：阵列补偿电路：第30页，本讲稿共50页第一位光电二极管输出第一位光电二极管输出

15、开关噪声信号，抵消了开关噪声信号，抵消了相邻位的开关噪声。相邻位的开关噪声。u邻近位补偿电路：邻近位补偿电路：第31页，本讲稿共50页三、光电特性三、光电特性u入射光的辐照度和积分时间入射光的辐照度和积分时间Ts的乘积的乘积。曝光量曝光量H：u光照引起光照引起SSPD器件的二极管输出电荷器件的二极管输出电荷 Q正比于曝光量。正比于曝光量。第32页，本讲稿共50页曝光量H/lx.suCd能能存存储储的的电电荷荷量量有有限限，曝曝光光量量达达到到某某一一值值Hmax后后，输输出出电电荷荷达达到到最最大大值值Qmax，称称Qmax称称为为饱饱和和电荷。电荷。u若允许的最小起始脉冲周期为若允许的最小起

16、始脉冲周期为Tsmin，那么饱和照度为：，那么饱和照度为：Es=Hs/TsminHmax输出电荷Q/pCQmax饱和曝光量饱和曝光量Hmaxu结电容结电容Cd的饱和电荷的饱和电荷Qmax=CdVc，因此，饱和曝光量为：因此，饱和曝光量为：第33页，本讲稿共50页v可用于光信息处理；文字、图像识别；传真；尺寸和位置的不接触测量；表面缺陷检测；机器视觉、光谱配量检测。第34页，本讲稿共50页I2I0I1第三节第三节 光电位置传感器光电位置传感器(PSD)一、一、PSD的结构的结构u结构：在同一硅片上制作的三层结构：结构：在同一硅片上制作的三层结构：LPNI+P层：既是光敏层，层：既是光敏层，又是高

17、掺杂的均匀的电阻层。又是高掺杂的均匀的电阻层。I层：接近本征的高阻层。层：接近本征的高阻层。N层：高掺杂的均匀的电阻层。层：高掺杂的均匀的电阻层。XA-Position Sensitive Device第35页，本讲稿共50页二、二、PSD的工作原理的工作原理u原理：光照射在光敏原理：光照射在光敏层上，层上，入射点入射点产生与产生与光能成比例的光能成比例的电荷电荷，并，并形成形成光电流光电流通过电阻层通过电阻层由电极输出。由电极输出。up层的电阻是均匀的，由电极层的电阻是均匀的，由电极和和输出的电流输出的电流I1、I2分别与光点分别与光点到各电极的距离到各电极的距离(电阻值电阻值)成反比。成反

18、比。I2I0I1LPNI+XAu电极电极上的电流为总电流上的电流为总电流I0，则，则I0I1+I2。第36页，本讲稿共50页u设光点离中心点的距离为设光点离中心点的距离为xA，有：，有：进而有进而有：I2I0I1LPNI+XA第37页，本讲稿共50页二、二、PSD及其等效电路及其等效电路n一维一维PSDu感光面：大多是细长矩形条。感光面：大多是细长矩形条。u等等效电路：并联电阻效电路：并联电阻Rsh，电流源，电流源Ip，理想二，理想二极管极管D，定位电阻定位电阻RD，结电容结电容Cj入射光点的坐标位置：入射光点的坐标位置：123第38页，本讲稿共50页n二维PSD电电流流分分路路少少、灵灵敏敏

19、度度高高，位位置置线线性性度度和和空空间间分分辨辨率率高。高。上表面形成电流上表面形成电流Ix、Ix，汇，汇总后在下表面分解形成电总后在下表面分解形成电流流Iy、Iy。上下表面都是均匀电阻层，上下表面都是均匀电阻层，并设电极。并设电极。两面分离型两面分离型电流：电流：特性：特性：结构：结构：第39页，本讲稿共50页表面分离型表面分离型结构：结构：上上表表面面是是均均匀匀电电阻阻层层。电电极在同一表面上。极在同一表面上。电流：电流：光电流在上表面分解成：光电流在上表面分解成：Ix、Ix、Iy、Iy，并作为位移信，并作为位移信号输出。号输出。特性：特性：施加偏压容易，暗电流小施加偏压容易，暗电流小

20、和响应速度快。和响应速度快。n二维二维PSD第40页，本讲稿共50页暗电流小、响应快、边缘位暗电流小、响应快、边缘位置误差小，易于加反偏电压。置误差小，易于加反偏电压。改进表面分离型改进表面分离型结构：结构：改进了光敏面和电极。改进了光敏面和电极。电流：电流：同表面分离型同表面分离型特性：特性：n二维二维PSD第41页，本讲稿共50页3、PSD转换电路转换电路312第42页，本讲稿共50页3、PSD转换电路转换电路3124第43页，本讲稿共50页1）对对光光斑斑形形状状无无严严格格要要求求，只只与与光光的的能能量量中中心心位位置置有有关，这给测量带来很多方便。关，这给测量带来很多方便。2）光敏

21、面上无须分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，）光敏面上无须分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，位置分辨率高，一维位置分辨率高，一维PSD可达可达0.2 m；3）可同时检测位置和光强：）可同时检测位置和光强：PSD器件输出的总光电流与入器件输出的总光电流与入射光强有关，射光强有关，而各信号电极输出光电流之和等于总光电流，而各信号电极输出光电流之和等于总光电流，所以从总光电流可求得相应的入射光强。所以从总光电流可求得相应的入射光强。4）光电位置传感器被广泛地）光电位置传感器被广泛地应用应用于激光束对准、位移于激光束对准、位移和振动测量、平面度检测、二维坐标检测系统等。和振动测量、平面度检测、二

22、维坐标检测系统等。与象限探测器相比，其特点是：与象限探测器相比，其特点是：第44页，本讲稿共50页应用案例第45页，本讲稿共50页案例-测距第46页，本讲稿共50页PSD可用于精密尺寸、三维空间位置和角度的测量,是近程(10m以内)实时测量飞行器位置和距离的极佳器件,如空中加油机等空间飞行器对接中可精确提供目标的相对位置、距离及角度姿态;空间光通信中位置误差信号的提取等。随着光电子技术和MEMS技术的结合,集成PSD器件系统的应用将更加广泛。第47页，本讲稿共50页第二章习题与思考第二章习题与思考1 1、什么是新型固态光电传感器？、什么是新型固态光电传感器？2 2、光敏器件有哪些？列举其应用。

23、、光敏器件有哪些？列举其应用。4 4、SSPDSSPD的感光部分是什么？的感光部分是什么？以什么方式工作以什么方式工作3 3、光电位置传感器的敏感元件是什么、光电位置传感器的敏感元件是什么?5 5、简述光电位置传感器、简述光电位置传感器(PSD(PSD）的结构、）的结构、工作原理工作原理 、它能测哪些参数？、它能测哪些参数？第48页，本讲稿共50页v。轰-6最新改型是轰油-6空中加油机，该机在翼下加装两个软式加油吊舱，能为歼-8D空中加油型战斗机进行加油。该型号取消了机头玻璃镶嵌结构的观察轰炸舱、尾炮等，尾部观察窗略有增大。该改型全机可载油37吨，输油18.5吨，约够6架歼-8D型机使用。对接

24、操作通过仪表指引和目视控制。该型机的导航系统为两套惯性导航系统组成，互为备用，加装了两套塔康导航系统，用于加、受油机空中测距和对地近程导航、定向仪。加装航向姿态系统。机头装有气象雷达。通信系统增加了两套超短波单边带电台、两部保密电台和救生电台。电子对抗设备中增装了雷达告警设备和箔条/红外诱饵投放器。为了实施夜间加油，在左右挂架两侧、左右起落架短舱内侧的尾锥内、后机务舱两侧各装了一个白光灯。加油吊舱也装有指示灯。第49页，本讲稿共50页v空中加油机空中加油机【字体大小：大 中 小】用于在空中对飞行中的飞机补充燃油的飞机。空中加油的目的是增大飞机的航程和续航时间。空中加油技术起源于第一次世界大战后

25、美国的一种航空竟技活动。1949年，英国和美国分别研制出实用的空中加油装置。苏联也研制出类似插头锥套式的装置。空中加油机多由运输机或轰炸机改装而成。所采用的空中加油装置有两类：插入锥套式：加油机上装有一根长20-30米的软管。软管一端与贮油箱相通，另一端装一锥套，通过绞盘可以收放。受油机机头或机翼前缘装有一根可伸缩的或固定的受油管。受油机飞到加油机后下方适当位置，将受油管伸进锥套，锥套内一组由弹簧制动的肘节即自动抓住受油管管嘴。这时加油管末端的单向活门正好被受油管顶开，燃油开始自动流进受油机。加完油后受油机减小飞行速度，使受油管与锥套脱开。这套空中加油装置也可装在流线型机舱内，轻型战斗机携带在机身下面，用来给同类战斗机加油。伸缩杆式（硬管式）：加油机尾部装有一根与拉杆相类似的可伸缩刚性加油杆。第一节杆的末端对称地装有两个夹角为130左右的V形舵面，用来控制加油杆的位置。受油机靠加油杆的伸缩和舵面的偏转来调整加油杆位置，使杆末端与受油机座舱后的受油口相接，自动锁定后即开始加油。第50页，本讲稿共50页