《光电式传感器》PPT课件.ppt

第8章 光电式传感器,8.1 光电器件 8.2 光纤传感器,8.1 光电器件,1. 外光电效应 一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。 光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：,E=h,（8-1）,式中： h普朗克常数=6.626×10-34(J·s) 光的频率（s-1）。,所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大； 反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、 光电倍增管等。 光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射， 超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理,（8-2）,2. 内光电效应 在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类： （1） 光电导效应# 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。 （2） 光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。,8.1.1 光敏电阻 1. 光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件，其常用的材料有硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）、锑化铟（InSb）等。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下。,光敏电阻的结构很简单，图8-2（a）为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案， 如图8-1（b）所示。 图8 - 2（c）为光敏电阻的接线图。,图 8-2 光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图,2.光敏电阻的主要参数 (1) 暗电阻与暗电流 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流成为暗电流。 (2) 亮电阻与亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 (3) 光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，即暗电流要小，亮电流要大，则光敏电阻的性能越好，灵敏度也高。光敏电阻暗电阻的阻值一般为兆欧数量级，亮电阻在几千欧以下。,3. 光敏电阻的基本特性 (1) 伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图8-3为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线。说明其阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。 （2）光照特性 光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图8-4为硫化镉光敏电阻的光照特性。,图 8-3 硫化镉光敏电阻的伏安特性,图8-4 光敏电阻的光照特性,图8-5 光敏电阻的光谱特性,(3) 光谱特性 光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。图8-5 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区， 常用做火焰探测器的探头。,图8-6 光敏电阻的频率特性,（4） 频率特性 实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。 大多数的光敏电阻时间常数都较大， 这是它的缺点之一。 不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级）， 因而它们的频率特性也就各不相同。 图8-6为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性， 相比较，硫化铅的使用频率范围较大。,图 8-7 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性,(5) 温度特性 光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图8-7为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻， 其温度影响要小一些。 光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。,8.1.2 光敏二极管和光敏晶体管 1. 结构原理 光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图8-8）。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图8-9），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。,图 8-8 光敏二极管结构简图和符号,图 8-9 光敏二极管接线图,光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，如图8-10（a）所示，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。 光敏晶体管接线如图8-10（b）所示，大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压， 当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。,光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。图8-11是达林顿光敏管的等效电路，它是一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流放大，所以输出电流能力大大加强，甚至可以不必经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。但由于无光照时的暗电流也增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电变换。,图 8 10 NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路,图8-11 达林顿光敏管的等效电路 (a) 结构简化模型； (b) 基本电路,2. 基本特性 (1) 光谱特性 光敏管的光谱特性是指在一定照度时， 输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。硅和锗光敏二（晶体）极管的光谱特性曲线如图8-12所示。从曲线可以看出，硅的峰值波长约为0.9m，锗的峰值波长约为1.5m， 此时灵敏度最大，而当入射光的波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。一般来讲， 锗管的暗电流较大，因此性能较差， 故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光的探测， 用锗管较为适宜。,图 8-12 光敏二极(晶体)管的光谱特性,(2) 伏安特性 图8-13（a）为硅光敏二极管的伏安特性，横坐标表示所加的反向偏压。当光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大， 在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行，所以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。 图8-13（b）为硅光敏晶体管的伏安特性。 纵坐标为光电流， 横坐标为集电极-发射极电压。 从图中可见， 由于晶体管的放大作用， 在同样照度下， 其光电流比相应的二极管大上百倍。,图 8-13 硅光敏管的伏安特性 (a) 硅光敏二极管; (b) 硅光敏晶体管,图8-14 光敏晶体管的频率特性,（3） 频率特性 光敏管的频率特性是指光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间达10s。光敏晶体管的频率特性受负载电阻的影响，图8-14为光敏晶体管频率特性，减小负载电阻可以提高频率响应范围，但输出电压响应也减小。 ,图 8-14 光敏晶体管的温度特性,(4) 温度特性 光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特性曲线如图8-15所示。 从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响很小(图(b)，而对暗电流影响很大(图(a)， 所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。,图8-15 光敏晶体管的温度特性曲线,8.1.3 光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件，光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。图8-16是硅光电池原理图。它实际上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时， 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。,图 8-16 硅光电池原理图 (a) 结构示意图； (b) 等效电路,光电池基本特性有以下几种： (1) 光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。 图8-16为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知， 不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8m附近，硒光电池在0.5m附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.41.2m，而硒光电池只能为0.380.75m。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。,(2) 光照特性# 光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。图8-18为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。从图中看出， 短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了。因此用光电池作为测量元件时， 应把它当作电流源的形式来使用， 不宜用作电压源。,图8-17 硅光电池的光谱特性,图 8-18 硅光电池的光照特性,（3） 频率特性 图8-19分别给出硅光电池和硒光电池的频率特性，横坐标表示光的调制频率。由图可见，硅光电池有较好的频率响应。,图8-19 硅光电池和硒电池的频率特性,(4) 温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标， 因此温度特性是光电池的重要特性之一。硅光电池的温度特性如图8-19所示。从图中看出，开路电压随温度升高而下降的速度较快， 而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。,图 8-20 硅光电池的温度特性,8.1.4 光电耦合器件 1. 光电耦合器 光电耦合器的发光元件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。发光器件通常采用砷化镓发光二极管，其管芯由一个PN结组成，随着正向电压的增大，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加。光电接收元件可以是光敏二极管和光敏三极管，也可以是达林顿光敏管。图8-21为光敏三极管和达林顿光敏管输出型的光电耦合器。为了保证光电耦合器有较高的灵敏度， 应使发光元件和接收元件的波长匹配。,图8-21 光电耦合器组合形式,2. 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8-22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，这样就起到了检测作用。 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。,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8-23是光电开关的基本电路示例。图（a）、（b）表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况，图（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为光控制和光探测装置。可在自动控制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。,图8-22 光电开关的结构 (a) 透射式； (b) 反射式,图8-23 光电开关的基本电路,8.1.5 电荷耦合器件 电荷耦合器件（Charge Couple Device, 缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。它以电荷为信号， 具有光电信号转换、 存储、 移位并读出信号电荷的功能。CCD自1970年问世以来，由于其独特的性能而发展迅速， 广泛应用于航天、遥感、 工业、农业、天文及通讯等军用及民用领域信息存储及信息处理等方面， 尤其适用以上领域中的图像识别技术。,CCD的结构及工作原理 （1）MOS光敏元 CCD是由若干个电荷耦合单元组成。其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）光敏元，单元结构如图8-24(a)所示。它是以P型（或N型）半导体为衬底；上面覆盖一层厚度约120nm的氧化层SiO2作为电解质；再在SiO2表面依次沉积一层金属电极为栅电极。形成了金属-氧化物-半导体MOS结构元。,图8-24 MOS光敏元的结构 （a）MOS光敏元截面 （b）势阱图,当在金属电极上施加一个正电压Ug时，衬底接地，在电场的作用下，靠近氧化层的P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，从而形成一个耗尽区，它对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，称为势阱。半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱，如图8-24(b)所示。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，由此产生的光生电子就被附近的势阱所吸收，而同时产生的空穴被排斥出耗尽区，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。这样一个MOS结构元为MOS光敏元叫做一个像素，存储了电荷的势阱被称为电荷包。,通常在半导体硅片上有几百或几千个相互独立的MOS光敏元，若在金属电极上施加一正电压时，则在这半导体硅片上就形成几百个或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏元就感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。,（2）电荷移位 CCD由一系列彼此非常靠近的MOS光敏元依次排列，其上制作许多互相绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小的距离，保证相邻势阱耦合及电荷转移。对于可移动的电荷信号都将力图向表面势大的位置移动。为保证信号电荷按确定方向和路线转移， 在各电极上所加的电压严格满足相位要求，下面以三相（也有二相和四相）时钟脉冲控制方式为例说明电荷定向转移的过程。把MOS光敏元电极分成三组， 在其上面分别施加三个相位不同的控制电压1、2、3，见图8-25（b）， 控制电压1、2、3的波形见图8 - 25（a）所示。,图8-25 三相CCD时钟电压与电荷转移的关系 (a) 三相时钟脉冲波形； (b) 电荷转移过程,当t=t1时，1相处于高电平，2、3相处于低电平，在电极1、4下面出现势阱，存储了电荷。在t=t2时，2相也处于高电平， 电极2、5下面出现势阱。 由于相邻电极之间的间隙很小，电极1、 2及4、 5下面的势阱互相耦合，使电极1、 4下的电荷向电极2、 5下面势阱转移。 随着1电压下降，电极1、4下的势阱相应变浅。 在t=t3时，有更多的电荷转移到电极2、5下势阱内。在t=t4时，只有2处于高电平，信号电荷全部转移到电极2、5下面的势阱内。 随着控制脉冲的变化，信号电荷便从CCD的一端转移到终端， 实现了电荷的耦合与转移。,它实际上是在CCD阵列的末端衬底上制作一个输出二极管，当输出二极管加上反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极管的PN结所收集，在负载RL上就形成脉冲电流Io。输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻RL变为信号电压Uo输出。,图8-26 CCD输出端结构,2. CCD固态图像传感器 电荷耦合器件用于固态图像传感器中，作为摄像或像敏的器件。 CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。感光部分利用MOS光敏元的光电转换功能将投射到光敏元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器的移位功能将光生电荷“图像”转移出来，从输出电路上检测到幅度与光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转换为电信号图像。,根据光敏元件排列形式的不同，CCD固态图像传感器可分为线型和面型两种。 （1）线型CCD图像传感器 线型CCD图像传感器是由一列MOS光敏单元和一列CCD移位寄存器构成的，光敏单元与移位寄存器之间有一个转移控制栅， 基本结构如图8-27（a）所示。 转移控制栅控制光电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间远小于光积分时间。在光积分周期里，各个光敏元中所积累的光电荷与该光敏元上所接收的光照强度和光积分时间成正比， 光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移控制栅开启时，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器的相应单元。 当转移控制栅关闭时，MOS光敏元阵列又开始下一行的光电荷积累。同时，在移位寄存器上施加时钟脉冲，将已转移到CCD移位寄存器内的上一行的信号电荷由移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。,图8-27 线型CCD图像传感器 （a） 单行结构； （b） 双行结构,图8-27（b）为CCD的双行结构图。光敏元中的信号电荷分别转移到上下方的移位寄存器中，然后在时钟脉冲的作用下向终端移动，在输出端交替合并输出。这种结构与长度相同的单行结构相比较，可以获得高出两倍的分辨率；同时由于转移次数减少一半，使CCD电荷转移损失大为减少；双行结构在获得相同效果情况下，又可缩短器件尺寸。由于这些优点，双行结构已发展成为线型CCD图像传感器的主要结构形式。 线型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号， 就必须用扫描的方法。,线型CCD图像传感器主要用于测试、 传真和光学文字识别技术等方面。 (2) 面型CCD图像传感器 按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成面型CCD图像传感器。 面型CCD图像传感器有三种基本类型： 线转移型、 帧转移型和行间转移型， 如图8 - 28 所示。,图8-28（a）为线转移面型CCD的结构图。它由行扫描发生器、感光区和输出寄存器等组成。行扫描发生器将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，驱动脉冲将信号电荷一位位地按箭头方向转移，并移入输出寄存器， 输出寄存器亦在驱动脉冲的作用下使信号电荷经输出端输出。这种转移方式具有有效光敏面积大，转移速度快，转移效率高等特点，但电路比较复杂， 易引起图像模糊。,图8-28 面型CCD图像传感器结构 (a) 线转移型； (b) 帧转移型； (c) 隔离转移型,图8-28（b）为帧转移面型CCD的结构图。它由光敏元面阵（感光区）、 存储器面阵和输出移位寄存器三部分构成。图像成像到光敏元面阵， 当光敏元的某一相电极加有适当的偏压时， 光生电荷将收集到这些光敏元的势阱里，光学图像变成电荷包图像。 当光积分周期结束时，信号电荷迅速转移到存储器面阵， 经输出端输出一帧信息。当整帧视频信号自存储器面阵移出后， 就开始下一帧信号的形成。这种面型CCD的特点是结构简单， 光敏单元密度高， 但增加了存储区。,图8-28（c）所示结构是用得最多的一种结构形式。它将光敏单元与垂直转移寄存器交替排列。在光积分期间，光生电荷存储在感光区光敏单元的势阱里；当光积分时间结束，转移栅的电位由低变高， 信号电荷进入垂直转移寄存器中。随后，一次一行地移动到输出移位寄存器中，然后移位到输出器件，在输出端得到与光学图像对应的一行行视频信号。 这种结构的感光单元面积减小， 图像清晰， 但单元设计复杂。 面型CCD图像传感器主要用于图象的传感，如固体摄像器件，图象存储和图象处理器件。,8.1.6 位置敏感器件（PSD） 位置敏感器件(Position Sensitive Detector, 简称PSD)是一种对其感光面上入射光点位置敏感的器件，也称为坐标光电池，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。 PSD具有高灵敏度、 高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点， 在位置坐标的精确测量、 位置变化检测、 位置跟踪、 工业自动控制等领域得到了越来越广泛的应用。,图829 PSD结构示意图,PSD的基本结构如图829所示。PSD一般为PIN结构，上面为P层，下面为N层，在P层和N层之间有一层高电阻率的本征半导体I层，它们制作在同一硅片上。P层是光敏层，也是一个均匀的电阻层，在P层表面电阻层的两端各设置一输出极。当入射光照射到PSD的光敏层时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过P型电阻层分别由电极和电极输出。设电极、距光敏面中心点的距离分别为L，光束入射点的位置距中心点的距离为xA，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过N型层上电极的电流I0为I1与I2之和，即I0=I1+ I2。电流I1、I2分别为,（83）,（84）,由上面两式可得,（85）,由式（85）即可确定光斑能量中心相对于器件中心位置xA，它只与I1、I2电流的差值及总电流I0之间的比值有关，与入射光能的大小无关。,PSD有两种：一维PSD和二维PSD。 一维PSD主要用来测量光点在一维方向上的位置或位置移动量。图830为SI543型一维PSD的结构及等效电路图，图中，、为信号电极，为公共电极，它的感光面大多为细长的矩形条。图（b）中，Rsh为并联电阻，Ip为电流源，也就是光敏面的光生电流，VD为理想二极管，RD为定位电阻，Cj为结电容，它是决定器件响应速度的主要因素。,图830 一维PSD传感器 （a）原理结构;（b）等效电路,图831为一维PSD的位置转换电路原理图。当光电流I1经反向放大器A1放大后，分别送给放大器A3与A4，而光电流I2经反向放大器A2放大后也分别送给放大器A3与A4。放大器A3为加法电路，完成光电流I1与I2相加的运算；放大器A4为减法电路，完成光电流I1与I2相减的运算；放大器A5用来调整运算后信号的相位。图中反馈电阻Rf的阻值大小取决于入射光点的光强以及后续电路的最大输出电压。所有运放均采用低漂移运算放大器。,图831 一维PSD传感器的转换电路,二维PSD用来测定光点在平面上的二维（x，y）坐标。图832是二维PSD的结构及等效电路图，它的感光面是方形的。在PIN硅片的光敏面上设置相互垂直的两对电极，对应于电极X3、X4、Y1、Y2的电流为 ，作为位移信号输出。,图832 二维PSD传感器 （a）外形结构；（b）等效电路,二维的光电能量中心位置表达式可从一维位置表达式中得到，即,（86）,图833是二维PSD的位置转换电路原理图。转换电路先对PSD输出的光电流进行电流电压转换并放大，再根据位置表达式进行加法、减法和除法运算，得到光点的位置信号。,图833 二维PSD传感器的转换电路,8.1.7 光电传感器的应用 1.火焰探测报警器 图834是采用以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(在光强度0.01W/m2下测试)，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6A。V1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，器件阻值的变化不至于影响输出信号的幅度，保证火焰报警器能长期稳定的工作。,图834 火焰探测报警器电路图,2. 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8-30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，红外发光管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，因此要求探纬器具有高的灵敏度和分辨率。为此，红外发光管VD采用占空比很小的强电流脉冲供电，这样既能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，以提高分辨率。 ,图8-3 光电式纬线探测器原理电路图,3. 燃气器具中的脉冲点火控制器 由于燃气是易燃、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， 才可以打开燃气阀门；否则燃气阀门关闭， 这样就保证使用燃气器具的安全性。,图8-36为燃气器具中高压打火确认电路原理图。在高压打火时，火花电压可达1万多伏，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， 大大增加了电路抗干扰能力。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。,图8-36 燃气热水器的高压打火确认原理图,4. CCD图像传感器应用 CCD图像传感器在许多领域内获得了广泛的应用。前面介绍的电荷耦合器件(CCD)具有将光像转换为电荷分布，以及电荷的存储和转移等功能， 所以它是构成CCD固态图像传感器的主要光敏器件，取代了摄像装置中的光学扫描系统或电子束扫描系统。 CCD图像传感器具有高分辨率和高灵敏度，具有较宽的动态范围，这些特点决定了它可以广泛应用于自动控制和自动测量， 尤其适用于图像识别技术。CCD图像传感器在检测物体的位置、 工件尺寸的精确测量及工件缺陷的检测方面有独到之处。下面是一个利用CCD图像传感器进行工件尺寸检测的例子。,图8-37为应用线型CCD图像传感器测量物体尺寸系统。物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上，视频处理器对输出的视频信号进行存储和数据处理， 整个过程由微机控制完成。根据光学几何原理，可以推导被测物体尺寸的计算公式， 即,（8-7）,式中： n覆盖的光敏像素数； p像素间距； M倍率。,微机可对多次测量求平均值，精确得到被测物体的尺寸。 任何能够用光学成像的零件都可以用这种方法，实现不接触的在线自动检测的目的。,图8-37 CCD图像传感器工件尺寸检测系统,5.PSD的应用 PSD是检测受光面上点状光束的重心（强度中心）位置的光敏器件。在应用时，PSD的前面设置聚光透镜，PSD应选择最适宜的受光面积，这样可确保光点进入受光面。例如测量在PSD前面一定范围内左右方向移动物体的位置，如图838所示。在移动物体上安装发光二极管（LED），移动物体时LED通过聚光透镜在PSD上成像，测量该移动点的像即可得到物体移动的距离。,图838 测量在左右方向移动物体的位置,8.2 光 纤 传 感 器,光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新技术， 它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。 光纤传感器和传统的各类传感器相比有一定的优点，如不受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕曲，灵敏度高，耐腐蚀， 高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。光纤传感器能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、 声和PH值等70多个物理量的测量，在自动控制、 在线检测、 故障诊断、安全报警等方面具有极为广泛的应用潜力和发展前景。,8.2.1 光纤结构及其传光原理 1. 光纤结构 光导纤维简称光纤，它是一种特殊结构的光学纤维，结构如图8-39所示。中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫包层。纤芯和包层通常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，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料，以增加机械强度。,图8-39 光纤的基本结构,2. 光纤传光原理 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，并随着光纤能传送很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。设有一段圆柱形光纤，如图8-40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i角时，在端面发生折射进入光纤后, 又以i角入射至纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。 但当入射角i小于临界入射角c时，光线就不会透射界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出，这就是光纤的传光原理。,根据斯涅耳（Snell）光的折射定律，由图8-40可得,（8-8）,（8-9）,式中，n0为光纤外界介质的折射率。,图840 光纤的传光原理,若光在纤芯和包层的界面上发生全反射，则界面上的光线临界折射角c=90°，即 c=90°。 而,当=c=90°时，有,(8-11),(8-10),所以，为满足光在光纤内的全内反射， 光入射到光纤端面的入射角i应满足,一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样式（8-12）可表示为,实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。,（8-12）,（8-13）,8.2.2 光纤基本特性 1. 数值孔径（NA） 数值孔径（NA）定义为,（8-14）,数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。其意义是：无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2c的光椎角内，光纤才能导光。如入射角过大， 光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率； 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，如石英光纤数值孔径一般为0.20.4。,2. 光纤模式 光纤模式是指光波传播的途径和方式。对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。在光纤中传播模式很多不利于光信号的传播，因为同一种光信号采取很多模式传播将使一部分光信号分为多个不同时间到达接收端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量要少。 一般纤芯直径为212m，只能传输一种模式称为单模光纤。这类光纤的传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好， 灵敏度高， 但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。 纤芯直径较大（50100m），传输模式较多称为多模光纤。 这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。,3. 光纤传输损耗 光纤传输损耗主要来源于材料吸收损耗、 散射损耗和光波导弯曲损耗。 目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。 在这些材料中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料吸收损耗。,散射损耗主要是由于材料密度及浓度不均匀引起的，这种散射与波长的四次方成反比。因此散射随着波长的缩短而迅速增大。 所以可见光波段并不是光纤传输的最佳波段，在近红外波段（11.7m）有最小的传输损耗。因此长波长光纤已成为目前发展的方向。 光纤拉制时粗细不均匀，造成纤维尺寸沿轴线变化， 同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的不光滑、污染等，也会造成严重的散射损耗。 光波导弯曲损耗是使用过程中可能产生的一种损耗。光波导弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。 当弯曲半径大于10cm时，损耗可忽略不计。,8.2.3 光纤传感器 1. 光纤传感器的工作原理及组成 光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、 振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。 外界信号可能引起光的强度、 波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。 光纤传感器一般分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型（Functional Fiber， 缩写为FF）传感器，又称为传感型传感器；另一类是光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化，这类传感器称为非功能型（Non Functional Fiber， 缩写为NFF）传感器，又称为传光型传感器。,在用途上，非功能型传感器要多于功能型传感器，而且非功能型传感器的制作和应用也比较容易，所以目前非功能型传感器品种较多。功能型传感器的构思和原理往往比较巧妙，可解决一些特别辣手的问题。但无论哪一种传感器，最终都利用光探测器将光纤的输出变为电信号。 光纤传感器由光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光探测器、信号处理系统以及光纤等组成，如图8-41所示。由光源发出的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，在光的调制区内，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号， 最后经信号处理得到所需要的被测量。,图8-41 光纤传感器组成示意图 （a） 传感型； （b） 传光型,2. 光纤传感器的应用 （1） 光纤加速度传感器 光纤加速度传感器的组成结构如图8-42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