傳感器技術(shù) 教學(xué)課件作者 陳建元 第四章 光電式傳感器3

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1、第第4章章 光電式傳感器光電式傳感器41 光源與光輻射體光源與光輻射體光是電磁波譜中的一員，光的頻率（波長(zhǎng)）各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。由光的粒子說可知，光是以光速運(yùn)動(dòng)著的粒子（光子）流，一種頻率的光由能量相同的光子所組成，每個(gè)光子的能量為g=hv 412 光源與光輻射體光源與光輻射體白熾光源氣體放電光源發(fā)光二極管激光器紅外輻射激光器激光器激光是新穎的高亮度光，它是由各類氣體、固體或半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的頻率單純的光激光的形成必須具備三個(gè)條件：（1）具有能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)-增益介質(zhì)；（2）具有供給能量的激勵(lì)源；（3）具有提供反復(fù)進(jìn)行受激輻射場(chǎng)所的光學(xué)諧振

2、腔。激光的特性激光的特性方向性強(qiáng)、亮度高單色性好相干性好激光器激光器種類種類 固體激光器 氣體激光器液體激光器半導(dǎo)體激光器光纖激光器紅外輻射紅外輻射從紫光到紅光熱效應(yīng)逐漸增大，而熱效應(yīng)最大的為紅外光。在自然界中只要物體本身具有一定溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外光。例如電機(jī)、電器、爐火、甚至冰塊都能產(chǎn)生紅外輻射，又稱熱輻射。紅外光和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的紅外輻射的物體稱為黑體；能全部反射的物體稱為鏡體；能全部透過的物體稱為透明體；能部分反射、部分吸收的物體稱為灰體。嚴(yán)格地講，在自然界中，不存在黑體、鏡體與透明體。熱輻射體根據(jù)輻射體的光

3、譜發(fā)射率的變化規(guī)律分為黑體、灰體、選擇性輻射體三類。一個(gè)輻射體的發(fā)射率定義為該輻射體的輻射出射度與同溫度下黑體的輻射出射度之比，即 (t)=M(t)/Mb(t)熱輻射的基本規(guī)律熱輻射的基本規(guī)律普朗克公式42 光電效應(yīng)及器件光電效應(yīng)及器件 所謂光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。這里將紫外光、可見光和紅外光做統(tǒng)一考慮，把光電探測(cè)器分為光子探測(cè)器和熱探測(cè)器。在光子探測(cè)器中研究外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類。421 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比，即光強(qiáng)愈大，

4、意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。422 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光照射在半導(dǎo)體材料上，材料中處于價(jià)帶的電子吸收光子能量，通過禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價(jià)帶內(nèi)空穴增多，即能量必須大于材料的禁帶寬度Eg（圖4-7）才能產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)，因此叫內(nèi)光電效應(yīng)的臨界波長(zhǎng)O1293Eg（mm）。通常純凈半導(dǎo)體的禁帶寬度為 1eV 左右，例如鍺的 Eg 0.75eV，硅的Eg1.2 eV。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為兩種：光電

5、導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。半導(dǎo)體受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，使導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，阻值愈低。這種光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻和反向偏置工作的光敏二極管與三極管；光生伏特效應(yīng)是光照引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。光敏電阻光敏電阻光敏電阻是一種電阻器件。使用時(shí)，可加直流偏壓（無固定極性），或加交流電壓423 熱探測(cè)器熱探測(cè)器熱探測(cè)器也通稱為能量探測(cè)器，其原理是利用輻射的熱效應(yīng)，通過熱電變換來探測(cè)輻射。入射到探測(cè)器光敏面的輻射被吸收后，引起響應(yīng)元的溫度升高，響應(yīng)元材料的某一物理量隨之而發(fā)生變化。利用不同物理效應(yīng)可設(shè)計(jì)出不同類型的熱探測(cè)器，其中最常用的有

6、電阻溫度效應(yīng)（熱敏電阻）、溫差電效應(yīng)（熱電偶、熱電堆）和熱釋電效應(yīng)43 光電器件的特性光電器件的特性光電傳感器的光照特性、光譜特性以及峰值探測(cè)率、響應(yīng)時(shí)間等幾個(gè)主要參數(shù)，都取決于光電器件的性能。431 光照特性光照特性光電器件的靈敏度可用光照特性來表征，它反映了光電器件輸入光量與輸出光電流（光電壓）之間的關(guān)系。光敏電阻的光照特性呈非線性,光敏晶體管的靈敏度和線性度均好，因此在軍事、工業(yè)自動(dòng)控制和民用電器中應(yīng)用極廣，既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。432 光譜特性光譜特性光電器件的光譜特性是指相對(duì)靈敏度K與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系，又稱光譜響應(yīng)為了提高光電傳感器的靈敏度，對(duì)于包含光源與光電器件的

7、傳感器，應(yīng)根據(jù)光電器件的光譜特性合理選擇相匹配的光源和光電器件。對(duì)于被測(cè)物體本身可作光源的傳感器，則應(yīng)按被測(cè)物體幅射的光波波長(zhǎng)選擇光電器件。433 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間光電器件的響應(yīng)時(shí)間反映它的動(dòng)態(tài)特性，響應(yīng)時(shí)間小，表示動(dòng)態(tài)特性好。對(duì)于采用調(diào)制光的光電傳感器，調(diào)制頻率上限受響應(yīng)時(shí)間的限制。光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間一般為 101103s，光敏晶體管約為 2105s，光敏二極管的響應(yīng)速度比光敏三極管高一個(gè)數(shù)量級(jí)，硅管比鍺管高一個(gè)數(shù)量級(jí)。434 峰值探測(cè)率峰值探測(cè)率 峰值探測(cè)率源出于紅外探測(cè)器，后來沿用到其它光電器件。無光照時(shí)，由于器件存在著固有的散粒噪聲以及前置放大器輸入端的熱噪聲，光探測(cè)器件將產(chǎn)生輸出，這

8、一噪聲輸出常以噪聲等效功率PNE表征。PNE定義為：產(chǎn)生與器件暗電流大小相等的光電流的入射光量。它等于入射到光敏器件上能產(chǎn)生信號(hào)噪聲比為1的幅射功率值。PNE與光敏器件的有效光敏面積A和探測(cè)系統(tǒng)帶寬紂有關(guān)，而且是平方律關(guān)系。因此探測(cè)器件的性能常用峰值探測(cè)率D*表征，D*值大，噪聲等效功率小，光電器件性能好。即435 溫度特性溫度特性溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時(shí)對(duì)光譜特性也有很大影響。一般來說，光敏器件的光譜響應(yīng)峰值隨溫度升高而向短波方向移動(dòng)。因此，采取降溫措施，往往可以提高光敏電阻對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的響應(yīng)。在定溫條件下工作的光電器件由于靈敏度隨溫度而變，因此高精度檢測(cè)時(shí)有必要進(jìn)行溫度補(bǔ)償或使它

9、在恒溫條件下工作。44 探測(cè)器噪聲和低噪聲電子設(shè)計(jì)探測(cè)器噪聲和低噪聲電子設(shè)計(jì)441 噪聲研究噪聲的目的是為了了解傳感器系統(tǒng)，特別是光電系統(tǒng)所受的限制，這里所說的噪聲是指探測(cè)器、電路元件產(chǎn)生的隨機(jī)電起伏。本質(zhì)上講，大多數(shù)物理量都是不連續(xù)的或顆粒狀的。例如：電流是由電子流組成的，每一個(gè)電子都帶有一份獨(dú)立的電荷，電子通過電路中某一點(diǎn)的速率的隨機(jī)起伏，就表現(xiàn)為電噪聲。442 探測(cè)器噪聲的類型探測(cè)器噪聲的類型Johnson噪聲也稱熱噪聲，存在于所有探測(cè)器,一個(gè)電阻器就是一個(gè)熱噪聲發(fā)生器。熱平衡時(shí)，電阻元件中的電荷載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)在元件兩端產(chǎn)生的隨機(jī)電壓。當(dāng)電阻溫度上升時(shí)，電荷載流子的平均動(dòng)能增加，則噪聲

10、電壓增加。熱噪聲存在于所有探測(cè)器，其噪聲電壓可表達(dá)為443 低噪聲電子設(shè)計(jì)低噪聲電子設(shè)計(jì)一、噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)也叫噪聲因素，是器件或電路對(duì)于噪聲的品質(zhì)因素。如一個(gè)放大電路的增益為G，則它的噪聲系數(shù)定義為：微弱信號(hào)檢測(cè)（微弱信號(hào)檢測(cè)（Weak Signal Detection）技術(shù)概述）技術(shù)概述1、相干檢測(cè)2、時(shí)域信號(hào)的平均處理3、離散信號(hào)的計(jì)數(shù)處理45 新型光電檢測(cè)器新型光電檢測(cè)器451 光位置傳感器（PSD）半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）452 量子阱探測(cè)器量子阱探測(cè)器(QWIP)量子阱探測(cè)器(QWIP)：將兩種半導(dǎo)體材料A和B用人工方法薄層交替生長(zhǎng)形成超晶格，在其界面，能帶有突變。電子和空

11、穴被限制在低勢(shì)能阱A層內(nèi)，能量量子化，稱為量子阱。利用量子阱中能級(jí)電子躍遷原理可以做紅外探測(cè)器。453光電磁探測(cè)器光電磁探測(cè)器光磁電（PEM）效應(yīng)CCD的基本原理的基本原理CCD器件就是由大量的在同一襯底上集成的MOS電容陣列。CCD的基本功能就是要具有在勢(shì)阱中存儲(chǔ)信號(hào)電荷，并將其轉(zhuǎn)移的能力，故CCD又可稱移位寄存器。三、三、CCD圖像傳感器圖像傳感器1、線型CCD圖像傳感器2、面型CCD圖像傳感器 1、線型、線型CCD圖像傳感器圖像傳感器 線型圖像傳感器是由一列感光單元（稱為光敏元陣列）和一列CCD并行而構(gòu)成的。光敏元和CCD之間有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵，基本結(jié)構(gòu)如圖所示。2、面型、面型CCD圖像傳

12、感器圖像傳感器線型CCD圖像傳感器只能在一個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)電子自掃描。為獲得二維圖像，除了必須采用龐大的機(jī)械掃描裝置外，另一個(gè)突出的缺點(diǎn)是每個(gè)像素的積分時(shí)間僅相當(dāng)于一個(gè)行時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度難以提高。四、光敏二極管四、光敏二極管CMOS圖像傳感器圖像傳感器光敏二極管CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)目前主要有兩種：無源像素圖像傳感器PPS(Passive Pixel Sensor)和有源像素圖像傳感器APS(Active Pixel Sensor)CMOS的兩種像素結(jié)構(gòu)的兩種像素結(jié)構(gòu)CMOS芯片組成框圖芯片組成框圖五、高速光電器件五、高速光電器件光電傳感器的響應(yīng)速度是重要指標(biāo)，隨著光通信及光信息處理技術(shù)的提高，

13、一批高速光電器件應(yīng)運(yùn)而生。1、PIN結(jié)光電二極管（PIN-PD）2、雪崩式光電二極管（APD）46 激光傳感技術(shù)激光傳感技術(shù)利用光學(xué)原理，通過光波的一些物理特性進(jìn)行精密測(cè)試，是一種非常重要的測(cè)試技術(shù)方法。由于光學(xué)測(cè)試方法具有非接觸、高靈敏度、高精度以及動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，因此其在實(shí)際應(yīng)用中具有廣闊的前景。461 干涉測(cè)試技術(shù)干涉測(cè)試技術(shù)光的干涉現(xiàn)象主要是由于光的波動(dòng)性-光的電磁波本質(zhì)。干涉測(cè)試是以光學(xué)干涉原理為基礎(chǔ)進(jìn)行精密測(cè)試的技術(shù)，通常是以干涉條紋的形式來反映被測(cè)物理量的信息，因此其測(cè)量靈敏度都達(dá)到了光波長(zhǎng)的量級(jí).462 衍射測(cè)試技術(shù)衍射測(cè)試技術(shù)激光具有非常好的單色性、高亮度和方向性，使實(shí)

14、際測(cè)試應(yīng)用中比較容易產(chǎn)生清晰的衍射圖像。激光衍射測(cè)試方法是一種發(fā)展很快的非接觸精密測(cè)試方法，由于其操作簡(jiǎn)單、計(jì)算方便、性能穩(wěn)定、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn).463 激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)一、光學(xué)多普勒效應(yīng)測(cè)速的基本原理 根據(jù)愛因斯坦狹義相對(duì)論，可以得到多普勒效應(yīng)的光波頻移量。當(dāng)光源相對(duì)于探測(cè)器運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖所示，為光源相對(duì)于探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)速度，探測(cè)器接收到的光波頻率為光學(xué)多普勒效應(yīng)光學(xué)多普勒效應(yīng)二、光學(xué)多普勒頻移的測(cè)量二、光學(xué)多普勒頻移的測(cè)量光外差光外差方法方法在大多數(shù)實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中，是利用了光學(xué)外差檢測(cè)方法來對(duì)頻移量進(jìn)行測(cè)量的。這一方法源于無線電技術(shù)中的外差檢波原理，將兩束頻率不同的光波入射具

15、有平方律響應(yīng)的光電探測(cè)器（如光電倍增管、硅光二極管、雪崩二極管等）中，兩光波在探測(cè)器中疊加混頻，由于光波頻率很高，原入射光波以及它們的和頻等高頻成分的振蕩速度太快，超過了探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間，探測(cè)器輸出的只是它們的時(shí)間平均值，只有差頻成分存在隨時(shí)間變化的信號(hào)輸出，這被稱為光學(xué)外差檢測(cè)技術(shù)。47 光纖傳感器光纖傳感器光纖是20世紀(jì)后半葉的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體光電探測(cè)器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，即光電子學(xué)新領(lǐng)域。光纖的最初研究是為了通訊。由于光纖具有許多新的特性，因此在其他領(lǐng)域也發(fā)展了許多新的應(yīng)用，其中之一就是構(gòu)成光纖傳感器。471 光纖傳感器基礎(chǔ)光纖傳感器基礎(chǔ)一、光纖波導(dǎo)原理 光纖的基本結(jié)

16、構(gòu)與波導(dǎo)472 光纖傳感器中幾種常用的光光纖傳感器中幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)強(qiáng)調(diào)制技術(shù)一、微彎效應(yīng) 微彎調(diào)制器原理圖四、偏振調(diào)制與解調(diào)四、偏振調(diào)制與解調(diào)1、調(diào)制原理（1）普克耳（Pockels）效應(yīng)（2）法拉第磁光效應(yīng)（3）光彈效應(yīng)473 光纖干涉?zhèn)鞲衅髟砉饫w干涉?zhèn)鞲衅髟?482 光電尺寸測(cè)量舉例光電尺寸測(cè)量舉例線型CCD傳感器測(cè)量物體尺寸的基本原理外徑檢測(cè)系統(tǒng)外徑檢測(cè)系統(tǒng)483 激光傳感技術(shù)實(shí)例激光傳感技術(shù)實(shí)例一、激光位移干涉儀 激光位移干涉儀通常采用經(jīng)典的邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，由于使用了激光，光源的相干性和亮度均較好，因此一般情況下不需要用小孔光闌來提高相干度，由于激光的相干長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在實(shí)

17、際應(yīng)用中無需補(bǔ)償板即可進(jìn)行較大長(zhǎng)度和位移的測(cè)量。采用角隅棱鏡的光路采用角隅棱鏡的光路二、雙頻激光外差干涉儀二、雙頻激光外差干涉儀三、激光衍射測(cè)試技術(shù)三、激光衍射測(cè)試技術(shù) 1、間隙計(jì)量法 所謂間隙計(jì)量法就是通過測(cè)量參考物與被測(cè)物之間的間隙所形成的衍射暗條紋位置或位置的變化，來達(dá)到測(cè)量位置、位移的目的，它是激光衍射測(cè)試技術(shù)的主要方法四、激光多普勒測(cè)速四、激光多普勒測(cè)速1、移相法 這種方法是用兩個(gè)光電探測(cè)器同時(shí)進(jìn)行光學(xué)外差檢測(cè)。2、移頻法 由于光學(xué)外差檢測(cè)技術(shù)只能測(cè)量出兩光波頻率差的絕對(duì)值，因此無法對(duì)運(yùn)動(dòng)速度方向進(jìn)行判斷。若在外差檢測(cè)之前人為使兩光波之一的頻率產(chǎn)生一個(gè)確定的移動(dòng)，則就可以對(duì)差額的正負(fù)

18、進(jìn)行判斷。484 光纖傳感器實(shí)例光纖傳感器實(shí)例一、光纖角速度傳感器（光纖陀螺）光纖角速度傳感器又名光纖陀螺，其理論測(cè)量精度遠(yuǎn)高于機(jī)械和激光陀螺儀，它以塞格納克效應(yīng)為其物理基礎(chǔ)。三、光纖光柵傳感器三、光纖光柵傳感器 光纖光柵傳感技術(shù)是國(guó)際上近十年發(fā)展起來的新型傳感技術(shù)，既用光纖感測(cè)信號(hào)又用光纖傳輸信號(hào)，是以光纖為載體的傳感技術(shù)的最杰出代表。分布式光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)光纖光柵結(jié)構(gòu)、制作過程示意圖光纖光柵結(jié)構(gòu)、制作過程示意圖利用可調(diào)諧利用可調(diào)諧Fabry-Perot腔對(duì)腔對(duì)FBG波長(zhǎng)進(jìn)行解調(diào)的方案波長(zhǎng)進(jìn)行解調(diào)的方案485 機(jī)器人視覺傳感器機(jī)器人視覺傳感器一、視覺檢測(cè) 視覺檢測(cè)主

19、要由機(jī)器人視覺傳感系統(tǒng)的硬件來完成，機(jī)器人視覺傳感系統(tǒng)機(jī)器人視覺傳感系統(tǒng)二、圖像處理二、圖像處理 機(jī)器人在獲得一幀視覺圖像之后，首先需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，以減小噪聲和圖像的畸變和退化，圖像處理主要有空間域處理和頻率域處理兩種方法。三、圖像描述三、圖像描述 圖像描述是為了從圖像中提取特征而達(dá)到識(shí)別的目的，為此要采用一些描述符。這些描述符應(yīng)和所描述物體的大小、位置、旋轉(zhuǎn)和方法無關(guān)，這些描述符應(yīng)包含描述物體所必需的足夠的信息。四、機(jī)器人視覺傳感器的應(yīng)用四、機(jī)器人視覺傳感器的應(yīng)用 機(jī)器人視覺傳感器的應(yīng)用（Consigh系統(tǒng)）思考題思考題簡(jiǎn)述把被測(cè)物理量和化學(xué)量轉(zhuǎn)變成敏感元件上輻照度變化的方法。當(dāng)確定了信噪比要求后，應(yīng)如何估算對(duì)光源、傳輸、光學(xué)孔徑、敏感元件、放大器的要求？舉出你所知道的不同原理的光電敏感器件。查閱有關(guān)資料（包括網(wǎng)站）給出你對(duì)光電敏感器件發(fā)展的看法。采用光學(xué)分析儀器測(cè)量含有一氧化碳（CO）和甲烷（CH4）的氣體。已知一氧化碳吸收光譜帶在4.65m處，甲烷的吸收光譜帶在3.3m和7.2m處。試考慮用何種半導(dǎo)體材料光電元件檢測(cè)合適，并考慮對(duì)濾光片的要求。何謂光電池的開路電壓及短路電流？為什么最為檢測(cè)元件時(shí)常用短路電流輸出形式？（a）光盤信息記錄形式）光盤信息記錄形式（b）DVD光盤結(jié)構(gòu)光盤結(jié)構(gòu)