第八章 光电、光纤式传感器

nullnull目录本章主要内容 概述 8.1 光电效应及器件 8.1.1 外光电效应 8.1.2 内光电效应 （1）光电导效应（2）光生伏特效应 8.2 固体图像传感器 （1）CCD工作原理 （2）控制方式 8.3 高速光电器件 （1）PIN结光电二极管 （2）雪崩式光电二极管 8.4 光电传感器应用 8.5 光栅 8.6 光电码盘 8.7 光纤传感器 8.7.1 结构组成 8.7.2 导光原理 8.7.3 分类 8.7.4 工作类型null本章主要内容 掌握光电效应以及根据光电效应制成的光电器件 了解CCD的工作原理，了解其驱动电路 了解高速光电器件工作原理 了解光栅的工作原理，莫尔条纹的产生机理 了解光电编码器的工作原理 掌握光纤传感器的工作原理 null光源光通路光电元件测量电路光量光量电量电量输出x1x2 光电式传感器的组成概述：光电式传感器的组成8.1 光电效应及器件 所谓光电效应是指物体吸收光能以后转化为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。又可分为内光电效应和外光电效应两类。 8.1.1 外光电效应 在光的照射下，使电子逸出物体 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面而产生的光电子发射的现象叫外光电效应。 null根据爱因斯坦的假设：一个电子只能接受一个光子的能量。因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量 大于 该物体表面的逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A.因此对某特定材料而言，将有一个频率限 （或波长限 ) 而入射光的频率低于 时（或波长大于 ）不论入射光有多强，也不能激发电子；当入射频率高于 时，不管它有多么微弱也使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。红限波长可用下式求得： 式中 c－光速。null1.外光电效应的器件 （1）光电管 光电管种类很多，它是个装有光阴极和阳极的真空玻璃管，如图。光阴极有多种形式：①在玻璃管内壁涂上阴极涂料即成；②在玻璃管内装入涂有阴极涂料的柱面形极板构成。阳极为置于光电管中心的环形金属板或置于柱面中心线的金属柱。 null 光电倍增管的结构如图。在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，尚装有若干个光电倍增极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。光电倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间均依次增大加速电压。设每级的培增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流倍增率将为 （2）光电倍增管null8.1.2 内光电效应 光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃人导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子—空穴对，从而使半导体材料产生电效应。 内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。 导带价带禁带null1．光电导效应 半导体受到光照时会产生光生电子—空穴对，使导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管与三极管。 (1)光敏电阻 光敏电阻是一种电阻器件，其工作原理图。null 光敏电阻中光电导作用的强弱是用其电导的相对变化来标志的。禁带宽度较大的半导体材料，在室温下热激发产生的电子—空穴对较少，无光照时的电阻(暗电阻)较大。因此光照引起的附加电导就十分明显，表现出很高的灵敏度。 为了提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小电极间的距离。对于面积较大的光敏电阻，通常采用光敏电阻薄膜上蒸镀金属形成梳状电极。null (2)光敏二极管 PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特效应工作。如图，处于反向偏置的PN结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子—空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此光照时的反向电流基本上与光强成正比。-----++++++-PNnull(3)光敏三极管 它可以看成是一个bc结为光敏二极管的三极管。其原理和等效电路见图。在光照作用下，光敏二极管将光信号转换成电流信号，该电流信号被晶体三极管放大。显然，在晶体管增益为夕时，光敏三极管的光电流要比相应的光敏二极管大倍β。 pNNcbebec光敏二极管和三极管使用应注意光源与器件的相对位置。null 2.光生伏特效应 光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着内建结电场，其方向是从N区指向P区，如图所示。当光照射到结区时，光照产生的电子—空穴对在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产生的电动势，这一现象称为光生伏特效应由于它可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。 -----+++++PN+-null光电池与外电路的连接方式有两种：一种是把PN结的两端通过外导线短接，形成流过外电路的电流，这电流称为光电池的输出短路电流( )，其大小与光强成正比；另一种是开路电压输出，开路电压与光照度之间呈非线性关系；光照度大于10001x时呈现饱和特性。因此使用时应根据需要选用工作状态。PNV+-PNmA+-null8.2 固态图像传感器 8.2.1 CCD的基本原理 CCD的最小单元是在P型(或N型)硅衬底上生长一层厚度约120nm的Si02层，再在Si02层上依一定次序沉积金属(Al)电极而构成金属—氧化物—半导体(MOS)的电容式转移器件。这种排列规则的MOS阵列再加上输入与输出端，即组成CED的主要部分，如图所示。 null 实现电极下电荷有控制的定向转移，有二相、三相等多种控制方式。图为三相时钟控制方式。所谓“三相”，是指在线阵列的每一级(即像素)有三个金属电极P1、P2和P3，在其上依次施加三个相位不同的时钟脉冲电压Φ1 Φ2 Φ3。 CCD电荷注入的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 有光注入法(对摄像器件)、电注入法(对移位寄存器)和热注入法(对热像器件)等。8.2.2 控制方式null1．PIN结光电二极管(PIN-PD) PIN结光敏二极管是以PIN结代替PN结的光敏二极管，在PN结中间设置一层较厚的工层(高电阻率的本征半导体)而制成，故简称为PIN—PD。其结构原理如图。8.3 高速光电器件null2．雪崩式光电二极管(APD) APD是在PN结的P型区一侧再设置一层掺杂浓度极高的P’层而构成。使用时，在元件两端加上近于击穿的反向偏压。null8.4 光电式传感器应用 （1） 光电物位传感器 光电物位传感器多用于测量物体之有无、个数、物体移动距离和相位等。按结构可分为遮光式和反射式两类。遮光式光电物位传感器是将发光元件和光电元件以某固定距离对置封装在一起构成的。遮光式光电物位传感器反射式光电物位传感器null（2）尺寸测量 尺寸测量是用线型CCD传感器测量物体尺寸的基本原理。尺寸测量的基本原理null(3)形状检测 　　利用带有高速快门的CCD‘摄像机对被测对象摄像，获得被测对象的图像，从而剔除不合格晶或进行分选。这种方法可用于剔除瓶盖、金属或玻璃容器的不合格品，也可 用于禽蛋、水果、蔬菜和鲜鱼等物品的形状和鲜度判别。与前述方法不同的是，需要根据不同的被测对象确定若干特征参数，并在某一电平上二值化。null（4） 细丝类物件的在线检测 如图所示， 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 激光从轴线垂直方向照射被测对象，利用图示光学系统使激光光束平行扫描，并测出被测对象遮断光束的时间，经过运算求出直径值。由于细丝类物件在加工过程中会产生振动或抖动，因此需要通过运算进行修正。设y为扫描速度，v为被测对象振动速度，D为被测对象的直径，r为扫描时间，则存在下列关系：被测直径为:8.5 光栅 8.5 光栅 计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。 L≈W/θ ，（θ为主光栅和指示光栅刻线的夹角） 光栅的刻线宽度W莫尔条纹的宽度Lnull莫尔条纹演示光栅输出信号（电压正弦波）光栅输出信号（电压正弦波）余弦信号正弦信号零位信号8.6 光电码盘8.6 光电码盘数字式传感器: 把输入量转换成数字量输出 优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用计算机处理。 最简单的数字式传感器是编码器(ADE) 角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺） 原理分类：电触式、电容式、感应式和光电式等 工作原理工作原理用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。 1－光源 2－柱面镜 3－码盘 4－狭缝 5－元件 码盘和码制码盘和码制6位二进制码盘根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。 8.7 光纤传感器 8.7 光纤传感器 8.7.1 光纤结构组成 光纤波导简称光纤，它是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率，n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。光纤全反射演示8.7.2 光纤导光原理8.7.2 光纤导光原理当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射 （a）折射角大于入射角： （b）临界状态： （c）全反射 ：null8.7.2 光纤导光原理当θr =90°的临界状态时， Sin θi定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture） 相对折射率差 arcsinNA是一个临界角， θi > arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失； θi < arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。 null传感器光学现象被测量光纤分类干涉型 相位调制光线传感器干涉（磁致伸缩） 干涉（电致伸缩） Sagnac效应 光弹效应 干涉电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PMa a a a a      非     干     涉     型   强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、黑体辐射 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 气体分子吸收 光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位MM MM MM SM MM MM MMb b b b b b b偏振调制光纤温度传感器法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移SM MM SM MMb,a b b b频率调制光纤温度传感器多普勒效应 受激喇曼散射 光致发光速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度MM MM MMc b b注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型 8.7.3 光纤传感器的分类null8.7.4 光纤传感器的工作类型光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能型传感器又称NF型光纤传感器。 （1）功能型光纤传感器（1）功能型光纤传感器 这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。（2）非功能型光纤传感器（2）非功能型光纤传感器 传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电 转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。