第7章光電傳感器7.1光電轉換系統的構成7.2光電效應7.3主要光電器件7.4光電傳感器應用實例7.5光纖傳感器7.6紅外傳感器7.7

CCD圖像傳感器7.8光電傳感器設計實例7.9光電傳感器的選擇7.1光電轉換系統的構成

1.系統框圖圖7－1光電轉換系統框圖

2.各部分作用

光源:宇宙間的物體有的發光,有的不發光,我們把發光的物體叫做光源。物理學上將能發出一定波長范圍電磁波(包括可見光與紫外線、紅外線和X光線等不可見光)的物體稱為光源。太陽、白熾燈、燃燒著的蠟燭等都是光源。

大多數光源都在向外輻射能量,它們的溫度比環境溫度高,也是熱源。其中白熾燈發出的光是連續的電磁波,包括一切波段。

LED、LCD、日光照明燈等都是冷光源。冷光源是利用化學能、電能、生物能激發的光源(螢火蟲、霓虹燈等)。冷光源具有十分優良的光學、變閃特性,由于它的溫度并不比環境溫度高,因此避免了與熱量積累相關的一系列問題。冷光源的特點是把其他的能量幾乎全部轉化為可見光,其他波長的光很少;而熱光源就不同,除了有可見光外還有大量的紅外光,它將相當一部分能量轉化為對照明沒有貢獻的紅外光。

光調制器:光調制器就是實現從電信號到光信號的轉換的器件。信息由光源發出的光波所攜帶,光波就是載波,把信息加載到光波上的過程就是調制。

光電轉換器:將調制過的光信號變為調制電信號的器件。

解調電路:將調制電信號進行解調處理的器件。 7.2光電效應

7.2.1外光電效應

光照射于某一物體上,使電子從這些物體表面逸出的現象稱為外光電效應,也稱為光電發射。逸出來的電子稱為光電子。外光電效應可由愛因斯坦光電方程來描述:式中:m——電子質量;

v——電子逸出物體表面時的初速度;

h——普朗克常數,h＝6.626×10-34J·s;

ν——入射光頻率;

A——物體逸出功。

根據愛因斯坦假設:一個光子的能量只能給一個電子,因此一個單個的光子把全部能量傳給物體中的一個自由電子,使自由電子能量增加hν,這些能量一部分用于克服逸出功A,另一部分作為電子逸出時的初動能mv2/2。逸出功與材料的性質有關。當材料選定后,要使物體表面有電子逸出,入射光的頻率ν有一最低的限度,當hν小于A時,即使光通量很大,也不可能有電子逸出。這個最低限度的頻率稱為紅限頻率,相應的波長稱為紅限波長。在hν大于A(入射光頻率超過紅限頻率)的情況下,光通量越大,逸出的電子數目也越多,電路中的光電流也越大。7.2.2光導效應

光導效應是指半導體因光照射而產生更多的電子-空穴對,使其導電性能增強,即光致電阻變化的現象。許多金屬硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛及硒化鉛等在受到光照時均會出現電阻下降的現象。當輻射能量足夠強的光照射到本征半導體材料上時,材料的價帶上的電子將被激發到導帶上去,如圖7－2所示,從而使導帶的電子和價帶的空穴增加,致使光導體的電導率變大。圖7－2電子能級示意圖7.2.3光生伏特效應

光生伏特效應是指光線作用能使半導體材料產生一定方向電動勢的現象。光生伏特效應又可分為勢壘效應(結光電效應)和側向光電效應。勢壘效應的機理是在金屬和半導體的接觸區(或在PN結)中,電子受光子的激發脫離勢壘(或禁帶)的束縛而產生電子-空穴對,在阻擋層內電場的作用下電子移向N區外側,空穴移向P區外側,形成光生電動勢。側向光電效應是當光電器件敏感面受光照不均勻時,受光激發而產生的電子-空穴對的濃度也不均勻,電子向未被照射部分擴散,引起光照部分帶正電、未被光照部分帶負電的一種現象。 7.3主要光電器件

7.3.1光電管

1.結構與工作原理

光電管是依外光電效應制成的光電元件。光電管有真空光電管和充氣光電管兩類。兩者結構相似,如圖7－3所示。圖7－3光電管的實物圖和外形圖(a)真空光電管的結構;(b)中心陽極型;(c)半圓柱陰極型金屬陽極和陰極封裝在一個玻璃殼內,當入射光照射在陰極時,光子的能量傳遞給陰極表面的電子,當電子獲得的能量足夠大時,就有可能克服金屬表面對電子的束縛(稱為逸出功)而逸出金屬表面,形成電子而發射,這種電子稱為光電子。在光照頻率高于陰極材料紅限頻率的前提下,溢出電子數取決于光通量,光通量越大,則溢出電子越多。當光電管陽極與陰極間加適當正向電壓(數十伏)時,從陰極表面溢出的電子被具有正向電壓的陽極所吸引,在光電管中形成電流,稱為光電流。光電流正比于光電子數,而光電子數又正比于光通量。光電管的測量電路如圖7－4所示。其中,充氣光電管內充有少量的惰性氣體,如氬或氖。當充氣光電管的陰極被光照射后,光電子在飛向陽極的途中,和氣體的原子發生碰撞而使氣體電離,因此增加了光電流,從而使光電管的靈敏度增加。但導致了充氣光電管的光電流與入射光強度不成比例關系,因而其穩定性差,受非線性、惰性、溫度等的影響大。圖7－4光電管的測量電路圖

2.主要性能

1)伏安特性

在一定的光照射下,對光電器件的陽極所加電壓與陽極所產生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性。真空光電管和充氣光電管的伏安特性分別如圖7－5所示。它是應用光電傳感器參數的主要依據。圖7－5真空光電管和充氣光電管的伏安特性

(a)真空光電管;(b)充氣光電管2)光照特性

當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時,光通量與光電流之間的關系稱為光電管的光照特性。光電管的光照特性曲線如圖7－6所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性,它的光電流與光通量呈線性關系;曲線2為銻銫陰極光電管的光照特性,它的光電流與光通量呈非線性關系。光照特性曲線的斜率(光電流與入射光通量之比)稱為光電管的靈敏度。圖7－6光電管的光照特性3)光譜特性

一般對于光電陰極材料不同的光電管,它們有不同的紅限頻率ν0,因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外,即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率ν0,并且強度相同,隨著入射光頻率的不同,陰極發射的光電子的數量也會不同,即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同,這就是光電管的光譜特性。7.3.2光敏電阻

1.結構與工作原理

光敏電阻又稱光導管,它的工作原理是基于光導效應的。構成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導體。半導體的導電能力完全取決于半導體導帶內載流子數目的多少。當光敏電阻受到光照時,若光子能量hν大于該半導體材料的禁帶寬度,則價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶,成為自由電子,同時產生空穴,電子-空穴對的出現使電阻率變小了。光照越強,光生電子-空穴對就越多,阻值就越低。入射光消失,電子-空穴對逐漸復合,電阻也逐漸恢復原值。光敏電阻沒有極性,是電阻元件,使用時既可加直流電壓,也可加交流電壓。無光照時,光敏電阻值(暗電阻)很大,電路中電流(暗電流)很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照射時,它的阻值(亮電阻)急劇減小,電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好,亮電阻越小越好,此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級,亮電阻值在幾千歐以下。圖7－7所示為光敏電阻的原理結構。它是涂于玻璃底板上的一薄層半導體物質,半導體的兩端裝有金屬電極,金屬電極與引出導線相連接,光敏電阻就通過引出線接入電路。為了增加靈敏度,兩電極常做成梳狀。為了防止周圍介質的影響,在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜,漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長范圍內光譜透射比最大。圖7－7光敏電阻的原理結構圖

2.主要參數

1)暗電阻和暗電流

光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻,此時流過的電流稱為暗電流。

2)亮電阻和亮電流

光敏電阻在受光照射時的阻值稱為亮電阻,此時流過的電流稱為亮電流。

3)光電流

亮電流與暗電流之差稱為光電流。

3.基本特性

1)伏安特性

在一定照度下,流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系稱為光敏電阻的伏安特性。由圖7－8所示的硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線可見,光敏電阻在一定電壓范圍內的伏安特性曲線為直線,說明其阻值與入射光量有關,而與電流電壓無關。圖7－8硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線

2)光譜特性

光敏電阻的相對光靈敏度與入射波長的關系稱為光譜特性,也稱為光譜響應。圖7－9為幾種不同材料的光敏電阻的光譜特性。對應于不同波長,光敏電阻的靈敏度是不同的。從圖中可以看出,硫化鎘光敏電阻的光譜響應的峰值在可見光區域內,常被用作光亮度測量(照度計)的探頭;而硫化鉛光敏電阻響應于近紅外和中紅外區,常用作火焰探測器的探頭。圖7－9幾種不同材料光敏電阻的光譜特性3)溫度特性

溫度變化影響光敏電阻的光譜響應,同時,光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變,尤其是響應于紅外區的硫化鉛光敏電阻受溫度影響很大。

圖7－10所示為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線,它的峰值隨著溫度的上升向波長短的方向移動。因此,硫化鉛光敏電阻要在低溫和恒溫的條件下使用。對于可見光的光敏電阻,溫度對其影響要小一些。圖7－10硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線7.3.3光敏二極管和三極管

1.光敏二極管的結構及工作原理

光敏二極管的結構與一般二極管的不同之處在于:光敏二極管的PN結設置在透明管殼頂部的正下方,可以直接受到光的照射。圖7－11所示是其結構示意圖,它在電路中處于反向偏置狀態,如圖7－12所示。圖7－11光敏二極管的結構示意圖圖7－12光敏二極管的測試電路在沒有光照時,由于二極管反向偏置,因此反向電流很小,這時的電流稱為暗電流,相當于普通二極管的反向飽和漏電流。當光照射在二極管的PN結(又稱耗盡層)上時,在PN結附近產生的電子-空穴對數量也隨之增加,光電流也相應增大,光電流與照度成正比。光敏二極管的原理圖如圖7－13所示。圖7－13光敏二極管的工作原理圖目前還研制出了幾種新型的光敏二極管,它們都具有優異的特性。

(1)PIN光敏二極管。它在P區和N區之間插入一層電阻率很大的I層,從而減小了PN結的電容,提高了工作頻率。PIN光敏二極管的工作電壓(反向偏置電壓)高達100V左右,光電轉換效率較高,所以其靈敏度比普通的光敏二極管高得多。它的響應頻率可達數十兆赫茲,可用作光盤的讀出光敏元件。特殊結構的PIN二極管還可用于測量紫外線或γ射線以及短距離光纖通信。

(2)APD光敏二極管(雪崩光敏二極管)。它是一種具有內部倍增放大作用的光敏二極管,工作電壓高達上百伏。

當APD光敏二極管有一個外部光子射入到其PN結上時,將產生一個電子-空穴對。由于PN結上施加了很高的反向偏壓,PN結中的電場強度可達104V/mm左右,因此將光子所產生的光電子加速到具有很高的動能,撞擊其他原子,產生新的電子-空穴對。如此多次碰撞,以致最終造成載流子按幾何級數劇增的“雪崩”效應,形成對原始光電流的放大作用,增益可達幾千倍,而雪崩產生和恢復所需的時間小于1ns。所以APD光敏二極管的工作頻率可達幾千兆赫茲,非常適用于微光信號檢測以及長距離光纖通信等,可以取代光電倍增管。

2.光敏三極管的結構及工作原理

光敏三極管有兩個PN結。與普通三極管相似,它也有電流增益。圖7－14示出了NPN型光敏三極管的結構。多數光敏三極管的基極沒有引出線,只有正、負(c、e)兩個引腳,所以其外形與光敏二極管相似,從外觀上很難區別。

光線通過透明窗口落在基區及集電結上,當電路按圖7－15所標示的電壓極性連接時,集電結反偏,發射結正偏。當入射光子在集電結附近產生電子-空穴對后,與普通三極管的電流放大作用相似,集電極電流Ic是原始光電流的β倍,因此光敏三極管比二極管的靈敏度高許多。圖7－14

NPN型光敏三極管的結構圖7－15

NPN光敏三極管的結構

3.光敏晶體管的基本特性

1)光譜特性

不同材料的光敏晶體管對不同波長的入射光,其相對靈敏度Kr是不同的,即使是同一種材料(如硅光敏晶體管),只要控制其PN結的制造工藝,也能得到不同的光譜特性。例如,硅光敏元件的峰值波長為0.8μm左右,但現在已分別制出對紅外線、可見光直至藍光敏感的光敏晶體管,其光譜特性分別如圖7－16中的曲線1、2、3所示。有時還可以在光敏晶體管的透光窗口上配以不同顏色的濾光玻璃,以達到光譜修正的目的,使光譜響應峰值波長為1.3μm左右。圖7－16光敏晶體管的光譜特性

2)伏安特性

圖7－17示出了某型號的光敏二極管及光敏三極管的伏安特性。在圖7－17(a)中,硅光敏二極管工作在第三象限。流過它的電流與光照度成正比(間隔相當),而基本上與反向偏置電壓Uo無關。當Uo＝0時,仍然有電流流出光敏二極管,此時它相當于一個光電池。但由于其PN結面積比光電池小得多,光電效率很低,因此正常使用時還是施加1.5V以上的反向工作電壓為宜。

光敏三極管在不同照度下的伏安特性與一般晶體管在不同基極電流下的輸出特性相似,如圖7－17(b)所示。從圖中可以看出,光敏三極管的工作電壓一般應大于3V。若在伏安特性曲線上作負載線,便可求得某光強下的輸出電壓Uce。圖7－17光敏二極管及光敏三極管的伏安特性

3)光電特性

圖7－18中的曲線1、2分別是某種型號光敏二極管、光敏三極管的光電特性,從圖上可以看出,光電流IФ與光照度成線性關系。光敏三極管的光電特性曲線斜率較大,說明其靈敏度較高。圖7－18光敏晶體管的光電特性

4)溫度特性

溫度變化對亮電流影響不大,但對暗電流的影響非常大,并且是非線性的,將給微光測量帶來誤差。硅光敏三極管的溫漂比硅光敏二極管大許多。雖然硅光敏三極管的靈敏度較高,但在高精度測量中卻必須選用硅光敏二極管,并采用低溫漂、高精度的運算放大器來提高靈敏度。

5)響應時間

工業級硅光敏二極管的響應時間為10-5～10-7s左右。光敏三極管的響應時間比相應的二極管約慢一個數量級,因此在要求快速響應或入射光調制頻率(明暗交替頻率)較高時,應選用硅光敏二極管。7.3.4光電池

1.結構、工作原理及特點

圖7－19是光電池結構示意圖,它通常是在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面。當入射光子的能量足夠大時,P型區每吸收一個光子就產生一對光生電子-空穴對,光生電子-空穴對的濃度從表面向內部迅速下降,形成由表及里擴散的自然趨勢。PN結又稱空間電荷區,它的內電場(N區帶正電、P區帶負電)使擴散到PN結附近的電子-空穴對分離,電子通過漂移運動被拉到N型區,空穴留在P區,所以N區帶負電,P區帶正電。如果光照是連續的,經短暫的時間(μs數量級),新的平衡狀態建立后,PN結兩側就有一個穩定的光生電動勢輸出。圖7－19光電池結構示意圖圖7－20硅光電池的外形圖

2.基本特性

1)光譜特性

圖7－21示出了硒、硅、鍺光電池的光譜特性。隨著制造業的進步,硅光電池已具有從藍紫到近紅外的寬光譜特性。目前許多廠家已生產出峰值波長為0.7μm(可見光)的硅光電池,在紫光(0.4μm)附近仍有65％～70％的相對靈敏度,這大大擴展了硅光電池的應用領域。硒光電池和鍺光電池由于穩定性較差,目前應用較少。圖7－21硒、硅、鍺光電池的光譜特性

2)光電特性

硅光電池的負載電阻不同,輸出電壓和電流也不同。圖7－22所示為硅光電池的光電特性。開路電壓Uo與光照度的關系是非線性的,近似于對數關系,在2000lx照度以上就趨于飽和。由實驗測得,負載電阻越小,光電流與照度之間的線性關系就越好。當負載短路時,光電流在很大程度上與照度成線性關系,因此當測量與光照度成正比的其他非電量時,應把光電池作為電流源來使用;當被測非電量是開關量時,可以把光電池作為電壓源來使用。圖7－22硅光電池的光電特性

3)伏安特性

圖7－23是某型號硅光電池的伏安特性。當RL很小(例如圖中所示的500Ω)時,光照度E每變化100lx,其輸出的光電流IΦ的間隔基本相等,說明此時IΦ與E成正比。從伏安特性曲線上還可以看到,此時的輸出電壓雖然很小,但基本上與光照度E成正比。當RL增大時,輸出電流與輸出電壓的非線性越來越大。圖7－23硅光電池的伏安特性

4)溫度特性

光電池的溫度特性描述的是光電池的開路電壓Uo及短路電流Io隨溫度變化的特性。從圖7－24可以看出,開路電壓隨溫度增加而下降,電壓溫度系數約為-2mV/℃;短路電流隨溫度上升緩慢增加,輸出電流的溫度系數較小。當光電池作為檢測元件時,應考慮溫度漂移的影響,采取相應措施進行補償。圖7－24光電池的溫度特性

5)頻率特性

頻率特性描述的是入射光的調制頻率與光電池輸出電流間的關系。由于光電池受照射產生電子-空穴對需要一定的時間,因此當入射光調制頻率太高時,光電池輸出的光電流將下降。硅光電池的面積越小,PN結的極間電容也越小,頻率響應就越好。硅光電池的頻率響應可達數十千赫茲至數兆赫茲。硒光電池的頻率特性較差,目前已較少使用。7.3.5光電耦合器

光電耦合器的結構如圖7－25所示,它是近幾年發展起來的一種半導體光電器件。由于光電耦合器具有體積小、壽命長、抗干擾能力強、工作溫度寬及無觸點輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點,被廣泛地應用在電子技術領域及工業自動控制領域中,它可以代替繼電器、變壓器、斬波器等,而用于隔離電路、開關電路、數/模轉換、邏輯電路、過流保護、長線傳輸、高壓控制及電平匹配等。圖7－25光電耦合器的結構光電耦合器(光電隔離器)是利用發光元件與光敏元件封裝為一體而構成的電-光-電轉換的器件,加到發光器件上的電信號為耦合器的輸入信號,接收器件輸出的信號為耦合器的輸出信號。當有信號電壓加到光電耦合器的輸入端時,發光器件發光,光敏管受光照而產生光電流,使輸出端產生相應的電信號,從而實現了電-光-電的傳輸和轉換。

光電耦合器采用密封管殼,不受外界光的干擾。同時,由于器件利用光作為信號傳輸介質,輸入端與輸出端之間在電氣上是完全絕緣的。它的抗電磁干擾能力很強,因此在測試技術、計算機控制技術等領域作為優良的電氣耦合與隔離元件而被大量使用。 7.4光電傳感器應用實例

7.4.1光控路燈控制器

光控路燈是一種自動照明燈,它適用于醫院、學生宿舍及公共場所。它白天不會亮而晚上自動亮,應用電路如圖7－26所示。VD為觸發二極管,觸發電壓約為30V左右。在白天,光敏電阻的阻值低,其分壓低于30V(A點),觸發二極管截止,雙向晶閘管無觸發電流,呈斷開狀態。晚上天黑,光敏電阻阻值增加,A點電壓大于30V,觸發極G導通,雙向晶閘管呈導通狀態,電燈亮。R1、C1為保護雙向晶閘管的電路。圖7－26光控路燈控制電路7.4.2光電轉速測量裝置

光電轉速測量裝置屬于開關式傳感器,該類傳感器的輸出信號對應于光電元件“有”、“無”受到光照兩種狀態,即輸出的是斷續變化的開關信號。這類傳感器要求光電元件靈敏度高,而對元件的光照特性的線性要求不高。它在自動計數、光控開關、光電編碼器、光電報警裝置及其他光電輸入設備等應用場合有廣泛的使用。光電轉速測量裝置工作原理示意圖如圖7－27所示。當電機轉軸轉動時黑白兩色交替出現,使得反光與不反光交替出現,光電元件接收到間斷的反射光信號,并輸出脈沖。這樣,電機轉軸的轉速變換成相應頻率的脈沖,通過測量脈沖頻率就可以得到轉速值。圖7－28所示為在電機轉軸上固定一個有若干透光孔的調制盤,當轉軸轉動時,由發光二極管發出的光被調制盤調制成隨時間變化的調制光,并與轉軸轉速相對應。

實現上述脈沖頻率的測量方法有頻率－電壓變換(FVC)、數字頻率計、單片機CTC計數等,這些方法具有結構簡單、可靠性高、測量精度較高等優點。圖7－27光電轉速測量裝置的工作原理圖7－28光電轉速測量裝置的工作原理(加調制盤)7.4.3測光文具盒電路

測光文具盒電路如圖7－29所示。學生在學習時,如果不注意學習環境光線的強弱,很容易損壞視力。測光文具盒是在文具盒上加裝測光電路組成的,它不僅有文具盒的功能,又能顯示光線的強弱,可指導學生在合適的光線下學習,以保護視力。圖7－29測光文具盒電路測光文具盒電路中采用2CR11硅光電池作為測光傳感器,它被安裝在文具盒的表面,直接感受光的強弱,采用兩個發光二極管作為光照強弱的指示。當光照度小于100lx,即較暗時,光電池產生的電壓較低,晶體管VT壓降較大或處于截止狀態,兩個發光二極管都不亮。當光照度在100～200lx之間時,發光二極管VD2點亮,表示光照度適中。當光照度大于200lx時,光電池產生的電壓較高,晶體管VT壓降較小,此時兩個發光二極管均點亮,表示光照太強了,為了保護視力,應減弱光照。調試時可借助測光表的讀數,調電路中的電位器RP和電阻R*,使電路滿足上述要求。 7.5光纖傳感器

7.5.1光纖的結構與傳光原理

1.光纖的結構

目前實用的光纖絕大多數采用由纖芯、包層和外護套三個同心圓組成的結構形式,如圖7－30所示。纖芯的折射率大于包層的折射率,這樣,光線就能在纖芯中進行全反射,從而實現光的傳導;外護套處于光纖的最外層,包圍著包層區。外護套的功能有兩個:一是加強光纖的機械強度;二是保證外面的光不能進入光纖之中。圖中所示的結構中還有緩沖層,它用以進一步保護包層和纖芯。圖7－30光纖的結構

2.光纖的傳光原理

光在空間是直線傳播的,在光纖中,光的傳輸被限制在光纖中,并隨光纖傳送到很遠的距離,光纖的傳輸是基于光的全反射的。當光纖的直徑比光的波長大很多時,可以用幾何光學的方法來說明光在光纖內的傳播。

根據幾何光學理論,當光線以某一較小的入射角θ1,由折射率較大的光密物質射向折射率較小的光疏物質時,一部分入射光以折射角θ2折射入光疏物質,其余部分以θ1角度反射回光密物質,根據光的折射定律,光折射和反射之間的關系為(7－1)式中:n1,n2——光密物質和光疏物質的折射率。當光線的入射角θ1增大到某一角度θc時,透射入光疏物質的光線的折射角θ2=90°,折射光沿界面傳播,稱此時的入射角θc為臨界角。大于臨界角入射的光線在介質交界面全部被反射回來,即發生光的全反射現象。臨界角由下式確定:(7－2)從上式可知:臨界角θc僅與介質的折射率之比有關。利用光的全反射原理,只要使射入光纖端面的光線與光軸的夾角小于一定值,使得光纖中的光線發生全反射時,則光線射不出光纖的纖芯(纖芯折射率>包層折射率),如圖7－31所示。圖7－31光纖的傳光原理7.5.2光纖傳感器的原理與分類

1.光纖傳感器的原理

光纖傳感器的基本原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器,使待測參數與進入調制器的光相互作用后,導致光的光學性質(如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等)發生變化,成為被調制的信號光,再經過光纖送入光探測器,經解調器解調后,獲得被測參數。

由于光纖既是一種電光材料,又是一種磁光材料,即同電和磁存在著某些相互作用的效應,因而可以說光纖兼具“傳”和“感”兩種功能。

2.光纖傳感器的分類

在光纖傳感器技術領域里,可以利用的光學性質和光學現象很多,而且光纖傳感器的應用領域極廣,從最簡單的產品統計到對被測對象的物理、化學或生物等參量進行連續監測、控制等,都可以采用光纖傳感器。其分類方法可根據光纖在其中的作用、光受被測量調制的形式或根據光纖傳感器中對光信號的檢測方法的不同來劃分。

1)根據光纖在傳感器中的作用分類

根據光纖在傳感器中作用的不同,光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三類,如圖7－32所示。圖7－32功能型、非功能型和拾光型光纖傳感器

(1)功能型(全光纖型)光纖傳感器。光纖在其中不僅是導光媒質,而且也是敏感元件,光在光纖內受被測量調制。此類傳感器的優點是結構緊湊、靈敏度高。但是,它須用特殊光纖和先進的檢測技術,因此成本高。

(2)非功能型(傳光型)光纖傳感器。光纖在其中僅起導光作用,光照在非光纖型敏感元件上受被測量調制。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術,比較容易實現,成本低。但靈敏度也較低,因而用于對靈敏度要求不太高的場合。

(3)拾光型光纖傳感器。此類傳感器用光纖作為探頭,接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型的例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。

2)根據光受被測對象的調制形式分類

根據光受被測對象的調制形式,光纖傳感器可分為以下四類:

(1)強度調制型光纖傳感器。這是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數的變化,而導致光強度變化來實現敏感測量的傳感器。常見的有利用光纖的微彎損耗,各物質的吸收特性,振動膜或液晶的反射光強度的變化,物質因各種粒子射線或化學、機械的激勵而發光的現象,以及物質的熒光輻射或光路的遮斷等來構成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調制型光纖傳感器。這類光纖傳感器的優點是結構簡單、容易實現、成本低。其缺點是受光源強度的波動和連接器損耗變化等的影響較大。

(2)偏振調制光纖傳感器。這是一種利用光的偏振態的變化來傳遞被測對象信息的傳感器。常見的有利用光在磁場中媒質內傳播的法拉第效應做成的電流、磁場傳感器;利用光在電場中的壓電晶體內傳播的泡爾效應做成的電場、電壓傳感器;利用物質的光彈效應構成的壓力、振動或聲傳感器;以及利用光纖的雙折射性構成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳感器可以避免光源強度變化的影響,因此靈敏度高。

(3)頻率調制光纖傳感器。這是一種利用由被測對象引起的光頻率的變化來進行監測的傳感器。通常有利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應制成的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器;利用物質受強光照射時的喇曼散射制成的測量氣體濃度或監測大氣污染的氣體傳感器;以及利用光致發光的溫度傳感器等。

(4)相位調制傳感器。其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用,使敏感元件的折射率或傳播常數發生變化,從而導致光的相位變化,然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。通常有:利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器;利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器;利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用Sagnac效應的旋轉角速度傳感器(光纖陀螺)等。這類傳感器的靈敏度很高,但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統,因此成本高。7.5.3光纖傳感器的應用實例

作為20世紀70年代中期出現的一種新型傳感器,光纖傳感器是對以電信號為基礎的傳統傳感器的變革。通過前面對光纖傳感器工作原理的介紹可知,光纖可以被應用到很多領域。目前的工程應用中,光纖可以構成位移、應變、壓力、速度、加速度、轉距、角速度、角加速度、溫度、電流、電壓、濃度、流量、流速,以及磁、光、聲、射線等近百種物理量檢測的傳感器,所以光纖傳感器可被稱為萬能傳感器。當然,光纖傳感器在開發過程中還有不少實際困難,如噪聲源、檢測方法、封裝、光纖的被覆蓋等問題。因此,光纖傳感器的實用化仍在研制中。

1)光纖位移傳感器

圖7－33所示為光纖位移測量的原理圖。光纖作為信號傳輸介質,起導光作用。光源發出的光束經過光纖1射到被測物體上并發生散射,有部分光線進入光纖2并被光電探測器件(此處為光敏二極管)接收,轉變為電信號。由于入射光的散射作用隨著距離x的大小而變化,因而進入光纖2的光強也會發生變化,光電探測器件轉換的電壓信號也將發生變化。實踐證明:在一定范圍內,光電探測器件的輸出電壓U與位移量x之間呈線性關系。在非接觸式微小位移測量、表面粗糙度測量等場合采用這種光纖傳感器是很實用的。圖7－33光纖位移測量的原理圖

2)光纖液位傳感器

光纖液位傳感器是利用了強度調制型光纖反射式原理制成的,其工作原理如圖7－34所示。圖7－34光纖液位傳感器原理圖

(a)不接觸液體的工況;(b)浸在液體中的工況

LED發出的紅光被聚焦射入到入射光纖中,經在光纖中長距離全反射,到達球形端部。有一部分光線透出端面,另一部分經端面反射回到出射光纖,被另一根接收光纖末端的光敏二極管VD接收(圖中未畫出)。

當球形端面與液體接觸時,因為液體的折射率比空氣大,通過球形端面的光透射量增加而反射量減少,由后續電路判斷反光量是否少于閾值,就可以判斷傳感器是否與液體接觸。該液位傳感器的缺點是,液體在透明球形端面的黏附現象會造成誤判。另外,不同液體的折射率不同,對反射光的衰減量也不同,例如水將引起－6dB左右的衰減,而油可引起達-30dB左右的衰減,因此,必須根據不同的被測液體調整相應的閾值。 7.6紅外傳感器

7.6.1紅外輻射知識

任何物體在開氏溫度零度以上都能產生熱輻射。溫度較低時,輻射的是不可見的紅外光,隨著溫度的升高,波長短的光開始豐富起來。溫度升高到500℃時,開始輻射一部分暗紅色的光。從500～1500℃,輻射光顏色逐次為紅色→橙色→黃色→藍色→白色。也就是說,在1500℃時的熱輻射中已包含了從幾十微米到0.4μm甚至更短波長的連續光譜。如果溫度再升高,如達到5500℃時,輻射光譜的上限已超過藍色、紫色,進入紫外線區域。因此測量光的顏色以及輻射強度,可粗略判定物體的溫度。紅外輻射是比可見光波段中最長的紅光的波長還要長,介于紅光與無線電波微波之間的電磁波,其波長范圍在7×10-7～1mm之間。太陽光和物體的熱輻射都包括紅外輻射,其波長范圍及在電磁波譜中的位置如圖7－35所示。紅外光的最大特點就是具有光熱效應,能輻射熱量,它是光譜中的最大光熱效應區。紅外光與所有電磁波一樣,具有反射、折射、干涉、吸收等性質。紅外光在介質中傳播會產生衰減,紅外光在金屬中傳播衰減很大,但紅外輻射能透過大部分半導體和一些塑料,大部分液體對紅外輻射吸收非常大。氣體對它的吸收程度各不相同,大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。圖7－35電磁波的頻譜分布7.6.2熱釋電傳感器

典型的熱電型紅外光敏器件是熱釋電紅外傳感器。一些晶體受熱時兩端會產生數量相等、極性相反的電荷,這種由熱變化產生的電極化現象稱為熱釋電效應。這種能產生熱電效應的晶體稱為熱電體,又稱熱電元件。通常,晶體自發極化所產生的電荷被附集在晶體外表面的空氣中的自由電子所中和,顯電中性。當溫度變化時,晶體中的極化迅速減弱,而附集的空氣中的自由電子變化緩慢,在晶體表面會產生剩余電荷，其電荷量與溫度變化有關。如果在熱電元件兩端并聯上電阻就會有電流流過,電阻兩端將產生電壓信號。熱電元件常用的材料有單晶壓電陶瓷及高分子。用熱電元件、結型場效應晶體管、電阻、二極管、濾光片及外殼等可組成熱釋電傳感器,其結構和原理如圖7－36所示。它是探測人體用的紅外傳感器,適用于防盜報警,來客告知及非接觸開關等紅外領域。濾光片對于太陽和熒光燈的短波長具有高的反射率,而對人體發出來的紅外熱源有高的透過性,其光譜響應為6μm以上,人體紅外線波長為10μm。熱釋電型紅外探測器的嗲亞響應率正比于入射幅值變化的速率。當恒定的紅外輻射照射在熱釋電探測器上時,探測器沒有電信號輸出。所以對于恒定的紅外輻射,必須進行調制(或稱斬光),使恒定輻射變成交變輻射,不斷引起探測器的溫度變化,才能導致熱釋電產生,并輸出不變的電信號。

菲涅耳透鏡與熱釋電傳感器配套使用,它可以把熱釋電傳感器的檢測距離擴大到10～15m,視野角擴展到84°～135°。圖7－36熱釋電紅外傳感器的結構和原理

(a)熱釋電傳感器的基本結構;(b)熱釋電傳感器的工作原理圖7.6.3紅外傳感器應用實例

紅外自動干手器是一個用六個反相器CD4096組成的紅外控制電路,如圖7－37所示。反相器F1、F2,晶體管VT1及紅外發射二極管VL1等組成紅外光脈沖信號發射電路。紅外光敏二極管VD2及后續電路組成紅外光脈沖的接收、放大、整形、濾波及開關電路。當將手放在干手器的下方10～15cm處時,由紅外發射二極管VL1發射的紅外光線經人手反射后被紅外光敏二極管VD2接收并轉換成脈沖電壓信號,經VT2、VT3放大,再經反相器F3、F4整形,并通過VD3向C6充電變為高電平,經反相器F5變為低電平,使VT4導通,繼電器KM得電工作,觸點KM1閉合接通電熱風機,熱風吹向手部。與此同時,紅外發射二極管VL5也點亮,作為工作顯示。為防止人手晃動偏離紅外光線而使電路不能連續工作,由VD3、R12、C6組成延時關機電路。C6通過R12放電需一段時間,在手晃動時仍保持高電平,使吹熱風工作狀態不變,延遲時間為3s。圖7－37紅外自動干手器電路 7.7

CCD圖像傳感器

7.7.1

CCD圖像傳感器的工作原理

1.CCD電荷耦合器件

CCD電荷耦合器件是按一定規律排列的MOS(金屬-氧化物-半導體)電容器組成的陣列,其構造如圖7－38所示。圖7－38

CCD電荷耦合器件構造在P型或N型硅襯底上涂一層很薄(約1200)的二氧化硅,再在二氧化硅薄層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅形成電極,稱為柵極。該柵極和P型或N型硅襯底形成了規則的MOS電容陣列,再加上兩端的輸入及輸出,二極管就構成了CCD電荷耦合器件芯片。

MOS電容器和一般電容器不同的是,其下極板不是一般導體而是半導體。假定該半導體是P型硅,其中多數載流子是空穴,少數載流子是電子。若在柵極上加正電壓,襯底接地,則帶正電的空穴被排斥離開硅-二氧化硅界面,帶負電的電子被吸引到緊靠硅-二氧化硅界面。當柵極電壓高到一定值時,硅-二氧化硅界面就形成了對電子而言的陷阱,電子一旦進入就不能離開。柵極電壓越高,產生的陷阱就越深?？梢奙OS電容器具有存儲電荷的功能。如果襯底是N型硅,則在柵極上加負電壓,可達到同樣目的。

2.CCD圖像傳感器的工作原理

每一個MOS電容器實際上就是一個光敏元件,假定半導體襯底是P型硅,當光照射到MOS電容器的P型硅襯底上時,會產生電子-空穴對(光生電荷),電子被柵極吸引存儲在陷阱中。入射光強,則光生電荷多;入射光弱,則光生電荷少。無光照的MOS電容器則無光生電荷。這樣把光的強弱變成與其成比例的電荷的多少,實現了光電轉換。若停止光照,由于陷阱的作用,電荷在一定時間內也不會消失,可實現對光照的記憶。一個個的MOS電容器可以被設計排列成一條直線,稱為線陣;也可以排列成二維平面,稱為面陣。一維的線陣接收一條光線的照射,二維的面陣接收一個平面的光線的照射。CCD攝像機、照相機就是通過透鏡把外界的景像投射到二維MOS電容器面陣上,產生MOS電容器面陣的光電轉換和記憶的,如圖7－39所示。圖7－39

CCD圖像傳感器的工作原理線陣或面陣MOS電容器上記憶的電荷信號的輸出是采用轉移柵極的方法來實現的。在圖7－38中可以看到,每一個光敏元件(像素)對應有三個相鄰的柵電極1、2、3,所有柵電極彼此之間距離很近,所有的1電極相連加以時鐘脈沖P1,所有的2電極相連加以時鐘脈沖P2,所有的3電極相連加以時鐘脈沖P3,三種時鐘脈沖時序彼此交迭。若是一維的MOS電容器線陣,則在時序脈沖的作用下,三個相鄰的柵電極依次為高電平,將電極1下的電荷依次吸引至電極3下,再從電極3下吸引轉移到下一組柵電極的電極1下。這樣持續下去,就完成了電荷的定向轉移,直到傳送完一行的各像素,在CCD的末端就能依次接收到原存儲在各個MOS電容器中的電荷。完成一行像素傳送后,可再進行光照,再傳送新的一行像素的信息。如果是二維的MOS電容器面陣,則在完成一行像素傳送后,可開始面陣上第二行像素的傳送,直到傳送完整個面陣上所有行的MOS電容器中的電荷為止,也就完成了一幀像素的傳送。完成一幀像素傳送后,可再進行光照,再傳送新的一幀像素的信息。這種利用三相時序脈沖轉移輸出的結構稱為三相驅動(串行輸出)結構。還有兩相、四相等其他驅動結構。

CCD電荷耦合器件的集成度很高,在一塊硅片上制造了緊密排列的許多MOS電容器光敏元件。線陣的光敏元件數目從256個到4096個或更多。而面陣的光敏元件的數目可以是500×500個(25萬個),甚至在2048×2048個(約400萬個)以上。當被測景物的一幅圖像由透鏡成像在CCD面陣上時,被圖像照亮的光敏元件接收光子的能量產生電荷,電荷被存儲在光敏元件下面的陷阱中。電荷數量在CCD面陣上的分布反應了圖像的模樣。在CCD芯片上同時集成有掃描電路,它們能在外加時鐘脈沖的控制下,產生三相時序脈沖信號,由左到右,由上到下,將存儲在整個面陣光敏元件下面的電荷逐位、逐行快速地以串行模擬脈沖信號輸出。輸出的模擬脈沖信號可以轉換為數字信號存儲,也可以輸入視頻顯示器顯示出原始的圖像。

MOS電容器在光照下產生光生電荷,經三相時序脈沖控制轉移輸出的結構實質上是一種光敏元件與移位寄存器合而為一的結構,稱為光蓄積式結構。這種結構最簡單,但是因光生電荷的積蓄時間比轉移時間長得多,所以再生圖像往往產生“拖尾”,圖像容易模糊不清。另外,直接采用MOS電容器感光雖然有不少優點,但它對藍光的透過率差,靈敏度較低。7.7.2

CCD圖像傳感器的應用

CCD電荷耦合器件單位面積的光敏元件位數很多,一個光敏元件形成一個像素,因而用CCD電荷耦合器件做成的圖像傳感器具有成像分辨率高、信噪比大、動態范圍大的優點,可以在微光下工作。

光敏二極管產生的光生電荷只與光的強度有關,而與光的顏色無關。彩色圖像傳感器則采用三個光敏二極管組成一個像素的方法。在CCD圖像傳感器的光敏二極管陣列的前方,加上彩色矩陣濾光片,被測景物的圖像的每一個光點由彩色矩陣濾光片分解為紅、綠、藍三個光點,分別照射到每一個像素的三個光敏二極管上,各自產生的光生電荷分別代表該像素紅、綠、藍三個光點的亮度。每一個像素的紅、綠、藍三個光點的光生電荷經輸出和傳輸后,可在顯示器上重新組合,顯示出每一個像素的原始彩色。這就構成了彩色圖像傳感器。CCD彩色圖像傳感器具有高靈敏度和好的彩色還原性。

CCD圖像傳感器輸出信號具有如下特點:

(1)與景像的實時位置相對應,即能輸出景像時間系列信號,也就是“所見即所得”。

(2)串行的各個脈沖可以表示不同信號,即能輸出景像亮暗點陣分布模擬信號。

(3)能夠精確反映焦點面信息,即能輸出焦點面景像精確信號。

將不同的光源或光學透鏡、光導纖維、濾光片及反射鏡等光學元件靈活地與這三個特點相組合,就可以獲得CCD圖像傳感器的各種用途,如圖7－40所示。圖7－40

CCD圖像傳感器的用途

CCD圖像傳感器進行非電量測量是以光為媒介的光電變換,因此,可以實現危險地點或人、機械不可到達場所的測量與控制。它能夠測試的非電量和主要用途大致為

(1)組成測試儀器,可測量物位、尺寸、工件損傷等。

(2)作為光學信息處理裝置的輸入環節,可用于傳真技術、光學文字識別技術以及圖像識別技術、傳真、攝像等方面。

(3)作為自動流水線裝置中的敏感元件,可用于機床、自動售貨機、自動搬運車以及自動監視裝置等方面。

(4)作為機器人的視覺,監控機器人的運動。圖7－41數碼相機的基本結構變化的外界景物通過鏡頭照射到CCD彩色圖像傳感器上,當使用者感到圖像滿意時,可由取景器電路發出信號鎖定,再由CCD彩色圖像傳感器轉換為串行模擬脈沖信號輸出。該串行模擬脈沖信號由放大器放大,再由A/D轉換器轉換為數字信號,存儲在PCMCIA卡(個人電腦存儲卡國際接口標準)上。該存儲卡上的圖像數據可送微型計算機顯示和保存。A/D轉換器輸出的數字圖像信號也可由串行口直接送微型計算機顯示和保存。 7.8光電傳感器設計實例

7.8.1設計思路

帶材跑偏檢測器用來檢測帶形材料在加工中偏離正確位置的大小及方向,從而為糾偏控制電路提供糾偏信號。例如在冷軋帶鋼廠中,鋼帶在某些工藝,如連續酸洗、退火、鍍錫等過程中易產生走偏。在其他工業部門,如印染、造紙、膠片、磁帶等生產過程中也會發生類似問題。帶材走偏時,邊緣經常與傳送機械發生碰撞,易出現卷邊,造成廢品。光電式帶材跑偏檢測器原理如圖7－42所示。光源發出的光線經過透鏡1會聚為平行光束,投向透鏡2,隨后被匯聚到光敏電阻上。在平行光束到達透鏡2的途中,有部分光線受到被測帶材的遮擋,使傳到光敏電阻的光通量減少。光敏電阻與測量電橋組成光通量電路,當帶材左偏時,遮光面積減少,光敏電阻阻值減少,電橋失去平衡。差動放大器將這一不平衡電壓加以放大,輸出電壓為負值,它反映了帶材跑偏的方向及大小。反之,當帶材右偏時,Uo為正值。輸出信號Uo一方面由顯示器顯示出來,另一方面被送到執行機構,為糾偏控制系統提供糾偏信號。圖7－42帶材跑偏檢測系統原理圖7.8.2設計要求

對照圖7－43完成下列設計：

(1)光敏電阻測量電橋。

(2)差動放大器。

(3)執行機構。圖7－43帶材跑偏檢測系統框圖7.8.3設計過程

圖7－44為