8.1 光电器件
8.2 光纤传感器
8.３ 红外传感器返回主目录第 8章光电式传感器第 8章 光电式传感器
8.1 光电器件光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件,它是构成光电式传感器最主要的部件 。 光电器件响应快,结构简单,
使用方便,而且有较高的可靠性,因此在自动检测,计算机和控制系统中,应用非常广泛 。
光电器件工作的物理基础是光电效应 。 在光线作用下,
物体的电导性能改变的现象称为内光电效应,如光敏电阻等就属于这类光电器件 。 在光线作用下,能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应,如光电管,光电倍增管就属于这类光电器件 。
在光线作用下,能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应,如光电管,光电倍增管就属于这类光电器件 。 在光线作用下,能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应,即阻挡层光电效应,如光电池,光敏晶体管等就属于这类光电器件 。
一,
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 。 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 ） 急剧减少,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级,亮电阻在几千欧以下 。
图 8 - 1 为光敏电阻的原理结构 。 它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,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 。
２,光敏电阻的主要参数
（ １ ） 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,
此时流过的电流称为暗电流 。
（ ２ ） 亮电阻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 。
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 - 2
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） 光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性,亦称为光谱响应 。 图 8 - 3 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 。 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 。
（ 3） 温度特性温度变化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都要改变,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 - 4 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 。
二,
１,
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 -
5） 。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态 （ 见图 8-6
所示 ）,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结上时,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 。
光敏晶体管与一般晶体管很相似,具有两个 PN结,只是它的发射极一边做得很大,以扩大光的照射面积 。 图 8 - 7为 NPN
型光敏晶体管的结构简图和基本电路 。 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；当光照射在集电结上时,就会在结附近产生电子 -空穴对,从而形成光电流,相当于三极管的基极电流 。 由于基极电流的增加,因此集电极电流是光生电流的 β倍,所以光敏晶体管有放大作用 。
光敏二极管和光敏晶体管的材料几乎都是硅 （ Si） 。 在形态上,有单体型和集合型,集合型是在一块基片上有两个以上光敏二极管,比如在后面讲到的 CCD图像传感器中的光电耦合器件,就是由光敏晶体管和其它发光元件组合而成的 。
２,
（ １ ） 光谱特性光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图 8 - 8所示 。 从曲线可以看出,硅的峰值波长约为 0.9 μm,锗的峰值波长约为 1.5μm,此时灵敏度最大,而当入射光的波长增加或缩短时,相对灵敏度也下降 。 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 。 但对红外光进行探测时,锗管较为适宜 。
（ ２ ） 伏安特性图 8 - 9为硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲线 。 从图中可见,光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍 。
（ ３ ） 温度特性光敏晶体管的温度特性是指其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 - 10
所示 。 从特性曲线可以看出,温度变化对光电流影响很小,而对暗电流影响很大,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 。
表 8-2列出几种硅光电二极管的特性参数 。
三,
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下实质就是电源,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,。 它实质上是一个大面积的 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 - 11为工作原理图 。
（ 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 - 12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,硅光电池在 0.8μm附近,硒光电池在 0.5 μm附近 。
硅光电池的光谱响应波长范围为 0.4~1.2 μm,而硒光电池的范围只能为 0.38~0.75 μm。 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,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 - 13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成线性关系,开路电压
（ 负截电阻 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 。 因此光把电池作为测量元件时,应把它当作电流源的形式来使用,不能用作电压源 。
(3) 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 。 光电池的温度特性如图 8 - 14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,因此把它作为测量器件应用时,最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施 。
表 8 - 3 为国产硅光电池的特性参数 。 由表可见,硅光电池的最大开路电压为 600mV,在照度相等的情况下,光敏面积越大,输出的光电流也越大 。
四,光电耦合器件光电耦合器件是由发光元件 （ 如发光二极管 ） 和光电接收元件合并使用,以光作为媒介传递信号的光电器件 。 光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管,光电接收元件有光敏电阻,光敏二极管,光敏三极管或光可控硅等 。 根据其结构和用途不同,又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关 。
1．
光电耦合器的发光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 。 耦合器常见的组合形式如图 8 -
15所示 。
图 (a)所示的组合形式结构简单,成本较低,且输出电流较大,可达 100 mA,响应时间为 3~4μs。 图 (b)形式结构简单,
成本较低,响应时间快,约为 1μs,但输出电流小,在 50~300
μA之间 。 图 （ c） 形式传输效率高,但只适用于较低频率的装置中 。 图 （ d） 是一种高速,高传输效率的新颖器件 。 对图中所示无论何种形式,为保证其有较佳的灵敏度,都考虑了发光与接收波长的匹配 。
光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器,它具有抗干扰性能和单向信号传输功能,广泛应用在电路隔离,电平转换,噪声抑制,无触点开关及固态继电器等场合,
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 - 16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,这样起到检测作用 。 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 - 17 是基本电路的示例 。
（ a）,（ b） 表示负载为 CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况,（ 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光控制和光探测装置 。 可在自控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用途 。
五,
电荷耦合器件 （ Charge Couple Device,简称 CCD） 是一种金属氧化物半导体 （ MOS） 集成电路器件 。 它以电荷作为信号,基本功能是进行电荷的存储和电荷的转移 。 CCD自
1970年问世以来,由于其独特的性能而发展迅速,广泛应用于自动控制和自动测量,尤其适用于图像识别技术 。
１,CCD原理构成 CCD的基本单元是 MOS电容器,如 8 - 18(a)所示 。
与其它电容器一样,MOS电容器能够存储电荷 。
如果 MOS电容器中的半导体是 P型硅,当在金属电极上施加一个正电压时,在其电极下形成所谓耗尽层,由于电子在那里势能较低,形成了电子的势阱,如图 8 - 19(b)所示,成为蓄积电荷的场所 。 CCD的最基本结构是一系列彼此非常靠近的
MOS电容器,这些电容器用同一半导体衬底制成,衬底上面履盖一层氧化层,并在其上制作许多金属电极,各电极按三相
（ 也有二相和四相 ） 配线方式连接,图 8 - 19为三相 CCD时钟电压与电荷转移的关系 。 当电压从 φ1相移到 φ2相时,φ1相电极下势阱消失,φ2相电极下形成势阱 。 这样储存于 φ1相电极下势阱中的电荷移到邻近的 φ2相电极下势阱中,实现电荷的耦合与转移 。
CCD的信号是电荷,那么信号电荷是怎样产生的呢？ CCD
的信号电荷产生有两种方式,光信号注入和电信号注入 。
CCD用作固态图像传感器时,接收的是光信号,即光信号注入法 。 当光信号照射到 CCD硅片表面时,在栅极附近的半导体体内产生电子 -空穴对,其多数载流子 （ 空穴 ） 被排斥进入衬底,
而少数载流子 （ 电子 ） 则被收集在势阱中,形成信号电荷,并存储起来 。 存储电荷的多少正比于照射的光强 。 所谓电信号注入,就是 CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样,
将信号电压或电流转换为信号电荷 。
CCD输出端有浮置扩散输出端和浮置栅极输出端两种形式,如图 8 - 20所示。
浮置扩散输出端是信号电荷注入末级浮置扩散的 PN结之后,所引起的电位改变作用于 MOSFET的栅极 。 这一作用结果必然调制其源 -漏极间电流,这个被调制的电流即可作为输出 。 当信号电荷在浮置栅极下方通过时,浮置栅极输出端电位必然改变,检测出此改变值即为输出信号 。
通过上述的 CCD工作原理可看出,CCD器件具有存储,
转移电荷和逐一读出信号电荷的功能 。 因此 CCD器件是固体自扫描半导体摄像器件,有效地应用于图像传感器 。
２,CCD的应用 （ 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 。 感光部分是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元组成的阵列元件,光敏单元简称,像素,。 固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单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比例的,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电信号,图像,转送,经输出放大器输出 。
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图像传感器结构如图 8
- 21 所示 。 光敏元件作为光敏像素位于传感器中央,两侧设置
CCD移位寄存器,在它们之间设有转移控制栅 。
在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,在光积分周期里,光敏电极电压为高电平,光电荷与光照强度和光积分时间成正比,光电荷存储于光敏像敏单元的势阱中 。 当转移脉冲到来时,光敏单元按其所处位置的奇偶性,分别把信号电荷向两侧移位寄存器转送 。 同时,在 CCD移位寄存器上加上时钟脉冲,将信号电荷从 CCD中转移,由输出端一行行地输出 。
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来实现 。
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,帧转移和隔列转移,如图 8 - 22 所示 。
图 8 - 22（ 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 - 22（ b） 为帧转移面型 CCD的结构图 。 它由光敏区
（ 感光区 ）,存储区和水平读出寄存器三部分构成 。 图像成像到光敏区,当光敏区的某一相电极 （ 如 P） 加有适当的偏压时,光生电荷将被收集到这些光敏单元的势阱里,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区中,经输出端输出一帧信息 。 当整帧视频信号自存储区移出后,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 - 22（ c）所示结构是用得最多的一种结构形式。
它将一列光敏单元与一列存储单元交替排列 。 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,电荷信号进入存储区 。
随后,在每个水平回扫周期内,存储区中整个电荷图像一行一行地向上移到水平读出移位寄存器中,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摄像机及测试技术 。
六,光电传感器的应用
1,火焰探测报警器图 8 - 23 是采用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 1 MΩ,亮电阻为 0.2 MΩ(光照度 0.01 W/m2下测试的 ),峰值响应波长为 2.2μm。 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 6 V，
电流约为 6μΑ。 V2管集电极电阻两端并联 68 μF的电容,可以抑制 100 Hz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,器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度,保证火焰报警器能长期稳定地工作 。
2.
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 -24 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,红外发射管 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,因此要求探纬器具备高的灵敏度和分辨力 。 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力 。
3.
由于煤气是易燃,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 - 25 为燃气热水器中的高压打火确认电路原理图 。
在高压打火时,火花电压可达一万多伏,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,大大增强了电路抗干扰能力 。 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 。
4,CCD图像传感器应用
CCD图像传感器在许多领域内获得广泛的应用 。 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力和高灵敏度,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 - 26 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 。
根据几何光学原理,可以推导被测物体尺寸计算公式,即式中,n——
p——
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 。
M
npD?
8.2 光 纤 传 感 器一,
光纤传感器是 20世纪 70年代中期发展起来的一门新技术,
它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的 。
光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列优点,如不受电磁干扰,体积小,重量轻,可挠曲,灵敏度高,耐腐蚀,电绝缘,防爆性好,易与微机连接,便于遥测等 。 它能用于温度,
压力,应变,位移,速度,加速度,磁,电,声和 PH值等各种物理量的测量,具有极为广泛的应用前景 。
光纤传感器可以分为两大类,一类是功能型 （ 传感型 ） 传感器 ; 另一类是非功能型 （ 传光型 ） 传感器 。 功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度,相位,频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制过的信号进行解调,从而得出被测信号 。 非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传输介质 。
光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤 。 单模光纤的纤芯直径通常为 2~12 μm,很细的纤芯半径接近于光源波长的长度,仅能维持一种模式传播,一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤 ; 光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤 。
为了满足特殊要求,出现了保偏光纤,低双折射光纤,高双折射光纤等 。 所以采用新材料研制特殊结构的专用光纤是光纤传感技术发展的方向 。
二,
1,光纤的结构光导纤维简称为光纤,目前基本上还是采用石英玻璃,其结构示于图 8 - 27。 中心的圆柱体叫纤芯,围绕着纤芯的圆形外层叫做包层 。 纤芯和包层主要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,在包层外面还常有一层保护套,多为尼龙材料 。 光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质,而光纤的机械强度由保护套维持 。
2．
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,并随光纤能传送到很远的距离,光纤的传输是基于光的全内反射 。
当光纤的直径比光的波长大很多时,可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播 。 设有一段圆柱形光纤,如图 8
- 28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 θ角时,根据斯涅耳光的折射定律,在光纤内折射成 θ′,然后以 φ角入射至纤芯与包层的界面 。 若要在界面上发生全反射,则纤芯与界面的光线入射角 φ应大于临界角 φc,
φ≥φc =arcsin (8 - ２ )
并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射,直至传播到另一端面。
为满足光在光纤内的全内反射,光入射到光纤端面的临界入射角 θc应满足下式,
1
2
n
n
cc nnn
c o s)
2s i n (s i n 111
212222121 )()s i n1(
1 nnn c
所以
212220 )(s i n
1 nnn c
实际工作时需要光纤弯曲,但只要满足全反射条件,光线仍继续前进 。 可见这里的光线,转弯,实际上是由光的全反射所形成的 。
一般光纤所处环境为空气,则 n0=1。 这样在界面上产生全反射,
θ≤θc= arcsin
说明光纤集光本领的术语叫数值孔径 NA,
NA= sinθc= （ 8 - 5）
21222 )(
1 nn?
21222 )(
1 nn?
数值孔径反映纤芯接收光量的多少 。 其意义是,无论光源发射功率有多大,只有入射光处于 2θc的光锥内,光纤才能导光 。
如入射角过大,如图 8 - 28中角 θr,经折射后不能满足式 （ ８ - 2）
的要求,光线便从包层逸出而产生漏光 。 所以 NA是光纤的一个重要参数 。 一般希望有大的数值孔径,这有利于耦合效率的提高,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 。
三,
光纤传感器由于它的独特的性能而受到广泛的重视,它的应用正在迅速地发展 。 下面我们介绍几种主要的光纤传感器 。
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 - 29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考光束会合产生干涉效应 。 激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号,经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值 。
２,光纤温度传感器光纤温度传感器是目前仅次于加速度,压力传感器而广泛使用的光纤传感器 。 根据工作原理可分为相位调制型,光强调制型和偏振光型等 。 这里仅介绍一种光强调制型的半导体光吸收型光纤温度传感器,图 8 - 30为这种传感器的结构原理图,它的敏感元件是一个半导体光吸收器,光纤用来传输信号 。 传感器是由半导体光吸收器,光纤,发射光源和包括光控制器在内的信号处理系统等组成 。 它体积小,灵敏度高,
工作可靠,广泛应用于高压电力装置中的温度测量等特殊场合 。
这种传感器的基本原理是利用了多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性,如图 8 - 31所示,材料的吸收光波长将随温度增加而向长波方向移动,如果适当地选定一种波长在该材料工作范围内的光源,那么就可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化,从而达到测量温度的目的 。
这种光纤温度传感器结构简单,制造容易,成本低,便于推广应用,可在 -10~300℃ 的温度范围内进行测量,响应时间约为 2 s。
３,
光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入流管,
当液体或气体流经与其垂直的光纤时,光纤受到流体涡流的作用而振动,振动的频率与流速有关系,测出频率便可知流速 。
这种流量传感器结构示意图如图 8 - 32所示 。
当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时,
根据流体力学原理,在某些条件下,在非流线体的下游两侧产生有规则的旋涡,其旋涡的频率 f近似与流体的流速成正比,
f≈ (8 - 6)
式中,
v——流速 ;
d——流体中物体的横向尺寸大小 ;
S ——斯特罗哈 （ Strouhal） 数,它是一个无量纲的常数,
仅与雷诺数有关 。
式 （ 8 - 6） 是旋涡流体流量计测量流量的基本理论依据 。
由此可见,流体流速与涡流频率呈线性关系 。
d
sv
在多模光纤中,光以多种模式进行传输,在光纤的输出端,
各模式的光就形成了干涉花样,这就是光斑 。 一根没有外界扰动的光纤所产生的干涉图样是稳定的,当光纤受到外界扰动时,干涉图样的明暗相间的斑纹或斑点发生移动 。 如果外界扰动是由流体的涡流引起的,那么干涉图样的斑纹或斑点就会随着振动的周期变化来回移动,这时测出斑纹或斑点移动,即可获得对应于振动频率 f的信号,根据式 （ 8 - 6） 推算流体的流速 。
这种流量传感器可测量液体和气体的流量,因为传感器没有活动部件,测量可靠,而且对流体流动不产生阻碍作用,所以压力损耗非常小 。 这些特点是孔板,涡轮等许多传统流量计所无法比拟的 。
8.3 红 外 传 感红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术 。
它已在科技,国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用 。
红外传感器按其应用可分为以下几方面,① 红外辐射计,用于辐射和光谱辐射测量 ; ② 搜索和跟踪系统,用于搜索和跟踪红外目标,确定其空间位置并对它的运动进行跟踪 ; ③ 热成像系统,可产生整个目标红外辐射的分布图像,如红外图像仪,
多光谱扫描仪等 ; ④ 红外测距和通信系统 ; ⑤ 混合系统,是指以上各类系统中的两个或多个的组合 。
一,红外辐射红外辐射俗称红外线,它是一种不可见光,由于是位于可见光中红色光以外的光线,故称红外线 。 它的波长范围大致在 0.76~1000 μm,8 - 33
所示 。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分,即近红外,
中红外,远红外和极远红外 。
红外辐射的物理本质是热辐射 。 一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的 。 物体的温度越高,辐射出来的红外线越多,辐射的能量就越强 。 而且,红外线被物体吸收时,可以显著地转变为热能 。
红外辐射和所有电磁波一样,是以波的形式在空间直线传播的 。 它在大气中传播时,大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带,红外线气体分析器就是利用该特性工作的,
空气中对称的双原子气体,如 N2,O2,H2等不吸收红外线 。
而红外线在通过大气层时,有三个波段透过率高,它们是 2~2.6
μm,3~5 μm和 8~14 μm,统称它们为,大气窗口,。 这三个波段对红外探测技术特别重要,因为红外探测器一般都工作在这三个波段 （ 大气窗口 ） 之内 。
二,红外探测器红外传感器一般由光学系统,探测器,信号调理电路及显示系统等组成 。 红外探测器是红外传感器的核心 。 红外探测器种类很多,常见的有两大类,热探测器和光子探测器 。
1,热探测器热探测器是利用红外辐射的热效应,探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高,进而使有关物理参数发生相应变化,通过测量物理参数的变化,便可确定探测器所吸收的红外辐射 。
与光子探测器相比,热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低,响应时间长 。 但热探测器主要优点是响应波段宽,响应范围可扩展到整个红外区域,可以在室温下工作,
使用方便,应用仍相当广泛 。
热探测器主要类型有热释电型,热敏电阻型,热电偶型和气体型探测器 。 而热释电探测器在热探测器中探测率最高,频率响应最宽,所以这种探测器倍受重视,发展很快 。 这里主要介绍热释电探测器 。
热释电红外探测器由具有极化现象的热晶体或被称为
,铁电体,是的材料制做的 。,铁电体,的极化强度 （ 单位面积上的电荷 ） 与温度有关 。 当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时,引起薄片温度升高,使其极化强度降低,
表面电荷减少,这相当于释放一部分电荷,所以叫做热释电型传感器 。 如果将负载电阻与铁电体薄片相连,则负载电阻上便产生一个电信号输出 。 输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢,从而反映出入射的红外辐射的强弱,热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率 。
2,光子探测器光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电子的相互作用,改变电子的能量状态,引起各种电学现象 。
这称光子效应 。 通过测量材料电子性质的变化,可以知道红外辐射的强弱 。 利用光子效应制成的红外探测器,统称光子探测器 。 光子探测器有内光电和外光电探测器两种,后者又分为光电导,光生伏特和光磁电探测器等三种 。 光子探测器的主要特点是灵敏度高,响应速度快,具有较高的响应频率,但探测波段较窄,一般需在低温下工作 。
三,
1．
红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的 。 当物体的温度低于 1000℃ 时,它向外辐射的不再是可见光而是红外光了,可用红外探测器检测温度 。 如采用分离出所需波段的滤光片,可使红外测温仪工作在任意红外波段 。
图 8 - 34是目前常见的红外测温仪方框图 。 它是一个包括光,机,电一体化的红外测温系统,图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统,滤光片一般采用只允许 8~14 μm的红外辐射能通过的材料 。 步进电机带动调制盘转动,将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线 。 红外探测器一般为 (钽酸锂 ） 热释电探测器,透镜的焦点落在其光敏面上 。 被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上,红外探测器将红外辐射变换为电信号输出 。
红外测温仪电路比较复杂,包括前置放大,选频放大,温度补偿,线性化,发射率 （ ε） 调节等 。 目前已有一种带单片机的智能红外测温仪,利用单片机与软件的功能,大大简化了硬件电路,提高了仪表的稳定性,可靠性和准确性 。
红外测温仪的光学系统可以是透射式,也可以是反射式 。
反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜,并在镜的表面镀金,
铝,镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料 。
2,红外线气体分析红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的 。 不同气体的吸收波段
（ 吸收带 ） 不同,图 8 - 35给出了几种气体对红外线的透射光谱,从图中可以看出,CO气体对波长为 4.65μm附近的红外线具有很强的吸收能力,CO2气体则在 2.78μm和 4.26μm附近以及波长大于 13μm的范围,对红外线有较强的吸收能力 。 如分析
CO气体,则可以利用 4.26μm附近的吸收波段进行分析 。
图 8 - 36是工业用红外线气体分析仪的结构原理图 。 它由红外线辐射光源,气室,红外检测器及电路等部分组成 。
光源由镍铬丝通电加热发出 3～ 10 μm的红外线,切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线,以便于红外线检测器信号的检测 。 测量气室中通入被分析气体,参比气室中封入不吸收红外线的气体 （ 如 N2等 ） 。 红外检测器是薄膜电容型,
它有两个吸收气室,充以被测气体,当它吸收了红外辐射能量后,气体温度升高,导致室内压力增大 。 测量时 （ 如分析 CO气体的含量 ）,两束红外线经反射,切光后射入测量气室和参比气室 。 由于测量气室中含有一定量的 CO气体,该气体对
4.65μm的红外线有较强的吸收能力,而参比气室中气体不吸收红外线,这样射入红外探测器两个吸收气室的红外线光造成能量差异,使两吸收室压力不同,测量边的压力减小,于是薄膜偏向定片方向,改变了薄膜电容两电极间的距离,也就改变了电容 C。
如被测气体的浓度愈大,两束光强的差值也愈大,则电容的变化也愈大,因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度 。
图 8 - 36所示结构中还设置了滤波气室 。 它是为了消除干扰气体对测量结果的影响 。 所谓干扰气体,是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体,如 CO气体和 CO2气体在
4～ 5μm波段内红外吸收光谱有部分重叠,则 CO2的存在对分析
CO气体带来影响,这种影响称为干扰 。 为此,在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室,它能将 CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收,因此左右两边吸收气室的红外线能量之差只与被测气体 （ 如 CO） 的浓度有关 。
8.2 光纤传感器
8.３ 红外传感器返回主目录第 8章光电式传感器第 8章 光电式传感器
8.1 光电器件光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件,它是构成光电式传感器最主要的部件 。 光电器件响应快,结构简单,
使用方便,而且有较高的可靠性,因此在自动检测,计算机和控制系统中,应用非常广泛 。
光电器件工作的物理基础是光电效应 。 在光线作用下,
物体的电导性能改变的现象称为内光电效应,如光敏电阻等就属于这类光电器件 。 在光线作用下,能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应,如光电管,光电倍增管就属于这类光电器件 。
在光线作用下,能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应,如光电管,光电倍增管就属于这类光电器件 。 在光线作用下,能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应,即阻挡层光电效应,如光电池,光敏晶体管等就属于这类光电器件 。
一,
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 。 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 ） 急剧减少,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级,亮电阻在几千欧以下 。
图 8 - 1 为光敏电阻的原理结构 。 它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,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 。
２,光敏电阻的主要参数
（ １ ） 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,
此时流过的电流称为暗电流 。
（ ２ ） 亮电阻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 。
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 - 2
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） 光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性,亦称为光谱响应 。 图 8 - 3 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 。 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 。
（ 3） 温度特性温度变化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都要改变,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 - 4 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 。
二,
１,
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 -
5） 。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态 （ 见图 8-6
所示 ）,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结上时,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 。
光敏晶体管与一般晶体管很相似,具有两个 PN结,只是它的发射极一边做得很大,以扩大光的照射面积 。 图 8 - 7为 NPN
型光敏晶体管的结构简图和基本电路 。 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；当光照射在集电结上时,就会在结附近产生电子 -空穴对,从而形成光电流,相当于三极管的基极电流 。 由于基极电流的增加,因此集电极电流是光生电流的 β倍,所以光敏晶体管有放大作用 。
光敏二极管和光敏晶体管的材料几乎都是硅 （ Si） 。 在形态上,有单体型和集合型,集合型是在一块基片上有两个以上光敏二极管,比如在后面讲到的 CCD图像传感器中的光电耦合器件,就是由光敏晶体管和其它发光元件组合而成的 。
２,
（ １ ） 光谱特性光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图 8 - 8所示 。 从曲线可以看出,硅的峰值波长约为 0.9 μm,锗的峰值波长约为 1.5μm,此时灵敏度最大,而当入射光的波长增加或缩短时,相对灵敏度也下降 。 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 。 但对红外光进行探测时,锗管较为适宜 。
（ ２ ） 伏安特性图 8 - 9为硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲线 。 从图中可见,光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍 。
（ ３ ） 温度特性光敏晶体管的温度特性是指其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 - 10
所示 。 从特性曲线可以看出,温度变化对光电流影响很小,而对暗电流影响很大,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 。
表 8-2列出几种硅光电二极管的特性参数 。
三,
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下实质就是电源,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,。 它实质上是一个大面积的 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 - 11为工作原理图 。
（ 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 - 12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,硅光电池在 0.8μm附近,硒光电池在 0.5 μm附近 。
硅光电池的光谱响应波长范围为 0.4~1.2 μm,而硒光电池的范围只能为 0.38~0.75 μm。 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,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 - 13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成线性关系,开路电压
（ 负截电阻 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 。 因此光把电池作为测量元件时,应把它当作电流源的形式来使用,不能用作电压源 。
(3) 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 。 光电池的温度特性如图 8 - 14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,因此把它作为测量器件应用时,最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施 。
表 8 - 3 为国产硅光电池的特性参数 。 由表可见,硅光电池的最大开路电压为 600mV,在照度相等的情况下,光敏面积越大,输出的光电流也越大 。
四,光电耦合器件光电耦合器件是由发光元件 （ 如发光二极管 ） 和光电接收元件合并使用,以光作为媒介传递信号的光电器件 。 光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管,光电接收元件有光敏电阻,光敏二极管,光敏三极管或光可控硅等 。 根据其结构和用途不同,又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关 。
1．
光电耦合器的发光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 。 耦合器常见的组合形式如图 8 -
15所示 。
图 (a)所示的组合形式结构简单,成本较低,且输出电流较大,可达 100 mA,响应时间为 3~4μs。 图 (b)形式结构简单,
成本较低,响应时间快,约为 1μs,但输出电流小,在 50~300
μA之间 。 图 （ c） 形式传输效率高,但只适用于较低频率的装置中 。 图 （ d） 是一种高速,高传输效率的新颖器件 。 对图中所示无论何种形式,为保证其有较佳的灵敏度,都考虑了发光与接收波长的匹配 。
光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器,它具有抗干扰性能和单向信号传输功能,广泛应用在电路隔离,电平转换,噪声抑制,无触点开关及固态继电器等场合,
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 - 16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,这样起到检测作用 。 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 - 17 是基本电路的示例 。
（ a）,（ b） 表示负载为 CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况,（ 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光控制和光探测装置 。 可在自控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用途 。
五,
电荷耦合器件 （ Charge Couple Device,简称 CCD） 是一种金属氧化物半导体 （ MOS） 集成电路器件 。 它以电荷作为信号,基本功能是进行电荷的存储和电荷的转移 。 CCD自
1970年问世以来,由于其独特的性能而发展迅速,广泛应用于自动控制和自动测量,尤其适用于图像识别技术 。
１,CCD原理构成 CCD的基本单元是 MOS电容器,如 8 - 18(a)所示 。
与其它电容器一样,MOS电容器能够存储电荷 。
如果 MOS电容器中的半导体是 P型硅,当在金属电极上施加一个正电压时,在其电极下形成所谓耗尽层,由于电子在那里势能较低,形成了电子的势阱,如图 8 - 19(b)所示,成为蓄积电荷的场所 。 CCD的最基本结构是一系列彼此非常靠近的
MOS电容器,这些电容器用同一半导体衬底制成,衬底上面履盖一层氧化层,并在其上制作许多金属电极,各电极按三相
（ 也有二相和四相 ） 配线方式连接,图 8 - 19为三相 CCD时钟电压与电荷转移的关系 。 当电压从 φ1相移到 φ2相时,φ1相电极下势阱消失,φ2相电极下形成势阱 。 这样储存于 φ1相电极下势阱中的电荷移到邻近的 φ2相电极下势阱中,实现电荷的耦合与转移 。
CCD的信号是电荷,那么信号电荷是怎样产生的呢？ CCD
的信号电荷产生有两种方式,光信号注入和电信号注入 。
CCD用作固态图像传感器时,接收的是光信号,即光信号注入法 。 当光信号照射到 CCD硅片表面时,在栅极附近的半导体体内产生电子 -空穴对,其多数载流子 （ 空穴 ） 被排斥进入衬底,
而少数载流子 （ 电子 ） 则被收集在势阱中,形成信号电荷,并存储起来 。 存储电荷的多少正比于照射的光强 。 所谓电信号注入,就是 CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样,
将信号电压或电流转换为信号电荷 。
CCD输出端有浮置扩散输出端和浮置栅极输出端两种形式,如图 8 - 20所示。
浮置扩散输出端是信号电荷注入末级浮置扩散的 PN结之后,所引起的电位改变作用于 MOSFET的栅极 。 这一作用结果必然调制其源 -漏极间电流,这个被调制的电流即可作为输出 。 当信号电荷在浮置栅极下方通过时,浮置栅极输出端电位必然改变,检测出此改变值即为输出信号 。
通过上述的 CCD工作原理可看出,CCD器件具有存储,
转移电荷和逐一读出信号电荷的功能 。 因此 CCD器件是固体自扫描半导体摄像器件,有效地应用于图像传感器 。
２,CCD的应用 （ 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 。 感光部分是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元组成的阵列元件,光敏单元简称,像素,。 固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单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比例的,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电信号,图像,转送,经输出放大器输出 。
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图像传感器结构如图 8
- 21 所示 。 光敏元件作为光敏像素位于传感器中央,两侧设置
CCD移位寄存器,在它们之间设有转移控制栅 。
在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,在光积分周期里,光敏电极电压为高电平,光电荷与光照强度和光积分时间成正比,光电荷存储于光敏像敏单元的势阱中 。 当转移脉冲到来时,光敏单元按其所处位置的奇偶性,分别把信号电荷向两侧移位寄存器转送 。 同时,在 CCD移位寄存器上加上时钟脉冲,将信号电荷从 CCD中转移,由输出端一行行地输出 。
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来实现 。
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,帧转移和隔列转移,如图 8 - 22 所示 。
图 8 - 22（ 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 - 22（ b） 为帧转移面型 CCD的结构图 。 它由光敏区
（ 感光区 ）,存储区和水平读出寄存器三部分构成 。 图像成像到光敏区,当光敏区的某一相电极 （ 如 P） 加有适当的偏压时,光生电荷将被收集到这些光敏单元的势阱里,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区中,经输出端输出一帧信息 。 当整帧视频信号自存储区移出后,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 - 22（ c）所示结构是用得最多的一种结构形式。
它将一列光敏单元与一列存储单元交替排列 。 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,电荷信号进入存储区 。
随后,在每个水平回扫周期内,存储区中整个电荷图像一行一行地向上移到水平读出移位寄存器中,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摄像机及测试技术 。
六,光电传感器的应用
1,火焰探测报警器图 8 - 23 是采用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 1 MΩ,亮电阻为 0.2 MΩ(光照度 0.01 W/m2下测试的 ),峰值响应波长为 2.2μm。 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 6 V，
电流约为 6μΑ。 V2管集电极电阻两端并联 68 μF的电容,可以抑制 100 Hz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,器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度,保证火焰报警器能长期稳定地工作 。
2.
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 -24 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,红外发射管 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,因此要求探纬器具备高的灵敏度和分辨力 。 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力 。
3.
由于煤气是易燃,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 - 25 为燃气热水器中的高压打火确认电路原理图 。
在高压打火时,火花电压可达一万多伏,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,大大增强了电路抗干扰能力 。 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 。
4,CCD图像传感器应用
CCD图像传感器在许多领域内获得广泛的应用 。 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力和高灵敏度,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 - 26 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 。
根据几何光学原理,可以推导被测物体尺寸计算公式,即式中,n——
p——
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 。
M
npD?
8.2 光 纤 传 感 器一,
光纤传感器是 20世纪 70年代中期发展起来的一门新技术,
它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的 。
光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列优点,如不受电磁干扰,体积小,重量轻,可挠曲,灵敏度高,耐腐蚀,电绝缘,防爆性好,易与微机连接,便于遥测等 。 它能用于温度,
压力,应变,位移,速度,加速度,磁,电,声和 PH值等各种物理量的测量,具有极为广泛的应用前景 。
光纤传感器可以分为两大类,一类是功能型 （ 传感型 ） 传感器 ; 另一类是非功能型 （ 传光型 ） 传感器 。 功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度,相位,频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制过的信号进行解调,从而得出被测信号 。 非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传输介质 。
光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤 。 单模光纤的纤芯直径通常为 2~12 μm,很细的纤芯半径接近于光源波长的长度,仅能维持一种模式传播,一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤 ; 光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤 。
为了满足特殊要求,出现了保偏光纤,低双折射光纤,高双折射光纤等 。 所以采用新材料研制特殊结构的专用光纤是光纤传感技术发展的方向 。
二,
1,光纤的结构光导纤维简称为光纤,目前基本上还是采用石英玻璃,其结构示于图 8 - 27。 中心的圆柱体叫纤芯,围绕着纤芯的圆形外层叫做包层 。 纤芯和包层主要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,在包层外面还常有一层保护套,多为尼龙材料 。 光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质,而光纤的机械强度由保护套维持 。
2．
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,并随光纤能传送到很远的距离,光纤的传输是基于光的全内反射 。
当光纤的直径比光的波长大很多时,可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播 。 设有一段圆柱形光纤,如图 8
- 28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 θ角时,根据斯涅耳光的折射定律,在光纤内折射成 θ′,然后以 φ角入射至纤芯与包层的界面 。 若要在界面上发生全反射,则纤芯与界面的光线入射角 φ应大于临界角 φc,
φ≥φc =arcsin (8 - ２ )
并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射,直至传播到另一端面。
为满足光在光纤内的全内反射,光入射到光纤端面的临界入射角 θc应满足下式,
1
2
n
n
cc nnn
c o s)
2s i n (s i n 111
212222121 )()s i n1(
1 nnn c
所以
212220 )(s i n
1 nnn c
实际工作时需要光纤弯曲,但只要满足全反射条件,光线仍继续前进 。 可见这里的光线,转弯,实际上是由光的全反射所形成的 。
一般光纤所处环境为空气,则 n0=1。 这样在界面上产生全反射,
θ≤θc= arcsin
说明光纤集光本领的术语叫数值孔径 NA,
NA= sinθc= （ 8 - 5）
21222 )(
1 nn?
21222 )(
1 nn?
数值孔径反映纤芯接收光量的多少 。 其意义是,无论光源发射功率有多大,只有入射光处于 2θc的光锥内,光纤才能导光 。
如入射角过大,如图 8 - 28中角 θr,经折射后不能满足式 （ ８ - 2）
的要求,光线便从包层逸出而产生漏光 。 所以 NA是光纤的一个重要参数 。 一般希望有大的数值孔径,这有利于耦合效率的提高,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 。
三,
光纤传感器由于它的独特的性能而受到广泛的重视,它的应用正在迅速地发展 。 下面我们介绍几种主要的光纤传感器 。
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 - 29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考光束会合产生干涉效应 。 激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号,经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值 。
２,光纤温度传感器光纤温度传感器是目前仅次于加速度,压力传感器而广泛使用的光纤传感器 。 根据工作原理可分为相位调制型,光强调制型和偏振光型等 。 这里仅介绍一种光强调制型的半导体光吸收型光纤温度传感器,图 8 - 30为这种传感器的结构原理图,它的敏感元件是一个半导体光吸收器,光纤用来传输信号 。 传感器是由半导体光吸收器,光纤,发射光源和包括光控制器在内的信号处理系统等组成 。 它体积小,灵敏度高,
工作可靠,广泛应用于高压电力装置中的温度测量等特殊场合 。
这种传感器的基本原理是利用了多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性,如图 8 - 31所示,材料的吸收光波长将随温度增加而向长波方向移动,如果适当地选定一种波长在该材料工作范围内的光源,那么就可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化,从而达到测量温度的目的 。
这种光纤温度传感器结构简单,制造容易,成本低,便于推广应用,可在 -10~300℃ 的温度范围内进行测量,响应时间约为 2 s。
３,
光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入流管,
当液体或气体流经与其垂直的光纤时,光纤受到流体涡流的作用而振动,振动的频率与流速有关系,测出频率便可知流速 。
这种流量传感器结构示意图如图 8 - 32所示 。
当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时,
根据流体力学原理,在某些条件下,在非流线体的下游两侧产生有规则的旋涡,其旋涡的频率 f近似与流体的流速成正比,
f≈ (8 - 6)
式中,
v——流速 ;
d——流体中物体的横向尺寸大小 ;
S ——斯特罗哈 （ Strouhal） 数,它是一个无量纲的常数,
仅与雷诺数有关 。
式 （ 8 - 6） 是旋涡流体流量计测量流量的基本理论依据 。
由此可见,流体流速与涡流频率呈线性关系 。
d
sv
在多模光纤中,光以多种模式进行传输,在光纤的输出端,
各模式的光就形成了干涉花样,这就是光斑 。 一根没有外界扰动的光纤所产生的干涉图样是稳定的,当光纤受到外界扰动时,干涉图样的明暗相间的斑纹或斑点发生移动 。 如果外界扰动是由流体的涡流引起的,那么干涉图样的斑纹或斑点就会随着振动的周期变化来回移动,这时测出斑纹或斑点移动,即可获得对应于振动频率 f的信号,根据式 （ 8 - 6） 推算流体的流速 。
这种流量传感器可测量液体和气体的流量,因为传感器没有活动部件,测量可靠,而且对流体流动不产生阻碍作用,所以压力损耗非常小 。 这些特点是孔板,涡轮等许多传统流量计所无法比拟的 。
8.3 红 外 传 感红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术 。
它已在科技,国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用 。
红外传感器按其应用可分为以下几方面,① 红外辐射计,用于辐射和光谱辐射测量 ; ② 搜索和跟踪系统,用于搜索和跟踪红外目标,确定其空间位置并对它的运动进行跟踪 ; ③ 热成像系统,可产生整个目标红外辐射的分布图像,如红外图像仪,
多光谱扫描仪等 ; ④ 红外测距和通信系统 ; ⑤ 混合系统,是指以上各类系统中的两个或多个的组合 。
一,红外辐射红外辐射俗称红外线,它是一种不可见光,由于是位于可见光中红色光以外的光线,故称红外线 。 它的波长范围大致在 0.76~1000 μm,8 - 33
所示 。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分,即近红外,
中红外,远红外和极远红外 。
红外辐射的物理本质是热辐射 。 一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的 。 物体的温度越高,辐射出来的红外线越多,辐射的能量就越强 。 而且,红外线被物体吸收时,可以显著地转变为热能 。
红外辐射和所有电磁波一样,是以波的形式在空间直线传播的 。 它在大气中传播时,大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带,红外线气体分析器就是利用该特性工作的,
空气中对称的双原子气体,如 N2,O2,H2等不吸收红外线 。
而红外线在通过大气层时,有三个波段透过率高,它们是 2~2.6
μm,3~5 μm和 8~14 μm,统称它们为,大气窗口,。 这三个波段对红外探测技术特别重要,因为红外探测器一般都工作在这三个波段 （ 大气窗口 ） 之内 。
二,红外探测器红外传感器一般由光学系统,探测器,信号调理电路及显示系统等组成 。 红外探测器是红外传感器的核心 。 红外探测器种类很多,常见的有两大类,热探测器和光子探测器 。
1,热探测器热探测器是利用红外辐射的热效应,探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高,进而使有关物理参数发生相应变化,通过测量物理参数的变化,便可确定探测器所吸收的红外辐射 。
与光子探测器相比,热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低,响应时间长 。 但热探测器主要优点是响应波段宽,响应范围可扩展到整个红外区域,可以在室温下工作,
使用方便,应用仍相当广泛 。
热探测器主要类型有热释电型,热敏电阻型,热电偶型和气体型探测器 。 而热释电探测器在热探测器中探测率最高,频率响应最宽,所以这种探测器倍受重视,发展很快 。 这里主要介绍热释电探测器 。
热释电红外探测器由具有极化现象的热晶体或被称为
,铁电体,是的材料制做的 。,铁电体,的极化强度 （ 单位面积上的电荷 ） 与温度有关 。 当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时,引起薄片温度升高,使其极化强度降低,
表面电荷减少,这相当于释放一部分电荷,所以叫做热释电型传感器 。 如果将负载电阻与铁电体薄片相连,则负载电阻上便产生一个电信号输出 。 输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢,从而反映出入射的红外辐射的强弱,热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率 。
2,光子探测器光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电子的相互作用,改变电子的能量状态,引起各种电学现象 。
这称光子效应 。 通过测量材料电子性质的变化,可以知道红外辐射的强弱 。 利用光子效应制成的红外探测器,统称光子探测器 。 光子探测器有内光电和外光电探测器两种,后者又分为光电导,光生伏特和光磁电探测器等三种 。 光子探测器的主要特点是灵敏度高,响应速度快,具有较高的响应频率,但探测波段较窄,一般需在低温下工作 。
三,
1．
红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的 。 当物体的温度低于 1000℃ 时,它向外辐射的不再是可见光而是红外光了,可用红外探测器检测温度 。 如采用分离出所需波段的滤光片,可使红外测温仪工作在任意红外波段 。
图 8 - 34是目前常见的红外测温仪方框图 。 它是一个包括光,机,电一体化的红外测温系统,图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统,滤光片一般采用只允许 8~14 μm的红外辐射能通过的材料 。 步进电机带动调制盘转动,将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线 。 红外探测器一般为 (钽酸锂 ） 热释电探测器,透镜的焦点落在其光敏面上 。 被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上,红外探测器将红外辐射变换为电信号输出 。
红外测温仪电路比较复杂,包括前置放大,选频放大,温度补偿,线性化,发射率 （ ε） 调节等 。 目前已有一种带单片机的智能红外测温仪,利用单片机与软件的功能,大大简化了硬件电路,提高了仪表的稳定性,可靠性和准确性 。
红外测温仪的光学系统可以是透射式,也可以是反射式 。
反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜,并在镜的表面镀金,
铝,镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料 。
2,红外线气体分析红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的 。 不同气体的吸收波段
（ 吸收带 ） 不同,图 8 - 35给出了几种气体对红外线的透射光谱,从图中可以看出,CO气体对波长为 4.65μm附近的红外线具有很强的吸收能力,CO2气体则在 2.78μm和 4.26μm附近以及波长大于 13μm的范围,对红外线有较强的吸收能力 。 如分析
CO气体,则可以利用 4.26μm附近的吸收波段进行分析 。
图 8 - 36是工业用红外线气体分析仪的结构原理图 。 它由红外线辐射光源,气室,红外检测器及电路等部分组成 。
光源由镍铬丝通电加热发出 3～ 10 μm的红外线,切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线,以便于红外线检测器信号的检测 。 测量气室中通入被分析气体,参比气室中封入不吸收红外线的气体 （ 如 N2等 ） 。 红外检测器是薄膜电容型,
它有两个吸收气室,充以被测气体,当它吸收了红外辐射能量后,气体温度升高,导致室内压力增大 。 测量时 （ 如分析 CO气体的含量 ）,两束红外线经反射,切光后射入测量气室和参比气室 。 由于测量气室中含有一定量的 CO气体,该气体对
4.65μm的红外线有较强的吸收能力,而参比气室中气体不吸收红外线,这样射入红外探测器两个吸收气室的红外线光造成能量差异,使两吸收室压力不同,测量边的压力减小,于是薄膜偏向定片方向,改变了薄膜电容两电极间的距离,也就改变了电容 C。
如被测气体的浓度愈大,两束光强的差值也愈大,则电容的变化也愈大,因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度 。
图 8 - 36所示结构中还设置了滤波气室 。 它是为了消除干扰气体对测量结果的影响 。 所谓干扰气体,是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体,如 CO气体和 CO2气体在
4～ 5μm波段内红外吸收光谱有部分重叠,则 CO2的存在对分析
CO气体带来影响,这种影响称为干扰 。 为此,在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室,它能将 CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收,因此左右两边吸收气室的红外线能量之差只与被测气体 （ 如 CO） 的浓度有关 。
