第二节 自扫描光电二极管阵列
(SSPD)
?自扫描,分 线阵 和 面阵
一、电荷存储原理
预充电 — 放 电（积分） --充电（信号输出）
--放电（积分） --充电（信号输出） --
（ 1）预充电,Q=CdUc （ 2-4）
（ 2）曝光（放电）,ΔQ=（ Ip+ID） Ts
≈IpTs（ 2-5）
放电结束,Ucd=Uc-ΔQ/Cd（ 2-6）
（ 3）再充电（信号输出）：
ULmax=Uc-Ucd= ΔQ/Cd（ 2-7）
? ULmax=IpTs/Cd=SpETs/Cd （ 2-8）
? IL= Ulmax/RL=IpTs/τ； τ =RLCd （ 2-9）
?最大曝光量 Hmax=（ ETs） max
=CdUc/Sp （ 2-10）
τ
二,SSPD器件
1.线阵 SSPD
(1) 感光部分 ;(2)多路开关 ;(3)移位寄存器,
?波形图,
2.面阵 SSPD
二维扫描 (水平和垂直 );视频 Uout增加控制
先行后列,换行时留出 2个像元采样时间,便
于 消隐,波形自阅,
3.开关噪声及补偿
有两种补偿方法, (1)阵列补偿
(2)邻近位
三,SSPD主要特性参数（自阅）
四,SSPD信号读出及放大电路
1.电流放大输出
Uo=IosRf (2-11) Rs 调整合适
2.电荷积分输出
Uo=CdUd/Cf (2-12)
特点,信噪比高,动态范围宽,但读出速度低,
第三节 光电位置传感器（ PSD）
? 与象限探测器比较,有如下优点,
1) 对光斑形状要求不严,便于测量
2) 光敏面无需分割,消除了死区,分辨率高,
3) 可同时检测位置和光强
一,PSD的工作原理和位置表达式
?光点距中心位置,
I2 - I1 X
A=---------L (2-14)I2 + I1
I0=I2+11 与入射光能成正比
二、一维 PSD及等效电路
三、二维 PSD及其等效电路
用于测定光点在二维平面（ x,y）的坐标。
1.两面分离型 PSD:互相垂直的两对电极分
两层,灵敏度,线性度和分辨率高,
2.表面分离性 PSD:互相垂直的两对电极在
同一表面,加偏压容易,暗电流小,响应速度
快,
3.改进的表面分离性 PSD
多四个电阻
见下图 2-20
I’x-Ix I’y-IyX=-------L ; y=--------L ; (2-15)
Ix+I’x Iy+I’y
两种 PSD的特性曲线,
3.PSD转换电路
对输出的光电流进行电流 -电压转换并放大,
第四节 输液过程中的光点传感器
? 光电传感器作为信息采集元件的优点,
1) 非接触,
2) 响应速度快 (10-1~10-6s).
3) 受环境影响小,
4) 测量精度高
缺点,信号弱 ;背景光干扰等
应用实例,医用静脉输液 液滴检测 系统,
茂非式滴管,每一滴 1/15mL,检测液滴数量,
一、液滴的光学特性
?液体有透明、半透明和不透明的。
先以 透明液体 分析。
?设液体的光学折射率与水相近,n=4/3；液
滴的横截面直径为 2r，则 O与 O’的距离
2r2l=r+------------------=2r （ 2-17）
nr+2（ n-1） r
一般为 2.5~3mm
设光源强度为 φ 0; φ ’0 为 O’的光强度 ; φ ’’0
为光敏元件接收的光强,
则,
φ’’0=4πφ’0 sin2(α /4) (2-18)
tan(α/2)=D2/X2 (2-19)
D2为光敏面直径 ; X2为光敏面到 O’的距离
?为获得最佳测量效果,应使 φ’’0等于 φ 0的
一半 ;有液滴的光电流为无液滴的光电流
的一半,
则,D3=21/2 D2 (2-20)
2r/D1≈X2/D3; X2≈(23/2 D2/D1)r (2-21)
X1=2r+X2 (2-22)
对于半透明和不透明的液滴情况更简单。
二、光电式液滴传感器
由红外发光、光电二极管构成。
D1=3mm； D2=3mm； X1不小于 4.1r
三,信号调理电路
?为消除日光、灯光等背景光的干扰，将
发光的光强调制成 10kHz的载波。
芯片用 LM567；每个脉冲 1/15mL的液滴。
?作业,1.电荷存储的 3个过程
2.线阵和面阵的 SSPD特点,
3.一维 PSD的原理及转换电路
4.由图 2-25分析说明 X1的求解条
件和结果 (2-22)
(SSPD)
?自扫描,分 线阵 和 面阵
一、电荷存储原理
预充电 — 放 电（积分） --充电（信号输出）
--放电（积分） --充电（信号输出） --
（ 1）预充电,Q=CdUc （ 2-4）
（ 2）曝光（放电）,ΔQ=（ Ip+ID） Ts
≈IpTs（ 2-5）
放电结束,Ucd=Uc-ΔQ/Cd（ 2-6）
（ 3）再充电（信号输出）：
ULmax=Uc-Ucd= ΔQ/Cd（ 2-7）
? ULmax=IpTs/Cd=SpETs/Cd （ 2-8）
? IL= Ulmax/RL=IpTs/τ； τ =RLCd （ 2-9）
?最大曝光量 Hmax=（ ETs） max
=CdUc/Sp （ 2-10）
τ
二,SSPD器件
1.线阵 SSPD
(1) 感光部分 ;(2)多路开关 ;(3)移位寄存器,
?波形图,
2.面阵 SSPD
二维扫描 (水平和垂直 );视频 Uout增加控制
先行后列,换行时留出 2个像元采样时间,便
于 消隐,波形自阅,
3.开关噪声及补偿
有两种补偿方法, (1)阵列补偿
(2)邻近位
三,SSPD主要特性参数（自阅）
四,SSPD信号读出及放大电路
1.电流放大输出
Uo=IosRf (2-11) Rs 调整合适
2.电荷积分输出
Uo=CdUd/Cf (2-12)
特点,信噪比高,动态范围宽,但读出速度低,
第三节 光电位置传感器（ PSD）
? 与象限探测器比较,有如下优点,
1) 对光斑形状要求不严,便于测量
2) 光敏面无需分割,消除了死区,分辨率高,
3) 可同时检测位置和光强
一,PSD的工作原理和位置表达式
?光点距中心位置,
I2 - I1 X
A=---------L (2-14)I2 + I1
I0=I2+11 与入射光能成正比
二、一维 PSD及等效电路
三、二维 PSD及其等效电路
用于测定光点在二维平面（ x,y）的坐标。
1.两面分离型 PSD:互相垂直的两对电极分
两层,灵敏度,线性度和分辨率高,
2.表面分离性 PSD:互相垂直的两对电极在
同一表面,加偏压容易,暗电流小,响应速度
快,
3.改进的表面分离性 PSD
多四个电阻
见下图 2-20
I’x-Ix I’y-IyX=-------L ; y=--------L ; (2-15)
Ix+I’x Iy+I’y
两种 PSD的特性曲线,
3.PSD转换电路
对输出的光电流进行电流 -电压转换并放大,
第四节 输液过程中的光点传感器
? 光电传感器作为信息采集元件的优点,
1) 非接触,
2) 响应速度快 (10-1~10-6s).
3) 受环境影响小,
4) 测量精度高
缺点,信号弱 ;背景光干扰等
应用实例,医用静脉输液 液滴检测 系统,
茂非式滴管,每一滴 1/15mL,检测液滴数量,
一、液滴的光学特性
?液体有透明、半透明和不透明的。
先以 透明液体 分析。
?设液体的光学折射率与水相近,n=4/3；液
滴的横截面直径为 2r，则 O与 O’的距离
2r2l=r+------------------=2r （ 2-17）
nr+2（ n-1） r
一般为 2.5~3mm
设光源强度为 φ 0; φ ’0 为 O’的光强度 ; φ ’’0
为光敏元件接收的光强,
则,
φ’’0=4πφ’0 sin2(α /4) (2-18)
tan(α/2)=D2/X2 (2-19)
D2为光敏面直径 ; X2为光敏面到 O’的距离
?为获得最佳测量效果,应使 φ’’0等于 φ 0的
一半 ;有液滴的光电流为无液滴的光电流
的一半,
则,D3=21/2 D2 (2-20)
2r/D1≈X2/D3; X2≈(23/2 D2/D1)r (2-21)
X1=2r+X2 (2-22)
对于半透明和不透明的液滴情况更简单。
二、光电式液滴传感器
由红外发光、光电二极管构成。
D1=3mm； D2=3mm； X1不小于 4.1r
三,信号调理电路
?为消除日光、灯光等背景光的干扰，将
发光的光强调制成 10kHz的载波。
芯片用 LM567；每个脉冲 1/15mL的液滴。
?作业,1.电荷存储的 3个过程
2.线阵和面阵的 SSPD特点,
3.一维 PSD的原理及转换电路
4.由图 2-25分析说明 X1的求解条
件和结果 (2-22)
