光学传感器-PPT课件

光电式传感器的物理基础是光电效应。（1）外光电效应在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。（2）内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的效应。第9章光学传感器光电传感器光电池光敏三极管光电倍增管光电管光敏二极管光敏电阻1.光电管光电管工作电路真空光电管结构阴极阳极玻璃管RL输出电压光电管阳极阴极EIp2.光电倍增管入射光阴极K第一倍增极第二倍增极第三倍增极第四倍增极阳极A…3.光敏电阻RGRLEI光敏电阻工作电路RLI---mAV+++PNPN光照内E4.光电池有光线作用下，光电池实质上就是电源。光电池(a)符号UILRUILRDISI(c)等效电路(b)基本电路光敏二极管的基本结构也是一个PN结，它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。PN光光敏二极管符号5.光敏二极管（1）结构光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。RL光PN光敏二极管接线①无光照时，光敏二极管处于截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。外加的反向工作电压使光敏二极管的PN结空间电荷区增宽，电路中只有很小的反向漏电流，称暗电流。暗电流主要是由PN结中少数载流子的运动构成。（2）工作原理：RL光PN光敏二极管接线②当光照时，光敏二极管处于导通状态。光子打在PN结附近，使PN结空间电荷区产生电子-空穴对，在外电场的作用下，与P区和N区的少数载流子作定向运动，空穴移向P区，电子移向N区，这就形成了光电流。当光照射PN结时，在反向电压的作用下，其反向电流随光照强度变化而变化，实现将光信号转换成电信号。光敏二极管接线RL光PN为了减少暗电流的影响，有些光敏二极管在制作PN结的同时，还做出一个环形的扩散层，引出的电极称为环极。环极的电位高于负极，反向漏电流直接从环极流过，而不再经过负极，从而可减少负极与正极间的暗电流。正极环极负极光敏二极管符号（3）基本应用电路+ERFR1R2RLCUO+-+ERFR2RLUO+-(a)(b)硅光电二极管实用电路光电转速传感器光电器件多采用光电池、光敏二极管和光敏三极管。光敏三极管有PNP型和NPN型两种。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的集电结面积较大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。NNPebcPPNbec6.光敏三极管光敏三极管的符号图当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-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β倍。RLE基本工作电路当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。光敏三极管是兼有光敏二极管特性的器件，它在把光信号变为电信号的同时，又将信号电流放大。光敏三极管的主要特性：光电灵敏度与光波长间的关系。光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。（1）光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光λ/Å400080001200016000100806040200光敏晶体管的光谱特性光敏晶体管的伏安特性（2）伏安特性在一定照度下，光电流与外加电压之间的关系。200500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA246406080U/V光敏晶体管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。光敏晶体管的温度特性光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。（4）温度特性暗电流/mA10203040506070T/ºC25050光电流/mA10002003004001020304050607080T/ºC光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%光敏晶体管的频率特性（5）频率特性透射型指套式光电传感器工作原理：发光二极管发出的光透射过手指，被手指组织的血液吸收和衰减，然后由光敏三极管接收。光电效应内光电效应外光电效应光电管、光电倍增管光生伏特效应光电池、光敏二极管、光敏三极管光量电量光电导效应光敏电阻光电器件光电式传感器2009年诺贝尔物理学奖获得者☆博伊尔和史密斯发明了CCD图像传感器。☆高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就。第二节光纤传感器光纤传感器是利用光在光纤中传导，引起光的特性发生变化的一类传感器。光纤（opticalfiber）是光导纤维的简称。它是利用光的全反射原理，高效率地传输光能的玻璃或塑料纤维。一、光纤结构覆盖层纤芯入射光光纤的结构光纤由纤维芯和覆盖层组成。光纤的直径多为10～200μm,长度因用途而异。纤维芯的材料一般多为多成分玻璃或透明塑料，覆盖层选用折射率低的玻璃或其它材料。二、光纤的传光原理光纤导光示意图0n2n1n入射介质、纤芯、覆盖层折射率分别为、、为使光线不射出纤维芯，而有效地向前传输，应符合什么条件？1n2n0n0123ABCEDKOOF为使光线不射出纤维芯，而有效地向前传输，应符合全反射条件:321n2n0n0123ABCEDKOOF1223nsinnsin2c1nsinn2231sinnsinn在纤维和覆盖层的界面上有：临界入射角在纤维内，射向覆盖层的入射角大于临界角的光线，全部在内部反射后继续前行。入射光线应满足何要求？2231sinnsinn2c1nsinn321n2n0n0123ABCEDKOOF0011nsinnsin1010nsinsinn10202112200nsinsinn2nncos1sinnn2c2c1nsinn2221212010nn11nnnnn1n2n0n0123ABCEDKOOF1.数值孔径三、光纤的主要参数222100n-nn1sinNA数值孔径反映了光纤对入射光的接收能力，NA越大，说明光纤能使光线全反射的入射角范围越大，则接收能力越强。2.传输损耗损耗原因：纤维芯的吸收、散射及光纤弯曲处的辐射损耗等。0lg10IIA传播损耗（单位为dB）I0——入射光强；I——距光纤入射端1Km处的光强。四、光纤传感器的分类功能型非功能型1.光纤压力传感器五、光纤传感器及其在医学上的应用光导纤维导管端血压传感器结构示意图1—导光纤维2—膜片3—导管4—保护罩5—环氧树脂密封接点2.光纤温度传感器纤维芯为SiO2材料，覆盖层为硅酮树脂，构成传感器时将光纤的覆盖层去掉，用对温度依赖性大的甘油等液体形成液态覆盖层。温度变化引起覆盖层折射率改变，从而引起反射光量变化，即可达到测温的目的。第三节CCD传感器CCD(chargecoupleddevices)：电荷耦合器件CCD器件的基本功能是将动态的光学信号转换成电信号，是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。一、CCD的结构和基本原理主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。SiP型123nnS二极管输入S二极管输出nn耗尽区）（nmSiO1202电极金属Al电极加正偏压，P型硅衬底中形成耗尽区，耗尽区的深度随正偏压升高而加大。少数载流子（电子）被吸引到最高正偏压电极下的区域中，形成电荷包。电荷定向转移三相控制方式t1230t1t2t3t4t经过一个时钟脉冲周期，电荷从前一级的一个电极下，转移到下一级的同号电极下。——电荷定向转移t=t0SiP型1P2P1P2P3P3PP1P2P3P1P2P3t=t1SiP型1P2P1P2P3P3P1ttP1P2P3P1P2P3t=t2SiP型1P2P1P2P3P3P2ttP1P2P3P1P2P3t=t3SiP型1P2P1P2P3P3P3ttP1P2P3P1P2P3二、CCD器件的分类1.线阵是把CCD像素排成1直线的器件。）光积分单元（感光单元不透光的电荷转移机构输出转移栅（1）单行结构（2）双行结构光积分区不透光的电荷转移机构输出转移栅不透光的电荷转移机构2.面阵是把CCD像素排成1个平面的器件感光区输出输出寄存器输出寄存器输出光感光区暂存器输出寄存器输出暂存列光敏单元(a)行传输(b)帧传输(c)行间传输行选址电路感光列三、CCD器件的应用主要用于各种摄像设备中。小结：光电式传感器光纤传感器CCD传感器（重点）（了解）（了解）光学传感器Thanks