第六章光敏传感器.ppt

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1、第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用传感器技术与应用传感器技术与应用 光敏电阻传感学习目标学习目标学习目标学习目标.掌握光敏电阻传感器的结构和原理。.熟悉光敏电阻传感器的基本特性。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用光敏传感器是把光信号变成电信号的一种传感器，其并不局限于检测可见光，有的还可用于检测不可见光(包括红外线、紫外线)。光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，有光敏电阻传感器、光敏半导体传感器、光导纤维传感器、图像传感器和热释电红外传感器等，在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传

2、感器技术与应用传感器技术与应用一、一、光电效应光电效应光电器件之所以能感受光，是因为它具有光电效应，光电效应是指物体吸收光之后产生电特性变化的物理现象。光电效应可以分为三类:外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面并向外发射的现象称为外光电效应，也称光电发射效应，逸出来的电子称为光电子。根据该效应制成的光电器件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。.内光电效应 在光线作用下，物体内部释放出电子，但这些电子并不逸出物体表面，仍然留在物体内部，从而使物体的导电性能发生变化的现象称为内光电

3、效应，也称光电导效应。根据该效应制成的光电器件有光敏电阻等。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.光生伏特效应 在光线的作用下，能够使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，根据该效应制成的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏晶体管和光敏晶闸管等。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用二、二、光敏电阻传感器的结构、光敏电阻传感器的结构、原理及分类。原理及分类。.光敏电阻传感器的基本原理 如图所示为光敏电阻传感器的原理与电路符号。在均匀的具有光电导效应的半导体材料两端加上电极，便构成光敏电阻。当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压 后，便有电

4、流 流过，检流计可以检测到该电流。改变照射到光敏电阻上的光度量，发现流过光敏电阻的电流发生变化，说明光敏电阻的阻值随照射度变化。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用光敏电阻传感器的原理与符号光敏电阻传感器的原理与符号)原理原理 )电路符号电路符号第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.光敏电阻传感器的常见类型 根据半导体材料的分类，光敏电阻有两大基本类型:本征型半导体光敏电阻与杂质型半导体光敏电阻。本征型半导体光敏电阻的长波长要短于杂质型半导体光敏电阻的长波长，因此，本征型半导体光敏电阻常用于可见光波段的探测，而杂质型半导体光敏电阻常用于红

5、外波甚至远红外波辐射的探测。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.光敏电阻传感器的结构通过光电导效应可得出以下结论:()光电导材料的光电导灵敏度与光电导材料两电极间的距离有关。()光电导材料在微弱辐射作用下的光电导灵敏度与光敏电阻两电极间距离的平方成反比；在强辐射作用下的光电导灵敏度与光敏电阻两电极间距离的/次方成反比。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用因此，为了提高光敏电阻的光电导灵敏度，要尽可能地缩短光敏电阻两电极间的距离，这就是光敏电阻结构设计的基本原则，根据光敏电阻的设计原则可以设计种基本结构分别是梳形结构、蛇形结构与刻线形结构

6、，如图所示。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用光敏电阻结构示意图光敏电阻结构示意图)梳形结构梳形结构 )蛇形结构蛇形结构 )刻线形结构刻线形结构光电导材料光电导材料 电极电极 衬底材料衬底材料第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用三、光敏电阻传感器的基本特性 光敏电阻的基本特性包含光电特性、伏安特性、温度特性、时间响应特性等。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.光电特性 光敏电阻在黑暗的室温条件下，由于热激发产生的载流子使它具有一定的电导，该电导称为暗电导(其倒数为暗电阻)，一般的暗电导都很小。当有光照射在光

7、敏电阻上时，它的电导将变大，这时的电导称为光电导。光电导随着光照量变化，光电导越大，光敏电阻就越灵敏，这个特性称为光敏电阻的光电特性。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.伏安特性 光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律。因此，它具有与普通电阻相似的伏安特性，但其电阻值是随入射光度量变化的。如图所示为典型的硫化镉()光敏电阻两端电压 与流过它的电流 的关系曲线，即伏安特性曲线。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用典型的 光敏电阻伏安特性曲线第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.温度特性 光敏电阻为多数载流子导电的光

8、电器件，具有复杂的温度特性。其温度特性与光电导材料有着密切的关系。不同材料的光敏电阻有着不同的温度特性。一般而言，温度升高时。光敏电阻的灵敏度和暗电阻都会下降。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.时间响应特性 即光敏电阻对光照反应的延时特性，不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间。大多 数光敏电阻的响应时间都较长，而且具有特殊性。当用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导率要经过一定的时间才能达到稳定；当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，说明光敏电阻具有较大的惯性。光敏电阻灵敏度高，反应速度快，光谱特性好，在高温、多湿的恶劣环境下还

9、能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机、验钞机、光控灯具等。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用传感器技术与应用传感器技术与应用 光敏半导体传感器学习目标学习目标学习目标学习目标.掌握光敏半导体传感器的结构和原理。.熟悉光敏半导体传感器的基本特性。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用一、光敏二极管光敏二极管是最简单、最具有代表性的光敏半导体器件。其中，结硅光敏二极管 为最基本的光敏半导体器件，其他同类器件都是在它的基础上为提高某方面的特性而发展起来的。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.光敏二极管的结

10、构光敏二极管可分为以 型硅为衬底的 型和以 型硅为衬底的 型两种结构形式。如图所示为 型光敏二极管的结构及其电路符号，在高阻(轻掺杂)型硅片上通过扩散或注入的方式生成很浅的 型层，形成 结。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用 型光敏二极管)结构 )电路符号第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.光敏二极管的工作原理光敏二极管的工作原理如图所示。型光敏二极管的工作原理第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用当光子入射到结形成的耗尽层内时，结中的原 子吸收了光子的能量，并产生本征吸收，激发出电 子空穴对，在耗尽区内建电

11、场的作用下，空穴被拉到 区，电子被拉到 区，形成反向电流，该电 流即为光电流。光电流在负载电阻上产生与入射光度量相关的信号输出。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.光敏二极管的基本特性()光谱特性以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光敏二极管时，其电流灵敏度(入射到光 敏二极管光敏面上的辐射量变化时，将产生电流的变化，电流变化与辐射量变化之比称为光敏二极管的电流灵敏度)与波长的关系称为光谱特性。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用()时间响应特性以频率调制的光辐射作用于结光敏二极管的光敏面时，结光敏二极管电流的产生经过 个过程，分别是:

12、)在结区内产生的光生载流子渡越结区的时间，在此区间光生载流子以漂移运动的方式渡越结区，故称这段时间为漂移时间。)在结区外产生的光生载流子需要扩散到结内才能产生电流，称这段时间为扩散时间。)由于结电容和管芯电阻及负载电路构成时间的延迟，称这段时间为延迟时间。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用()噪声特性光敏二极管的噪声包含低频噪声、散粒噪声和热噪声。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用二、光敏晶体管.光敏晶体管的结构光敏晶体管与普通晶体管一样有两种结构，即 结构与 结构。用 型硅材料为衬底制作的光敏晶体管为 结构，称为 型；用型硅材料为衬

13、底制作的光敏晶 体管为 结构，称为 结构。如图所示为 型光敏晶体管的结构及电路符号。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用 型光敏晶体管型光敏晶体管)结构结构 )电路符号电路符号第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.光敏晶体管的工作原理 光敏晶体管的工作原理分为光电转换和光电流放大两个过程。下面以 型硅光敏晶体管为例，说明其工作原理。型光敏晶体管的工作原理第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用光电转换过程与一般光敏二极管相同，在集基 结 区进行。光激发产生的电子空穴对在反向偏置的 结内 电场作用下，电子流向集电区被

14、集电极所收集。而空穴流向基区，与正向偏置的发射电子流一起形成基极电流 ，基极电流放大 倍就是集电极电流，这与晶体管的放大原理相同。不同的是一般晶体管是由基极向发射结注入空穴载流子控制发射极的扩散电流，而光敏晶体管是由注入发射结的光生电流控制。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.光敏晶体管的基本特性()伏安特性光敏晶体管在偏置电压为零时，无论光照度有多强，集电极电流都为零，说明光敏晶体管必须在一定的偏置电压作用下才能工作，偏置电压要保证光敏晶体管的发射结处于正向偏置，而集电结处于反向偏置。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用()时间响应特

15、性光敏晶体管的时间响应与 结的结构及偏置电路等参数有关，而且与光敏晶体管输出电流有关。增大输出电流可以缩短响应时间，提高光敏晶体管的频率响应。()温度特性光敏晶体管的暗电流和光电流均与温度有关。()光谱特性光敏晶体管与光敏二极管具有相同的光谱特性。光敏二极管和光敏晶体管的应用非常广泛，如光耦合器、亮度测量等，应根据实际应 用场合进行选择。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用传感器技术与应用传感器技术与应用 光纤传感器学习目标学习目标学习目标学习目标.熟悉光纤及光纤传感器的结构、原理及分类。.了解光纤传感器的特点及应用。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用

16、传感器技术与应用光导纤维简称光纤，是 世纪后期发展起来的新型光电子技术材料，在世纪年代开始用于传感器领域。光纤传感器是把光信号转换成电信号，可以直接检测引起光量变化的非电荷量。光纤传感器是将待测量和光纤内的光导联系起来形成的。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用光纤传感器具有良好的传光性能，的体积小、质量轻、灵敏度高，并且可以在强电磁干扰、高温高压、化学腐蚀等恶劣条件下工作，同时它还便于与计算机相连，具有智能化和远距离监控等优点。因此，光纤传感器广泛地应用于压力、温度、角速度、加速度、振动磁场等物理量的测量，同时它还广泛地应用于医疗、交通、电力、机械、航空航天等高科

17、技领域。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用一、一、光纤结构及传光原理光纤结构及传光原理.光纤的结构 光纤是一种用于传输光信息的多层介质结构的对称圆柱体，基本结构包括纤芯、包层、涂覆层、外层，如图所示。纤芯的材料主体是由石英玻璃或塑料制成的圆柱体，直径为 。围绕着纤芯的一层称为包层，直径为 ，也由石英玻璃或塑料制成，纤芯的折射率稍大于包层的折射率，包层外是涂覆层。其作用是保护光纤不受外来损害，增加光纤的力学强度。光纤的最外层是一层不同颜色的塑料管套，一方面起保护作用，另一方面可用颜色来区分各种光纤。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.光

18、纤的传光原理 光纤就是利用光的完全内反射原理传输光波的一种媒质。光导纤维由高折射率的纤芯 和低折射率的包层 组成，如图所示。当光线由折射率较大的光密介质(纤芯)射向折射率较小的光疏介质(包层)时，就会产生折射和反射，如果加大入射角，即入射光不进入包层，全部被纤芯和包层的交界面反射，并在光纤内部以同样的角度不断地反射，成“之”字形向前传播，这样光波就从光纤的一端迅速传播到另一端。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用光纤的基本结构光纤的基本结构 光在光纤中传播光在光纤中传播第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用二、二、光纤传感器的组成与分类光纤

19、传感器的组成与分类.光纤传感器的组成 光纤传感器一般由光源、光纤、光传感元件(光电探测器)、光电转换元件(光调制 机构)和信号处理等部分组成。其原理为:光源发出光，经过光纤进入光传感元件，在光传感元件中受到周围环境的影响而发生变化的光再进入调制机构，由调制机构将光传感元件测量、检测的参数调制成幅度、相位等信息，最后利用微处理器进行信号处理后，将信号输出，如图所示。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用光纤传感器结构图光纤传感器结构图第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.光纤传感器的分类 光纤传感器有很多种分类方法，下面按照光纤传输模数和光纤

20、在传感器中的作用来分类。()按光纤传输模数分类按光纤传输模数可分为单模光纤传感器和多模光纤传感器两大类。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用)单模光纤传感器。单模光纤通常指阶跃型的，直径很小的光纤，其特点是:纤芯折射率是均匀阶跃分布的，包层内的折射率分布大体也是均匀的，折射率为常数。光纤传输模数很小，原则上只能传送一个模的光纤，常用于光纤传感器的纤芯直径仅有几微米，十分接近波长的情况下，传输性好，频带宽，具有较好的线性。但因单模光纤纤芯小，难以制造和耦合。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用)多模光纤传感器。多模光纤通常指阶跃型的，直径很

21、大，传输模数较多的光纤。多模光纤的纤芯直径达几十微米以上，纤芯直径大于波长。这类光纤性能较差，带宽较窄，但容易制造，耦合方便。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用()按光纤在传感器中的作用分类 按光纤在传感器中的作用可分为两大类:一类是光导型(也称非功能型)光纤传感器，简称 型传感器，多数使用多模光纤。另一类是传感型(也称功能型)光纤传感器，简称 型传感器，使用单模光纤。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用)光导型光纤传感器(非功能型传感器)。其光纤的作用仅作为传播光的介质，不是敏感元件，即只传不感，对外界信息的“感觉”只能依靠其他物理性

22、质的功能元件完成。传感器中的光纤不是连续的，中断的部分要接上其他介质的敏感元件，调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用光导型光纤传感器又分为两种:一种是将敏感元件置于发射、接收的光纤中间，由敏感元件遮挡光路，使敏感元件的光透过率发生某种变化，这样受光的光敏元件所接收的光量就成为被测对象参数调制后的信号，如图所示。另一种是在光纤终端设置“敏感元件 发光元件”的组合体，敏感元件感知被测对象参数的变化，并将其转换为电信号输出给发光元件，光敏元件以发光强度作为测量信息，如图所示。在实际应用中要求光纤能传更多的光量，所以采用多模光纤

23、。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用)传感型光纤传感器(功能型光纤传感器)。传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检查功能的光纤作为传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。这类传感器不仅起传光的作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下使其光学特性发生变化(光强、相变等)的特性，实现了“传”和“感”的功能。这类传感器中的光纤是连续的，如图所示。这类传感器又分为光强调制型、相位调制型、偏振态调制型、波长调制型等。由于光纤本身也是敏感元件，所以加长光纤的长度也可以提高灵敏度。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用光纤传感器原理结构

24、图光纤传感器原理结构图)非功能型光纤非功能型光纤 )非功能型光纤非功能型光纤 )功能型光纤传感器功能型光纤传感器第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用功能型光纤传感器在结构上比光导型光纤传感器简单，因为光纤是连续的，可以少用一些光耦合器件，但是为了光纤能接受外界物理量的变化，往往需要采用特殊光纤探头，这样就增加了传感器的制造难度，所以结构也比较复杂，调整比较困难。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.温度的检测 光纤温度传感器具有抗电磁干扰、绝缘性能高、耐腐蚀、使用安全等特点，应用越来越广泛。三、三、光纤传感器的应用举例光纤传感器的应用举例

25、第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用()遮光式光纤温度计 如图所示为一种简单利用水银柱来升降温度的光纤温度开关。温度升高，并上升到某一设定温度时，水银柱将两根光纤间的光路遮断，从而使输入的光强产生一个跳变。这种光纤温度计可用于对设定 温度的控制，温度设定值灵活。水银柱式光纤温度开关水银柱式光纤温度开关浸液浸液 自聚焦透镜自聚焦透镜光纤光纤 水银水银第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用()双金属热变形遮光式温度计 如图所示，当温度升高时，双金属的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移，从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量的温

26、度，检测精度约为.。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需要几分钟。双金属热变形遮光式光纤温度计双金属热变形遮光式光纤温度计第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.光纤压力、振动传感器 光纤压力、振动传感器可分为传输型光纤压力、振动传感器和功能型光纤压力、振动传感器。多模光导纤维受到压力等非电荷量调制后，产生弯曲变形，因为变形导致其散射损失增加，从而减少所传输的光量，检测出光量的变化即可测知压力、振动等非电量。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用多重曲折压力传感器如图所示。将光纤放置在两块承压板之间，承压板受压后使光纤产

27、生弯曲变形，因而影响其传输特性，传输损失明显增加，这种传感器对压力变化具有较高的灵敏性，可检测的最小压力为。光纤振动传感器如图所示。将光纤弯曲成形结构，在形光纤顶部加上的振幅振动力，在输出端可测出光强有百分之几的振幅调制输出光，利用这一原理测量振动。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用多重曲折压力传感器 光纤振动传感器第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用传输型光纤压力、振动传感器是在光纤的一个端面上配上一个压力敏感元件和振动敏感元件构成的，光纤本身只起着光的传导作用。这类传感器不存在电信号，所以应用于医疗方面比较安全。第六章光敏传感器第六

28、章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用传感器技术与应用传感器技术与应用 图像传感器学习目标学习目标学习目标学习目标.掌握 图像传感器的结构、原理与分类。.熟悉 图像传感器的应用。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用图像传感器是按一定规律排列的(金属氧化物半导体)电容器组成的阵列，其结构示意图如图所示。在 型或 型硅衬底上生长一层很薄(约 )的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极，形成规则 的电容阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了 芯片。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用 结构示意图结构示意图第六章光敏传

29、感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用二、二、图像传感器的原理图像传感器的原理图像传感器是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或电压为信号。其工作原理是被摄物体反射光线到器件上，图像传感器根据光的强弱积聚相应的电荷，产生与光电荷量成正比的弱电压脉冲信号，经过滤波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用三、三、芯片的驱动时序芯片的驱动时序若衬底是型，在栅极加正电压，衬底接地，则在 和衬底之间形成一个对电子来说的势阱，这个势阱具有储存电荷的功能。下图中，每个光敏元件(像素)

30、对应有三个转移栅电极，光照射到光敏元件上，会产生电子空穴对(入射光强则产生电荷多，弱则产生电荷少)，电子被吸入势阱中；无光照的光敏元件则无光生电荷。在无转 移时钟前，把光的强弱变成与其成正比的电荷数量。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用通过转移时钟、实现电荷的转移和输出，、的时序如图所示。其工作原理是:时刻，是高电平，于是在电极下形成势阱，并将电子吸引 在 和衬底交界处，如第个光敏元产生的电子，而、是低电平；的高电平有所下降，变成高电平，仍是低电平，这样电极下的势阱最深，且和电极下的势阱交迭，因此，存储在电极 下面势阱中的电荷逐渐扩散并漂移到电极下面的势阱中，电极

31、上的电平无变化(势阱中的电荷不能往电极 下面漂移和扩散)；第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用 时刻，变成低电平，仍为高电平，仍为低电平，电荷被完全转移到电极 下面的势阱中，这样便完成了电荷从电极 到电极 的转移。如此继续下去，在最靠近输出端的第 个光敏元件所产生的电荷被第一个输出，第 个光敏元件的电荷被转移到第 个光敏元件的势阱中，这样依次不断地向外输出。根据输出信号的先后顺序可辨别电荷是从哪个光敏元件产生的，根据输出信号的大小可判断该光敏元件受光的强弱。其电荷转移过程如图所示。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用转移时钟的时序转移时钟

32、的时序 电荷转移过程电荷转移过程第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用四、四、图像传感器的分类图像传感器的分类图像传感器按光敏元件的排列方式有线阵和面阵之分。线阵是指在一块硅芯片上制造了紧密排列的许多光敏元件，它们排列成一条直线，感受一维方向的光强变化；面 阵是指将光敏元件排列成二维平面矩阵，感受二维图像的光强变化。线阵的光敏元件数目从个到个甚至更多；而在面阵中，光敏元件的 数目可以是个、个等。图像传感器按色彩还有单色和彩色之分，其中，彩色图像传感器可拍摄色彩逼真的图像。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用五、五、图像传感器的选用图像传感器

33、的选用.图像传感器的选择()采样频率的选择。根据采样定理，若已知图像的最大空间频率 (线数/)，则采样频率应大于。例如，已知 线/，则采样频率 线/，即采样尺 寸 /(分辨率)。()合理选择动态特性，保证转换后图像不失真。若 的动态响应截止频率为。则所测量的图像光强随时间变化的频率不能大于。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.图像传感器的应用 图像传感器除了大规模应用于数码相机外，还广泛应用于摄像机、扫描仪以及工业领域等。此外，在医学中为诊断疾病或进行显微手术等而对人体内部进行的拍摄中，也大量应用了图像传感器及相关设备。如常用 图像传感器进行工件尺寸自动检测。通常

34、，自动检测工件尺寸的系统有一个测量台，在其上装有光学系统、图像传感器和微处理器等。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用被测工件成像在图像传感器的光敏阵列上，产生工件轮廓的光学边缘；时钟和扫描脉冲电路对每个光敏元件依次询问，视频输出馈送到脉冲计数器，并把时钟也选送入脉冲计数器；启动阵列扫描的扫描脉冲用来把计数器复位到零，复位之后，计数器计算和显示由视频脉冲选通的总时钟脉冲数，显示数就是工件成像覆盖的光敏元件数目，根据该数目即 可计算工件尺寸。如图所示为图像传感器的成像原理。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用 图像传感器的成像原理图像传感器

35、的成像原理第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用传感器技术与应用传感器技术与应用 热释电红外传感器学习目标学习目标学习目标学习目标.掌握热释电红外传感器的结构和原理。.熟悉热释电红外传感器的基本组成。.熟悉热释电红外传感器的应用。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用一、一、热释电红外传感器的结构及组成热释电红外传感器的结构及组成红外线是一种人眼看不见的光线。任何物体，只要它的温度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射，其物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外线的能量就越强。波长为.的红外辐射被物体吸收时，可以显著地转化

36、为热能。热释电红外传感器是一种以非接触的形式感应红外辐射并将其转换为电信号的仪器，主要由传感器探测元、滤光片和场效应管等组成。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用其中，传感器探测元由一种高热电材料制成，在每个探测器内装有两个反极性串联的探测元，以抑制高温产生的干扰；滤光片使传感器对左右的红外光敏感；场效应管主要用于完成阻抗变换。其外形及结构示意图如图所示。热释电红外传感器外形及结构示意图热释电红外传感器外形及结构示意图)外形外形 )结构示意图结构示意图第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用在热释电红外传感器前方安装有菲涅耳透镜，它是一种特殊

37、的透镜组，每个透镜单元都有一个不大的视场，相邻的两个透镜单元既不连续也不重叠，都相隔一个盲区，可将透镜前运动的发热体发出的红外光转变成红外信号，使传感器正常工作。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用二、二、热释电红外传感器的原理热释电红外传感器的原理热释电红外传感器是根据热释电效应制成的，热释电效应指的是当电石、水晶等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其表面产生电荷的现象。根据此效应制成的“铁电体”表面的电荷量与其温度有关。当红外辐射照射到已经极化的“铁电体”薄片表面时，引起薄片温度升高，使其极化强度()降低，表面电荷减少，相当于释放一部

38、分电荷，所以叫作热释电型传感器。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用如果将负载电阻与“铁电体”薄片相连，则负载电阻上将产生电信号输出，输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而可以反映出入射红外辐射的强弱，如图所示。入射红外辐射强弱的检测原理入射红外辐射强弱的检测原理第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用三、三、热释电红外传感器的选用热释电红外传感器的选用.热释电红外传感器的选择 选用热释电红外传感器时主要从性能指标、使用环境和工作条件等方面加以考虑，其中性能指标包括测温范围、工作波长、测量精度、响应时间等；使用环境和工作条件则包括环境温

39、度、窗口、显示和输出、保护附件等；另外还要结合使用是否方便、维修和校准是否便捷以及价格等各方面因素进行综合比较。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用()确定测温范围 测温范围是传感器最重要的一个性能指标，每种型号的传感器都有自己特定的测温范围。确定被测温度范围时一定要考虑准确、周全，既不要过窄，也不要过宽。()确定响应时间 响应时间表示热释电红外传感器对被测温度变化的反应速度，即为到达最后读数所需要的时间。响应时间的大小与探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关，应根据具体情况进行选择。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用()环境条件

40、 热释电红外传感器所处的环境条件对测量结果有很大影响，应加以考虑，否则会影响测温精度甚至引起传感器的损坏。当环境温度过高，或存在灰尘、烟雾和蒸汽时，可选用厂商提供的保护套，水冷却、空气冷却系统，空气吹扫器等附件。这些附件可有效地降低环境的影响并保护传感器，实现准确测温。在选用附件时，应尽可能要求标准化配件，以降低安装成本。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用.热释电红外传感器的应用举例 由于热释电红外传感器具有功耗小、成本低、灵敏度高、隐蔽性好等特点，已广泛应用于日常生活中。遥控器就是利用热释电红外传感器进行工作的，是其在生活中的典型应用。以家用电视机为例，其红外线遥控系统由红外线发射和红外线接收两部分电路组成。红外线遥控电路方框图红外线遥控电路方框图第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用红外线遥控发射电路和操作按键都装在遥控器的盒内，它由键盘矩阵、编码调制放大电路、晶体振荡电路和红外发光二极管组成。发光二极管可以发出人眼看不见的间 断的红外线。按动操作键盘上的每一个功能键，电路对相应的指令信号进行脉冲编码 调制(采用 方式)，再经放大后驱动发光二极管，将功能信号以红外线的形式发射出去。第六章光敏传感器第六章光敏传感器传感器技术与应用传感器技术与应用谢谢谢谢