应变式传感器及其应用

主编刘伟电子工业出版社传感器原理及应用技术（第2版）高等职业教育电子信息类贯通制教材（机电技术专业）第8章光电式传感器及其应用8.1光敏电阻及其应用8.2光敏晶体管及其应用8.3CCD摄像传感器及其应用8.4光纤传感器在通讯中的应用小结8.1光敏电阻及其应用8.1.1光敏电阻的结构及工作原理8.1.2光敏电阻的应用8.1.1光敏电阻的结构及工作原理光敏电阻是一种应用广泛的半导体光电元件，其物理基础是光电导效应（内光电效应），即在光的照射下，半导体电导率发生变化的现象。光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子光子组成，每个光子的能量γ正比于光的频率υ。有些半导体材料在黑暗的环境下电阻很大，各原子中的价电子处于稳定状态，但受到一定频率的光照射时，原子中的价电子吸收到光子足够的能量后就从束缚状态变成自由状态，激发出电子－空穴对，使半导体中载流子浓度增加，从而增大了导电性，电阻值减小。照射光线愈强，电阻值下降愈多，光照停止，自由电子与空穴逐渐复合，电阻又恢复原值。光敏电阻的主要参数和基本特性。暗电阻、亮电阻和光电流光照特性伏安特性光谱特性频率特性光谱温度特性8.1.2光敏电阻的应用1.反射式烟雾报警检测器2.照相机电子测光系统3.火焰探测报警器8.2光敏晶体管及其应用8.2.1光敏二极管8.2.2光敏三极管8.2.1光敏二极管1.光敏二极管的结构及原理2.光敏二极管的主要特性（1）伏安特性（2）光谱特性3.光敏二极管的主要参数（1）光电流ＩL（2）暗电流ＩD（3）反向工作电压（3）峰值波长λP4.光敏二极管的简单测试（1）电阻测量法（2）电压测量法5.光敏二极管应用8.2.2光敏三极管1.光敏三极管的结构与原理2.光敏三极管的主要特性（1）输出特性（2）光谱特性3.光敏三极管的主要参数4.光敏三极管的简单测试5.光敏三极管应用举例8.3CCD摄像传感器及其应用8.3.1CCD的基本结构及原理8.3.2CCD图像传感器的应用8.3.1CCD的基本结构及原理CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS电容器组成的阵列，其构造如图所示。在P型或N型衬底上生长一层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依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。8.3.2CCD图像传感器的应用CCD图像传感器具有高分辨率、高灵敏度较宽的动态范围，所以它可广泛用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。文字及图形识别。将线阵CCD图像传感器的自扫描输出特性和微处理器的信号处理能力结合起来可以实现文字及图形识别。8.4光纤传感器在通讯中的应用8.4.1光纤的结构及传光原理8.4.2光纤传感器的原理和分类8.4.3功能型光纤传感器举例8.4.4非功能型光纤传感器举例8.4.1光纤的结构及传光原理一根光纤的结构包括纤芯、包层和涂敷层，如图所示。纤芯和包层一般由某种类型的玻璃或塑料制成，纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2。纤芯的直径一般约为5～100μm，光主要在纤芯中传输。包层外面涂有硅铜或丙烯酸盐等涂料，构成涂敷层，其作用是保护光纤不受外来损害，增加光纤的机械强度。光纤最外层包上一层不同颜色的塑料套管，一方面起保护作用，另一方面以不同颜色区分各根光纤。8.4.2光纤传感器的原理和分类按照光纤在传感器中的作用，通常可将光纤传感器分为功能型（或传感型）和非功能型（或传光型、结构型）两种类型。功能型光纤传感器，主要是用单模光纤。其原理为利用光纤本身的传输特性受被测物理量作用发生变化的现象，使光纤中光的属性被调制，从而实现对被测物理量的测量。非功能型光纤传感器中，光纤不是敏感元件。它是通过在光纤的断面或在两根光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件来感受被测物理量的变化，使透射光或反射光强度随之发生变化。8.4.3功能型光纤传感器举例1.测量压力或温度的相位调制型光纤传感器2.调制强度的光纤微弯传感器3.偏振态调制型光纤传感器8.4.4非功能型光纤传感器举例1.反射式光纤位移传感器2.光纤温度传感器小结本章包括光敏电阻、光敏晶体管、CCD摄像传感器及光纤传感器四部分内容。以光电效应为基础的光电元件的光照特性、光谱特性、温度特性、伏安特性等，是光电式传感器应用的依据。了解这几种光电元件的基本工作原理，重点应掌握光敏电阻及光敏晶体管的特性、参数及基本应用，理解几种典型应用的工作原理。了解光纤的结构及导光原理，掌握光纤传感器的类型及应用。简单了解CCD摄像传感器的基本工作原理，掌握其类型及应用。本章偏重于实践，在学完本章后，应对光学量传感器的基本工作原理、构成原理、类型、特性及应用等问题有一定的理性认识，能利用光电元件自己设计并制作一些简单的应用电路，积累感性认识，培养实践能力。