光电式传感器的原理与应用.pptx

上一页下一页返回概述概述l光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化转光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化转换成电量的传感器，它首先把被测量的变化转换换成电量的传感器，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件参数的变化成光信号的变化，然后借助光电元件参数的变化将光信号转换成电信号，它的物理基础是光电效将光信号转换成电信号，它的物理基础是光电效应。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元应。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。在检测时，被测量使光源发射出件三部分组成。在检测时，被测量使光源发射出的光通量变化，因而使接收光通量的光电元件的的光通量变化，因而使接收光通量的光电元件的输出电量也作相应的变化，最后用电量来表示被输出电量也作相应的变化，最后用电量来表示被测量的大小。其输出的电量可以是模拟量，也可测量的大小。其输出的电量可以是模拟量，也可以是数字量。光电检测方法具有精度高、反应快、以是数字量。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，有多种参数都可测量，传感器的非接触等优点，有多种参数都可测量，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。域内得到广泛应用。上一页下一页返回第第5章章 光电式传感器原理与应用光电式传感器原理与应用l5.1 光电效应及光电器件光电效应及光电器件l5.2 光电码盘光电码盘l5.3 电荷耦合器件电荷耦合器件l5.4 光纤传感器光纤传感器l5.5 光栅传感器光栅传感器上一页下一页返回l光电效应通常可分为四类：光电效应通常可分为四类：(1)外光电效应外光电效应:在光线作用下在光线作用下,使电子逸出物体表面而使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象。基于外光电效应原理的器件产生光电子发射的现象。基于外光电效应原理的器件属于真空光电元件属于真空光电元件,有光电管、光电倍增管等。有光电管、光电倍增管等。(2)内光电效应内光电效应:在光线作用下在光线作用下,使物体的电阻率改变的使物体的电阻率改变的现象。基于内光电效应原理的器件属于半导体光电元现象。基于内光电效应原理的器件属于半导体光电元件件,有光敏电阻、光敏晶体管等。有光敏电阻、光敏晶体管等。(3)光生伏特效应光生伏特效应:在光线作用下，物体产生一定方向在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象。基于光生伏特效应原理的器件属于半电动势的现象。基于光生伏特效应原理的器件属于半导体光电元件导体光电元件,有光电池等。有光电池等。(4)热释电现象：热电材料受红外光等照射时，若其热释电现象：热电材料受红外光等照射时，若其表面温度上升或下降表面温度上升或下降,则该表面产生电荷的现象。则该表面产生电荷的现象。上一页下一页返回5.1 光电效应及光电器件光电效应及光电器件5.1.1 光电管光电管5.1.2 光电倍增管光电倍增管5.1.3 光敏电阻光敏电阻5.1.4 光敏二极管光敏二极管5.1.5 光敏晶体管光敏晶体管5.1.6 光电池光电池5.1.7 光电传感器的应用光电传感器的应用上一页下一页返回5.1.1 光电管光电管(a)反射式光电阴极光电管(b)透射式光电阴极光电管光电管结构示意图连接电路上一页下一页返回5.1.2光电倍增管光电倍增管（a）直线型；(b)鼠笼式；(c)盒-网型1一阴极；2-倍阴极；3-阳极；4-绝缘隔板；5-栅极。光电倍增管的结构原理图上一页下一页返回5.1.2光电倍增管光电倍增管假设每个电子落到任一倍增极上都打出个电子，则阳极电流I为 光电倍增管的电流放大系数为上一页下一页返回5.1.3光敏电阻光敏电阻l1-梳状电极；l2-光导体；l3-透光窗口;l4-外壳;l5-绝缘基体；l6-黑色玻璃支柱：l7-引脚 光敏电阻结构图上一页下一页返回光敏电阻主要的技术特性光敏电阻主要的技术特性l(1)暗电阻，暗电流暗电阻，暗电流l(2)亮电阻、光电流亮电阻、光电流l(3)光谱特性光谱特性l(4)光电特性光电特性l(5)频率特性频率特性l(6)温度特性温度特性上一页下一页返回(1)暗电阻，暗电流暗电阻，暗电流l若将光敏电阻置于无光照的黑暗条件下，若将光敏电阻置于无光照的黑暗条件下，测得光敏电阻的阻值称为暗电阻，这时，测得光敏电阻的阻值称为暗电阻，这时，在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流值称为暗电流。值称为暗电流。上一页下一页返回(2)亮电阻、光电流亮电阻、光电流l光敏电阻在光照下，测得的光敏电阻的阻光敏电阻在光照下，测得的光敏电阻的阻值称为亮电阻，亮电阻一般在几千欧姆。值称为亮电阻，亮电阻一般在几千欧姆。这时在工作电压下测得的电流为亮电流。这时在工作电压下测得的电流为亮电流。亮电流和暗电流之差称为光电阻的光电流亮电流和暗电流之差称为光电阻的光电流I 上一页下一页返回(3)光谱特性光谱特性l对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。各种材料的光谱特性如图5.1.5所示，从图中看出，每种光敏电阻对不同波长的入射光有着不同的灵敏度，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域；因此在选用光敏电阻时应当把元件 和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果 光敏电阻的光谱特性上一页下一页返回(4)光电特性光电特性l光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。如图5.1.6所示，光敏电阻的光电特性呈非线性。做检测元件时，要对其值进行曲线拟合，响应曲线不连续，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。光敏电阻的光电特性上一页下一页返回(5)频率特性频率特性l当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零，这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。光敏电阻的频率特性上一页下一页返回(6)温度特性温度特性l硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，从图中可以看出，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，在使用光敏电阻检测时为了能接受远红外光，或为了提高灵敏度，要采取控制温度的措施。硫化铅的光谱温度特性上一页下一页返回5.1.4光敏二极管光敏二极管l光敏二极管的工作原理也是基于内光电效光敏二极管的工作原理也是基于内光电效应，与光敏电阻的差别仅在于光线照射在应，与光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体半导体PN结上结上,PN结参与了光电转换过程。结参与了光电转换过程。(a)结构示意图和图形符号(b)基本电路光敏二极管上一页下一页返回5.1.5光敏晶体管光敏晶体管l光敏晶体管通常指光敏晶体管通常指光敏三极管，光敏光敏三极管，光敏三极管有两个三极管有两个PN结，因而可以获得结，因而可以获得电流增益，它比光电流增益，它比光敏二极管具有更高敏二极管具有更高的灵敏度。的灵敏度。（a）结构示意图；（b）基本电路光敏三极管上一页下一页返回光敏晶体管特性光敏晶体管特性l(1)光谱特性光谱特性l(2)伏安特性伏安特性l(3)光电特性光电特性l(4)温度特性温度特性l(5)频率特性频率特性上一页下一页返回（1）光谱特性）光谱特性 从曲线还可以看出，不同材料的光敏晶体管，光谱从曲线还可以看出，不同材料的光敏晶体管，光谱峰值波长不同。硅管的峰值波长为峰值波长不同。硅管的峰值波长为0.9m左右，锗管的左右，锗管的峰值波长为峰值波长为l.5m左右。由于锗管的暗电流比硅管大，所左右。由于锗管的暗电流比硅管大，所以锗管性能较差。因此，在探测可见光或赤热物体时，以锗管性能较差。因此，在探测可见光或赤热物体时，多采用硅管。但对红外光进行探测时，采用锗管较为合多采用硅管。但对红外光进行探测时，采用锗管较为合适。适。光敏晶体管的光谱特性上一页下一页返回(2)伏安特性伏安特性l光敏三极管的伏安特性光敏三极管的伏安特性是指光敏三极管在给定是指光敏三极管在给定的光照度下光敏三极管的光照度下光敏三极管上电压与光电流比关系。上电压与光电流比关系。光敏三极管在不同照度光敏三极管在不同照度下的伏安特性，就像普下的伏安特性，就像普通三极管在不同基极电通三极管在不同基极电流下的输出特性一样流下的输出特性一样 光敏三极管伏安特性上一页下一页返回(3)光电特性光电特性l光电特性是指外加偏置电压一定时，光敏光电特性是指外加偏置电压一定时，光敏晶体管的输出电流和光照度的关系。一般晶体管的输出电流和光照度的关系。一般说来，光敏二极管光电特性的线性较好，说来，光敏二极管光电特性的线性较好，而光敏三极管在照度小时，光电流随照度而光敏三极管在照度小时，光电流随照度增加而减小，并且在光照足够大时，输出增加而减小，并且在光照足够大时，输出电流有饱和现象。这是由于光敏三极管的电流有饱和现象。这是由于光敏三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降电流放大倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。的缘故。上一页下一页返回(4)温度特性温度特性l温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响较温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响较小，但是对暗电流的影响却十分显著小，但是对暗电流的影响却十分显著 光敏晶体管的温度特性上一页下一页返回(5)频率特性频率特性l光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性与调制频率的关系称为频率特性 光敏晶体管的频率特性上一页下一页返回5.1.6光电池光电池l定义：定义：光电池是一种自发电式的光电元件，它受光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。l光电池的种类：光电池的种类：硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广泛的是锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广泛的是硅光电池，硅光电池，l硅光电池优点：硅光电池优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射等。另外，由性好、转换效率高、能耐高温辐射等。另外，由于硒光电池的光谱峰值处于人眼的感觉范围，所于硒光电池的光谱峰值处于人眼的感觉范围，所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。上一页下一页返回光电池的主要特性如下：光电池的主要特性如下：l(1)光谱特性光谱特性l(2)光电特性光电特性l(3)温度特性温度特性l(4)频率特性频率特性上一页下一页返回(1)光谱特性光谱特性l不同材料的光电池适用的入射光波长范围也不相不同材料的光电池适用的入射光波长范围也不相同。硅光电池的适用范围宽，对应的入射光波长同。硅光电池的适用范围宽，对应的入射光波长可在可在0.45m-1.1m之间，而硒光电池只能在之间，而硒光电池只能在0.34m-0.57m波长范围，它适用于可见光检波长范围，它适用于可见光检测。测。（a）结构示意图；（b）图形符号光电池1-硅光电池；2-硒光电池光电池光谱特性上一页下一页返回(2)光电特性光电特性1-开路电压特性曲线；2短路电流特性曲线硅光电池的光电特性上一页下一页返回(3)温度特性温度特性1-开路电压；2一短路电流硅光电池温度特性上一页下一页返回(4)频率特性频率特性l光电池的频率特性是指输出电流与入射光调制频光电池的频率特性是指输出电流与入射光调制频率的关系。当入射光照度变化时，由于光生电子率的关系。当入射光照度变化时，由于光生电子-空穴对的产生和复合都需要一定时间，因此入空穴对的产生和复合都需要一定时间，因此入射光调制频率太高时，光电池输出电流的变化幅射光调制频率太高时，光电池输出电流的变化幅度将下降。硅光电池的频率特性较好，工作频率度将下降。硅光电池的频率特性较好，工作频率的上限约为数十千赫，而硒光电池的频率特性较的上限约为数十千赫，而硒光电池的频率特性较差。在调制频率较高的场合，应采用硅光电池，差。在调制频率较高的场合，应采用硅光电池，并选择面积较小的硅光电池和较小的负载电阻，并选择面积较小的硅光电池和较小的负载电阻，以进一步减少响应时间，改善频率特性。以进一步减少响应时间，改善频率特性。上一页下一页返回5.1.7光电传感器的应用光电传感器的应用l特点：结构简单、质量轻、体积小、价格特点：结构简单、质量轻、体积小、价格便宜、响应快、性能稳定及具有很高的灵便宜、响应快、性能稳定及具有很高的灵敏度等敏度等l光电传感器按其工作原理可分为光电传感器按其工作原理可分为模拟式模拟式和和脉冲式脉冲式两类两类 l光电传感器在工业应用中可归纳为光电传感器在工业应用中可归纳为直射式、直射式、透射式、反射式和遮蔽式透射式、反射式和遮蔽式等四种基本形式。等四种基本形式。上一页下一页返回(a)直射式;(b)透射式;(c)反射式;(d)遮蔽式光敏器件在工业应用中的基本形式上一页下一页返回四种基本形式四种基本形式l(1)直射式如图直射式如图5.1.19(a)所示所示,光源本身就是被测物体。被光源本身就是被测物体。被测物体的光通量指向光敏器件，产生光电流输出。这种测物体的光通量指向光敏器件，产生光电流输出。这种形式常用于光电比色高温计中作光电器件。形式常用于光电比色高温计中作光电器件。l(2)透射式如图透射式如图5.1.19(b)所示，光源的光通量一部分由被所示，光源的光通量一部分由被测物体吸收，另一部分则穿过被测物体投射到光敏器件测物体吸收，另一部分则穿过被测物体投射到光敏器件上。该形式常用于测量混合气体、液体的透明度、浓度上。该形式常用于测量混合气体、液体的透明度、浓度等。等。l(3)反射式如图反射式如图5.1.19(c)所示，光源发射出的光通量投射所示，光源发射出的光通量投射到被测物体上，被测物体又将部分光通量反射到光敏器到被测物体上，被测物体又将部分光通量反射到光敏器件上。反射的光通量取决于被测物体的反射条件，该形件上。反射的光通量取决于被测物体的反射条件，该形式一般用于测量工件表面的粗糙度及测量转速等。式一般用于测量工件表面的粗糙度及测量转速等。l(4)遮蔽式如图遮蔽式如图5.1.19(d)所示，光源发射出的光通量投射所示，光源发射出的光通量投射到被测物体上到被测物体上,被测物体遮蔽光通量改变，则投影到光敏被测物体遮蔽光通量改变，则投影到光敏器件上的光通量也随着改变。这种形式常用于测量位置、器件上的光通量也随着改变。这种形式常用于测量位置、位移、振动、频率等，在自动控制中用作自控开关。位移、振动、频率等，在自动控制中用作自控开关。上一页下一页返回光敏器件的具体应用光敏器件的具体应用 l(1)测量工件表面的缺陷测量工件表面的缺陷l(2)测量转速测量转速l(3)光电数字转速表光电数字转速表l(4)烟尘浊度连续监测仪烟尘浊度连续监测仪上一页下一页返回(1)测量工件表面的缺陷测量工件表面的缺陷检查零件表面缺陷的光电传感器上一页下一页返回(2)测量转速测量转速光电转速计工作原理上一页下一页返回(3)光电数字转速表光电数字转速表光电式数字转速表的工作原理若调制盘上开有z个缺口,测量计数时间为t(s),被测转速为n(r/min)，则此时得到的计数值c为：上一页下一页返回(4)烟尘浊度连续监测仪烟尘浊度连续监测仪吸收式烟尘浊度监测仪框图上一页下一页返回5.2 光电码盘光电码盘l光电编码器具有下列特点：光电编码器具有下列特点：具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；抗干扰能力强，稳定性好；抗干扰能力强，稳定性好；信号易于处理、传送和自动控制；信号易于处理、传送和自动控制；便于动态及多路测量，读数直观；便于动态及多路测量，读数直观；安装方便，维护简单，工作可靠性高。安装方便，维护简单，工作可靠性高。上一页下一页返回l5.2.1工作原理工作原理l5.2.2 码盘和码制码盘和码制l5.2.3旋转式光电编码器旋转式光电编码器l5.2.4 应用应用上一页下一页返回5.2.1工作原理工作原理l编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后，区。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，分别为光敏元件输出的信号，分别为“1”或或“0”。当码盘旋至不同位置时，光。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。的角位移大小。透射式旋转光电编码器上一页下一页返回5.2.2 码盘和码制码盘和码制l编码器有两种：编码器有两种：增量编码器增量编码器和和绝对编码器绝对编码器 接触式编码盘示意图上一页下一页返回二进制码、十进制码与循环码对照表二进制码、十进制码与循环码对照表 角度电刷位置二进制码十进制码格雷码0a0000000001b0001100012c005200113d001130054e05040155f051501116g01560517h011170508i50081509j50191515k555111111l5111111512m150125513n1511351114o1151450115p111115500上一页下一页返回5.2.3旋转式光电编码器旋转式光电编码器l非接触式光电编码器，由于其精度高，可非接触式光电编码器，由于其精度高，可靠性好，性能稳定，体积小和使用方便，靠性好，性能稳定，体积小和使用方便，在自动测量和自动控制技术中得到了广泛在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。的应用。1.绝对编码器绝对编码器2.增量编码器增量编码器上一页下一页返回1.绝对编码器绝对编码器l光学码盘通常用照相腐蚀法制作。现已生光学码盘通常用照相腐蚀法制作。现已生产出径向线宽为产出径向线宽为6.72-8rad的码，其精的码，其精度高达度高达1/58。光电绝对编码器结构示意图上一页下一页返回2.增量编码器增量编码器l在增量编码器码盘最外圈的码道上均布有在增量编码器码盘最外圈的码道上均布有相当数量的透光与不透光的扇形区，这是相当数量的透光与不透光的扇形区，这是用来产生计数脉冲的增量码道。扇形区的用来产生计数脉冲的增量码道。扇形区的多少决定了编码器的分辨率，扇形区越多，多少决定了编码器的分辨率，扇形区越多，分辨率越高。分辨率越高。上一页下一页返回5.2.4 应用应用l光电码盘的优点：没有触点磨损，因而允光电码盘的优点：没有触点磨损，因而允许转速高，高频率响应，稳定可靠、坚固许转速高，高频率响应，稳定可靠、坚固耐用、精度高。耐用、精度高。l缺点：结构较复杂、价格较贵等缺点：结构较复杂、价格较贵等l目前已在数控机床、伺服电机、机器人、目前已在数控机床、伺服电机、机器人、旋转机械、传动机械、仪器仪表及办公设旋转机械、传动机械、仪器仪表及办公设备、自动控制技术和检测传感技术领域得备、自动控制技术和检测传感技术领域得到广泛的应用到广泛的应用 上一页下一页返回光电码盘测角仪光电编码控制随动系统上一页下一页返回5.3 电荷耦合器件电荷耦合器件l5.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理电荷耦合器件的结构和工作原理l5.3.2 CCD图像传感器图像传感器l5.3.3 图像传感器的应用图像传感器的应用上一页下一页返回5.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理电荷耦合器件的结构和工作原理l1结构结构CCD单元结构图上一页下一页返回l2MOS的工作原理的工作原理（1）电荷储存的原理）电荷储存的原理（2）电荷转移）电荷转移（3）电荷产生的方法）电荷产生的方法（4）光注入方式）光注入方式（5）电荷的输出方法）电荷的输出方法上一页下一页返回（1）电荷储存的原理）电荷储存的原理l势阱积累电子的容量取决于势阱的势阱积累电子的容量取决于势阱的“深度深度”，而表面势的大小近似与表面势，而表面势的大小近似与表面势VG成正成正比。势阱填满是指电子在半导体表面堆积比。势阱填满是指电子在半导体表面堆积后使表面势下降。在图后使表面势下降。在图5.3.1(a)所示的情况所示的情况下，若所加下，若所加VG不超过某限定值时，表面势不超过某限定值时，表面势为为:上一页下一页返回（2）电荷转移）电荷转移lCCD器件是以电荷为信号，不象其它器件是以电器件是以电荷为信号，不象其它器件是以电流或电压为信号，掌握流或电压为信号，掌握CCD工作原理的关键在于工作原理的关键在于了解电荷怎样转移或传输。了解电荷怎样转移或传输。CCD器件的基本结构器件的基本结构是彼此非常靠近的一系列是彼此非常靠近的一系列MOS光敏元，这些光光敏元，这些光敏元用同一的半导体衬底制成，其上面的氧化层敏元用同一的半导体衬底制成，其上面的氧化层也是均匀、连续的，在氧化层上排列互相绝缘且也是均匀、连续的，在氧化层上排列互相绝缘且数目不等的金属电极。相邻电极之间仅间隔极小数目不等的金属电极。相邻电极之间仅间隔极小的距离，以保证相邻势阱耦合及电荷转移。任何的距离，以保证相邻势阱耦合及电荷转移。任何可移动的电荷信号都将向表面势大的位置移动可移动的电荷信号都将向表面势大的位置移动 上一页下一页返回（3）电荷产生的方法）电荷产生的方法lCCD的电荷的电荷(少数载流子少数载流子)的产生有两种方的产生有两种方式：电压信号注入和光信号注入。作为图式：电压信号注入和光信号注入。作为图像传感器，像传感器，CCD接收的是光信号，即光信接收的是光信号，即光信号注入法。当光信号射到号注入法。当光信号射到CCD硅片上时，硅片上时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空空穴对。在栅极电压的作用下，多数载流子穴对。在栅极电压的作用下，多数载流子(空穴空穴)将流入衬底，而少数载流于将流入衬底，而少数载流于(电子电子)则则被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来。被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来。这样高于半导体禁带宽度的那些光子，就这样高于半导体禁带宽度的那些光子，就能建立起正比与光强的存储电荷。能建立起正比与光强的存储电荷。上一页下一页返回（4）光注入方式）光注入方式l实用中常采用正面照射方式和背面照射万实用中常采用正面照射方式和背面照射万式。式。电荷注入方法上一页下一页返回(5)电荷的输出方法电荷的输出方法 l一、是利用二极管的输出结构一、是利用二极管的输出结构 上一页下一页返回l 二、利用浮置栅二、利用浮置栅MOS管输出管输出(a)浮置栅MOS放大器电压法（b）输出级原理上一页下一页返回5.3.2 CCD图像传感器图像传感器lCCD固态图像传感器可分为固态图像传感器可分为线型线型和和面型面型两两种种 l1线型线型CCD图像传感器图像传感器（a）单行结构（b）双行结构上一页下一页返回l2面型面型CCD图像传感器图像传感器（a）线转移面型(b)帧转移面型(c)隔离转移面型上一页下一页返回5.3.3 图像传感器的应用图像传感器的应用l用于激光摄像方面，用于激光摄像方面，CCD比一般的摄像管比一般的摄像管有更大的优势，它的量子效率远大于真空有更大的优势，它的量子效率远大于真空摄像器件的光电阴极的量子效率，如硅摄像器件的光电阴极的量子效率，如硅CCD比比S-20光阴极高光阴极高50倍。另一方面，激倍。另一方面，激光摄像所摄取的图像的波长是在可见及红光摄像所摄取的图像的波长是在可见及红外交界处，即探测的光子主要是近红外光外交界处，即探测的光子主要是近红外光子，而这正是子，而这正是CCD的敏感区。激光摄像所的敏感区。激光摄像所要求的其他条件，如动态范围大、噪声小、要求的其他条件，如动态范围大、噪声小、几何尺寸稳定以利于粒子探测、跟踪等，几何尺寸稳定以利于粒子探测、跟踪等，都是都是CCD能够满足的。能够满足的。上一页下一页返回l（1）工业上的应用：生产线上部件安装，自动）工业上的应用：生产线上部件安装，自动焊接；切割加工，大规模集成电路生产线上自动焊接；切割加工，大规模集成电路生产线上自动连接引线、对准芯片和封装；石油、煤矿等地质连接引线、对准芯片和封装；石油、煤矿等地质钻探中数据流自动检测和滤波；纺织、印染业进钻探中数据流自动检测和滤波；纺织、印染业进行自动分色、配色。行自动分色、配色。l（2）各类检验、监测系统中的应用：如检查印）各类检验、监测系统中的应用：如检查印刷底版的裂痕、短路及不合格的连接部分；检查刷底版的裂痕、短路及不合格的连接部分；检查铸件产品的杂质和断口；对产品样品进行外观检铸件产品的杂质和断口；对产品样品进行外观检查；检查、识别标签文字标记、玻璃产品的裂缝查；检查、识别标签文字标记、玻璃产品的裂缝和气泡等。和气泡等。l（3）商业上的应用：自动巡视商店或者其他重）商业上的应用：自动巡视商店或者其他重要场所门廊，自动跟踪可疑的人并及时报警。要场所门廊，自动跟踪可疑的人并及时报警。上一页下一页返回l4）遥感方面的应用：遥感测量包括了两方面，地球表面）遥感方面的应用：遥感测量包括了两方面，地球表面监视及空间监视。对地球表面的监视，包括对地球资源监视及空间监视。对地球表面的监视，包括对地球资源的勘察、气象及环境监视、军事目标的识别等。空间监的勘察、气象及环境监视、军事目标的识别等。空间监视既包括地对空的又包括空对空的监视。这种测量条件视既包括地对空的又包括空对空的监视。这种测量条件的复杂性对探测设备提出了很高的要求，而的复杂性对探测设备提出了很高的要求，而CCD则是实则是实现测试目的的最理想的传感器，通常用线阵或面阵图像现测试目的的最理想的传感器，通常用线阵或面阵图像传感器进行拼接来实现大面积传感。此外，一种传感器进行拼接来实现大面积传感。此外，一种IRCCD焦面阵列工作于焦面阵列工作于114m范围，对于处于大气窗口的红范围，对于处于大气窗口的红外辐射测量起着十分重要的作用，通过由数万个像元构外辐射测量起着十分重要的作用，通过由数万个像元构成的探测阵列，极大地提高了测试灵敏度。成的探测阵列，极大地提高了测试灵敏度。l（5）医疗方面的应用：对染色体切片、癌细胞切片、）医疗方面的应用：对染色体切片、癌细胞切片、x射线图像、起声波图像的自动检查、进而自动诊断等。射线图像、起声波图像的自动检查、进而自动诊断等。l（6）军事方面的应用：自动监视军事目标，自动发现、）军事方面的应用：自动监视军事目标，自动发现、跟踪运动目标离。跟踪运动目标离。上一页下一页返回5.4 光纤传感器光纤传感器l 光纤传感器独特优点：高灵敏度、抗电磁光纤传感器独特优点：高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简干扰、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单及与光纤传输线路相容等单及与光纤传输线路相容等l光纤传感器可应用于位移、振动、转动、光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度、湿度、声场、流量、磁场、电压、温度、湿度、声场、流量、浓实、浓实、pH值等值等70多个物理量的测量多个物理量的测量 上一页下一页返回5.4 光纤传感器光纤传感器l5.4.1 光导纤维的基本知识光导纤维的基本知识l5.4.2 光纤传感器结构和原理光纤传感器结构和原理l5.4.3 光纤传感器的分类和特点光纤传感器的分类和特点上一页下一页返回5.4.1 光导纤维的基本知识光导纤维的基本知识1.光纤的结构光纤的结构2.传光原理传光原理3.光纤的种类光纤的种类上一页下一页返回.光纤的结构光纤的结构5.4.1光纤的结构图5.4.2光纤的波导上一页下一页返回2.传光原理传光原理 光在两介质界面上的折射和反射依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有:上一页下一页返回l当1角逐渐增大，直至1=c时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(2=90)。对应于2=90时的入射角1称为临界角c；由式(5.4.1)则有:上一页下一页返回阶跃型多模光纤中子午光线的传播入射光线在A点入射，应用斯涅尔法则，有:上一页下一页返回当入射光线在界面上发生全反射时，应满足:即将上式代入式(5.4.3)，得入射角的最大值0可由式(5.4.5)求出，即:上一页下一页返回若仿照研究透镜样，引入光纤的数值孔径NA这个概念，则:上一页下一页返回3.光纤的种类光纤的种类l光纤按纤芯和包层材料性质分，有光纤按纤芯和包层材料性质分，有玻璃光玻璃光纤纤和塑料光纤两类；和塑料光纤两类；l按折射率分有按折射率分有阶跃型阶跃型和和梯度型梯度型二种二种 上一页下一页返回光纤的折射率断面光在梯度型光纤的传输上一页下一页返回5.4.2 光纤传感器结构和原理光纤传感器结构和原理l光纤传感器是一种把被测量的状态转变为光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置，一般由光源、敏感可测的光信号的装置，一般由光源、敏感元件、光纤、光敏元件（光接收器）和信元件、光纤、光敏元件（光接收器）和信号处理系统构成。号处理系统构成。l光纤传感器一般可分为两大类：光纤传感器一般可分为两大类：（1）一类是功能型传感器）一类是功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称，又称FF型光纤传感器；型光纤传感器；（2）另一类是非功能传感器）另一类是非功能传感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又称，又称NF型光纤传感器型光纤传感器（或称传光型光纤传感器）。（或称传光型光纤传感器）。上一页下一页返回（a）功能型（b）传光型光纤传感器类型光纤传感器类型上一页下一页返回5.4.3 光纤传感器的分类和特点光纤传感器的分类和特点l根据对光进行调制的方式不同，光纤传感根据对光进行调制的方式不同，光纤传感器又有强度调制、相位调制、频率调制、器又有强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制等不同工作原理的光纤传感器。偏振调制等不同工作原理的光纤传感器。上一页下一页返回1.强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器l强度调制型光纤传感器是利用被测对象的强度调制型光纤传感器是利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数变化，而导致光强度变化来实现敏等参数变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。感测量的传感器。上一页下一页返回2.相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器l相位调制型光纤传感器的基本原理是利用相位调制型光纤传感器的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。位变化而得到被测对象的信息。上一页下一页返回3.频率调制型光纤传感器频率调制型光纤传感器l频率调制型光纤传感器是一种利用被测对频率调制型光纤传感器是一种利用被测对象引起光频率的变化来进行检测的传感器。象引起光频率的变化来进行检测的传感器。传感器通常有利用运动物体反射光和散射传感器通常有利用运动物体反射光和散射光的多普勒（光的多普勒（Doppler）效应的光纤速度、）效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器，利用流速、振动、压力、加速度传感器，利用物质受强光照射时的喇曼（物质受强光照射时的喇曼（Raman）散射）散射构成的气体浓度或监测大气污染的气体传构成的气体浓度或监测大气污染的气体传感器，以及利用光致发光的温度传感器等。感器，以及利用光致发光的温度传感器等。上一页下一页返回4.偏振调制型光纤传感器偏振调制型光纤传感器l偏振调制型光纤传感器是一种利用光的偏振态的偏振调制型光纤传感器是一种利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息的传感器。传感器常见变化来传递被测对象信息的传感器。传感器常见的有利用光在磁场中的媒质内传播的法拉弟的有利用光在磁场中的媒质内传播的法拉弟(Faraday)效应做成的电流、磁场传感器，利用效应做成的电流、磁场传感器，利用光在电场中的压电晶体内传播的泡克耳斯效应做光在电场中的压电晶体内传播的泡克耳斯效应做成的电场、电压传感器，利用物质的光弹效应构成的电场、电压传感器，利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器，以及利用光纤的双成的压力、振动或声传感器，以及利用光纤的双折射性构成的温度、压力、振动等传感器。这类折射性构成的温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度也较高。度也较高。上一页下一页返回5.4.4 光纤传感器的应用光纤传感器的应用l1光纤位移传感器光纤位移传感器（1）光纤开关与定位装置）光纤开关与定位装置（2）传光型光纤位移传感器）传光型光纤位移传感器（3）光纤液位传感器）光纤液位传感器（4）功能型光纤压力传感器）功能型光纤压力传感器l2光纤振动传感器光纤振动传感器（1）相位调制光纤振动传感器）相位调制光纤振动传感器（2）光弹效应光纤振动传感器）光弹效应光纤振动传感器l3光纤温度传感器光纤温度传感器（1）传光型光纤温度传感器）传光型光纤温度传感器（2）热辐射光纤温度传感器）热辐射光纤温度传感器上一页下一页返回（1）光纤开关与定位装置）光纤开关与定位装置简单光纤开关定位装置上一页下一页返回（2）传光型光纤位移传感器）传光型光纤位移传感器光纤位移传感器光纤随声波位移的调制系数为上一页下一页返回光纤位移传感器上一页下一页返回反射型光纤位移传感器上一页下一页返回（3）光纤液位传感器）光纤液位传感器l图图(a)结构主要是由结构主要是由一个一个LED光源、光源、Y型光纤、全反射锥型光纤、全反射锥体，以及光电二极体，以及光电二极管等组成。管等组成。l图图(b)所示是一种所示是一种U型结构。型结构。l图图(c)结构中，两根结构中，两根多模光纤由棱镜耦多模光纤由棱镜耦合在一起，它的光合在一起，它的光调制深度最强，而调制深度最强，而且对光源和光电接且对光源和光电接收器的要求不高。收器的要求不高。光纤液位传感器上一页下一页返回（4）功能型光纤压力传感器）功能型光纤压力传感器上一页下一页返回2光纤振动传感器光纤振动传感器l（1）相位调制光纤振动传感器）相位调制光纤振动传感器信号光和参考光之间的相位差为上一页下一页返回（2）光弹效应光纤振动传感器）光弹效应光纤振动传感器双折射现象图设no和ne分别为o光和e光的折射率，则两束光穿过厚度为d的介质E后，所产生的相位差为上一页下一页返回光纤振动传感器结构图上一页下一页返回3光纤温度传感器光纤温度传感器l（1）传光型光纤温度传感器）传光型光纤温度传感器半导体的光透过率特性上一页下一页返回（2）热辐射光纤温度传感器）热辐射光纤温度传感器l热辐射光纤温度传感器是利用光纤内产生的热辐热辐射光纤温度传感器是利用光纤内产生的热辐射来传感温度的一种器件。它是以光纤纤芯中的射来传感温度的一种器件。它是以光纤纤芯中的热点本身所产生的黑体辐射现象为基础。这种传热点本身所产生的黑体辐射现象为基础。这种传感器非常类似于传统的高温计，只不过这种装置感器非常类似于传统的高温计，只不过这种装置不是探测来自炽热的不透明的物体表面的辐射，不是探测来自炽热的不透明的物体表面的辐射，而是把光纤本身作为一个待测温度的黑体腔。利而是把光纤本身作为一个待测温度的黑体腔。利用这种方法可确定光纤上任何位置热点的温度。用这种方法可确定光纤上任何位置热点的温度。由于它只探测热辐射，故无需任何光源。这种传由于它只探测热辐射，故无需任何光源。这种传感器可以用来监视一些大型电气设备如电机、变感器可以用来监视一些大型电气设备如电机、变压器等内部热点的变化