传感器原理与应用(上).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,作者：王雪文出版社：北京航空航天大学出版社,第一章温度传感器,1.1电阻型温度传感器,1.2热电偶,1.3半导体pn结型温度传感器,1.4其他温度传感器,第二章光敏传感器,2.1外光电效应及器件,2.2光电导效应器及其应用,2.3光生伏特效应器件,2.4红外热释电光敏器件,2.5固态图像传感器,2.6光纤传感器,2.7新型传感器,参考书,传感器原理及应用 作者：王化祥,天津大学出版社,光纤传感技术与应用,作者：廖延彪,清华大学出版社,一 什么是传感器?,广义的把传感器归纳为一种能感受外界信息(力、热、声光、电等等)，并按一定的规律将其转换成易处理的电信号的装置。,台式机,笔记本,手机,虚拟视觉,视频采集器,音频采集器,虚拟听觉,水温传感器,虚拟感觉,土壤湿度传感器,虚拟运动,生产设备,办公设备,“感”+“知”,音频采集器,音频采集器,换能装置+音频处理（声卡等）,二 传感器能干啥?,信息技术,两化融合,物联网,大数据,云平台,互联网,工业4.0,互联网+,?,物联网核心：传感器,计算模式变革的十五年周期定律,一个普遍接受的重要观点：计算模式每隔15年发生一次变革。人们把它称为“,十五年周期定律,”，这一判断就像摩尔定律一样准确。,1965年以后是以,系统性,为特征的大型机时代。,1980年以后是以,独立性,为特征的个人机时代。,1995年以后是以,共同性,为特征的互联网时代。,2010年以后将以,拟人性,为特征的物联网时代。,美国：,2009年1月7日，IBM等组织向奥巴马提出通过信息通信技术投资在短期内创造就业机会。1月28日，奥巴马在首次美国工商业领袖圆桌会，IBM首席执行官建议政府投资新一代智能型基础设施，提出“智慧地球”方案，得到奥巴马总统回应，出台总额7870亿美元经济复苏和再投资法对上述战略建议加以落实。,物联网,Internet 0f Things-,“智慧地球”,物联网,Internet 0f Things-,“感知中国”,2009年8月7日，国务院总理温家宝考察无锡提出，加快传感网产业发展，在无锡建设“感知中国”中心。,2009年奥巴马访华,随着美国“智慧地球”计划提出，物联网已成综合国力较量重要因素。美国将物联网技术列为“在经济繁荣和国防安全两方面至关重要的技术”。加拿大、英国、德国、芬兰、意大利、日本和韩国等加入传感网研究，欧盟将物联网技术作为优先发展的重点领域之一。,据Forrester权威机构预测:下一个万亿级的通信业务将是物联网产业，到2020年，物物互联业务与现有人人互联业务之比将达301。,让物会说话,由于电网效率低下导致40-70%的电力被浪费,现有油井中只能开采出20-30%的石油,美国纽约市在交通高峰时，平均40%-45%的车辆在寻找停车位,美国每年出现220万起由于手写处方导致的配药错误，而电子医疗记录每年可帮助防止100,000人因为医疗事故而死亡。,低效的供应链使得消费产品和零售业每年损失400亿美元，相当于销售额的3.5%。,金融市场因为缺乏跟踪与有效监管，盲目扩张，酿成危机。,世界需要更加智慧,物的感知,信息的采集,物的识别,信息的分类,物的联系,信息的传递,物的认识,信息的分析,传感器,无线传感器网络,GPS,RFID,各种网络媒质,移动云计算、,智能信息处理、,海量数据分析,我们的世界可以,物联化,更透彻的感知,I,nstrumented,我们的世界变得,互联化,更全面的融合,I,nterconnected,所有的事物具有,智能化,更智慧的服务,I,ntelligent,智能家居,智能公交,智能交通,铁路、交通安全的智能化,智能交通应用：提前3秒预警，能有效避免交通事故；提前1.5秒提醒驾驶人员，能防止90%以上事故；提前0.5秒刹车，能减少50%碰撞能量。,货运车载,智能物流应用：2006年日本物流成本占GDP是11%，美国是8%，欧盟是7%，中国是18%。中国的运输成本占一半以上，存储成本占30%。中国物流是大仓库倒到小仓库，小仓库倒到商店的仓库，来回倒，每次都要用车，每次都要用劳动力。采用信息化管理，实际上就是用智能物流，把全世界的分销中心数量从100个减少到40个，成本降低23%，燃料用量降低25%，碳排放量减少10-15%。,军工、危险、特殊物品运输车辆出库、运输过程、入库的智能管理、实时定位以及建立相应的预警系统！,智慧运营,食品安全的可追溯,智慧食品物流,智慧生产,工业产品生产的高效管理,公差配合的自动优化组合,将一组轴的测量尺寸公差值，和一组孔的加工公差值，输入系统。,系统自动计算，做出组合配对。,智慧生产,智能化,制造,(,工业,4.0,),“,工业,4.0,”,是通过,信息物理系統,网,路,(,CPS,:,Cyber-Physical Systems),，,实现人、设备,系統,与产品的实时连通、相互识别和有效交流。从而构建一个高度灵活的个性化和数字化的智能制造模式。,工业,4.0,市场,供需,自适应调控,智能化,制造,(工业,4.0,),成品,物流,经销,商,顾,客,生产,基地,工业 4.0,-,信息物理,系统网,路,总部,工厂,工厂,工厂,库存管理系统/数据中心,新建厂区,生产数据,远程管控,智慧型工厂,安全生产,最优化生产,降低能耗,灵活的产业链,可持续发展,工业,4.0,-,信息物理系統,网,路,厂区的综合数据平台,数据平台,三 传感器的基本特性,传感器输入和输出的关系特性,静态特性：被测量不随时间变化（直流,）,动态特性：被测量随时间变化 （交流）,静态特性,线性度,静态特性,迟滞,静态特性,重复性,静态特性,分辨率,动态特性,阶跃响应,阶跃响应特征参数,时间常数：,Y,（,t,）从,0%63%,上升时间：,Y,（,t,）从,10%90%,响应时间：,Y,（,t,）从,0,到稳定,振荡次数：,N,稳态误差：,Y,（）和实际值差,N阶sensor系统,输入信号：在线性时不变的物理系统内,对于复杂激励的响应可以通过组合其对不同频率正弦信号的响应来获取（“傅里叶级数展开”）,sensor系统：提供传递函数H(s)，产生幅频特性（滤波）和相频特性（信号展宽）,输出信号：可以看成不同输入频率信号的增益和相移后组合成的波形。,四 传感器的应用与发展,传感器在控制系统的应用,传感器在测量系统的应用,第一章 温度传感器,一种将温度变化转换为电学量的装置，用于检测温度和热量，也叫热电式传感器。,温度传感种类,温度-电阻：热电阻、热敏电阻等,温度-电势：热电偶、PN结式传感器,热辐射：热释电探测器、红外探测器,其他：光纤温度传感，液晶温度传感等等,电阻型温度传感器,利用感温材料，把测量温度变化转为测量电阻变化。,金属热电阻式（热电阻）,半导体热电阻式（热敏电阻）,金属热电阻,1.电阻温度系数a要高。纯金属合金,2.测温范围内，化学物理性能稳定,3.良好的线性输出特性,4.比较高的电阻率,5.可加工性。如铂，铜，铁，镍,几种正温度系数,金属热电阻温度,特性,热敏电阻,热敏电阻是用某种金属氧化物为基体原料，加入一些添加剂，采用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的电阻器。,电阻温度系数比金属大很多。,正温度系数 PTC,负温度系数 NTC,临界温度系数 CTR,三类热敏电阻,温度特性曲线,PTC 热敏电阻,电阻温度特性曲线,突变型,R,T,=R,0,exp,(,AT,),缓变型,R,T,=A+BT,PTC 热敏电阻,静态伏安特性,曲线,NTC 热敏电阻,lnR,T,1/T 关系,曲线,NTC 热敏电阻,静态伏安特性,曲线,CTR 热敏电阻,负温临界热敏电阻,在某一温度附近电,阻值发生突变，在,狭小的温度范围，,阻值随温度增加降,低3-4个数量级。,半导体热电阻,半导体材料的电阻率对温度变化非常敏感，利用其电阻率随温度变化的特性可以实现温度传感。,半导体材料电阻率决定于载流子浓度和迁移率。,迁移率与温度关系：,半导体载流子迁移率与载流子在电场作用下的散射机理有关。,主要散射机构为：,声波散射迁移率（晶格振动）,电离杂质迁移率,电阻率与温度关系：,本征半导体：本征载流子浓度决定,杂质半导体：载流子浓度和迁移率决定,硅热电阻,硅热电阻,电阻-温度特性,正向偏置,偏置电流1mA,室温25 度 1000,硅热电阻,电阻-电流关系,偏置电流应,小于1mA,热敏电阻专业术语,零功率电阻,在某一温度下测量热敏电阻值时,加在热敏电阻上的功耗极低,低到因其功耗引起的热敏电阻的阻值变化可以忽略不计.,额定零功率电阻R,25,额定零功率电阻指环境温度25条件下测得的零功率电阻值,热敏电阻专业术语,温度系数,热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致的电阻的相对变化.温度系数越大，反应越灵敏,最大电流 I,max,最大电流是指热敏电阻最高的电流承受能力.超过最大电流时热敏电阻将会失效。,热敏电阻专业术语,居里温度 T,c,对于热敏电阻的应用来说,电阻值开始陡峭地增高时的温度是重要的,我们将其定义为居里温度.,动作电流 I,k,流过热敏电阻的电流,足以使热敏电阻自热温升超过居里温度,这样的电流称为动作电流.,热敏电阻专业术语,最大工作电压 V,max,最大工作电压是指在规定的环境温度下,允许持续地保持在热敏电阻上最高的电压.对同一类型而言,环境温度越高,最大工作电压值越低,额定电压 V,N,额定电压是在最大工作电压V,max,以下的供电电压.通常 V,max,=V,N,+15%,热敏电阻的应用,医疗应用一般需在数字式温度计、培养(恒温)箱、皮肤传感器、导尿管、透析设备和呼吸器里使用来监测温度、血流或气流。,家电应用一般使用以各种包装的玻璃封装薄片来监测和控制烘箱、微波炉、淋浴器、空调器、冰箱、制冷机的温度和监控可充电镍铬电池上的温度,热敏电阻的应用,电信应用一般进行温度补偿、温度监测与控制。典型应用包括开关设备，以及无绳电话、收音机、可充电电池的充电控制。,汽车应用被用作进气传感器、电池、发动机和传动温度传感器、空调和内/外环境温度传感器,电阻式温度传感器应用,流量检测,电阻式温度传感器应用,过热保护,电阻式温度传感器应用,自动延时,电阻式温度传感器应用,恒温箱控制,热电偶,利用两种不同金属连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生电势变化的原理制成的传感器为热电偶,热电效应,1823年赛贝克发现，把两种不同的金属组合闭合回路，且使其两触点处温度不同，回路中就会产生电流，这个物理现象称为赛贝克效应，也称热电效应。,帕尔帖效应 汤姆逊效应,帕尔帖效应,同温度的两种不同,金属相互接触，由于,金属内自由电子密度,不同，在接触面附近,产生一个稳定电势叫,帕尔帖电势。,汤姆逊效应,一均匀介质棒两端温度不同，导体的高、低温端有温度梯度，高温端自由电子有较高动能向低温端扩散，形成内建电场，内建电场的产生又使电子由低温端向高温端漂移，当扩散和漂移达到动态平衡时，两端的电势差叫汤姆逊电势。,参考端T,0,=0 时，,温度与热电势关系,EA：镍鉻-镍铜,EU：镍鉻-镍硅,LB：铂铑-铂,热电偶的基本定律,均质导体定律：,两种均质金属组成的热电偶的电势大小与热电极的直径、长度及长度方向上的温度分布无关，与材料和温度有关。,如果材料不均匀，将会产生无法估量的附加电势差。,标准电极定律,两种金属组成,热电偶电势可以用,它们分别与第三种,金属组成热电偶电,势差来表示。,工程上常以铂、铜,为标准电势。,中间导体定律,在热电偶参考端接,入第三种均匀导体,只要保证其两端温,度大小，则不影响,原来的回路热电势,值。,中间温度定律,热电偶接点温度,TT0，其热电势,等于热电偶接点,温度为T,Tn和,TnT0相应电热势,的代数和。,热电偶的材料,在测量范围内，热电性质稳定，物理化学性质稳定，不易氧化和腐蚀。,热电势足够大，且热电势温度最好是线性或简单函数关系，测量精度高，误差小。,电阻温度系数小，电导率高。,材料复制性好，机械强度高，易加工。,热电偶种类,标准化热电偶,铂铑-铂：高温精密测量，中性介质测量,镍鉻-镍硅、镍鉻-镍铝、镍鉻-考铜：,热电势大，但测温范围小,非标准化热电偶,铁-康铜、钨-铼系、铱-铑系：特殊用途，复制性差。,热电偶结构,电极直径0.1-3.2mm,长度按实际情况定,电极之间用耐高温绝缘材料,热电偶的实用电路,单点温度测量,热电偶的实用电路,两点温差测量,热电偶的实用电路,串联求和测量,热电偶的实用电路,并联求平均温度,半导体PN结温度传感器,半导体材料器件的性能参数，如电阻率、pn结的反向漏电流和正向电压等都与温度有密切的关系，利用它们对温度的敏感性制成半导体温度敏感器件，实现对温度的测量和补偿功能。,二极管温度传感器,利用二极管pn结正向电压与温度的关系,硅二极管，温度每,升高1度，正向电压,下降约2mV,三极管温度传感器,三极管集电极电流I,c,恒定，发射结上正向电压V,be,随温度上升而线性下降。,集成温度传感器,集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一个芯片上的温度传感器，输出结果与绝对温度成正比，是理想的线性输出,集成温度传感器常采用对管差分电路设计。,PTAT原理电路,Proportional To Absolute Temperature,优点：输出结果与绝对,温度成正比，理,想的线性输出。,电压型PTAT,输出电压与温度成,正比，由恒流源、,PTAT及晶体管组成,常用的电压型温度传感器为四端输出型：,调整输出温度系数为10mV/K,V+，V-：基准电压 Vout：电压输出 表示K,Vin：偏置电压 Vin=2.73V，Vout=0 表示0,o,C,电流型PTAT,输出电流与温度成,正比，由恒流源、,PTAT组成,AD590,AD590工作电压4-30V，测温范围-55-150度,输出电流和热力学温度严格成正比,晶闸管,晶闸管的特点是可以用弱信号控制强信号。从控制的观点看，它的功率放大倍数很大，用几十到一二百毫安电流，两到三伏的电压可以控制几十安、千余伏的工作电流电压。,在许多晶体管放大器功率达不到的场合，它可以发挥作用。从电能的变化与调节方面看，它可以实现交流直流、直流交流、交流交流、直流直流以及变频等各种电能的变换和大小的控制。,晶闸管类型,晶闸管有很多类型，比较常用的有普通晶闸管、高频晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、无控制晶闸管、光控晶闸管和热敏晶闸管。,晶闸管结构与外形,晶闸管由PNPN四层半导体构成，其间形成三个PN结，引出三个电极，分别为阳极a、阴极k和控制极g。,晶闸管,栅极电流I,g,控制,通断,阳极A，阴极K，栅极G,温敏晶闸管,当温度升高时，J,2,结的,反向漏电流指数,增加，相当于在,栅极注入电流,“开关温度”,温敏晶闸管温度控制,1.增大反向漏电流（降低开关温度）,2.利用栅极分路电阻,分流作用（提升开关温度），増流作用（降低开关温度）,普通晶闸管开关温度一般做的很高，温敏晶闸管为了适应不同温度环境的应用，开关温度可以在一个较宽的范围内进行调节。,半导体温敏计应用,温度控制,热辐射温度计,根据物体的热辐射随温度变化测量温度，属于非接触测量，不干扰温度场，不受腐蚀。,全辐射高温计：用绝对黑体接受全部热量,光学高温计 ：物体的亮度表示热辐射大小,光电高温计 ：光电流表示热辐射大小,比色温度计 ：单色辐射强度比随温度变化,热敏电容：利用陶瓷电容的介电常数随温度,变化测量。,石英温度计：改变切割方法的石英振子的共,振频率随温度变化。,表面波温度计：由表面波器件和电路组成振,荡器，振荡频率随温度变化,超声波温度计：石英振子发出的超声波在被,测气体中频率随温度变化,谐振式温度计：材料的弹性和密度随温度变,化，其制成的谐振器频率是,温度的函数。,音叉式水晶温度计：利用振动频率与温度的,关系，可以作为基准。,光纤辐射温度计：黑体辐射定律，被动测量,荧光光纤温度计：荧光物质受激发射某些谱,线强度随温度变化。,总结,热电阻型,热电偶型,PN结型,第二章 光敏传感器,光敏传感器能对光信号的变化作出迅速反应，并将光信号转变为电信号，将光能转换为相应的电能。,光敏传感种类,光电效应传感,光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。,外光电效应器件：,光电发射二极管，光电倍增管,内光电效应器件,光导管，光敏电阻,光生伏特效应器件,光电池，光电二极管，光电三极管,光敏传感种类,红外热释电探测器,对光谱中红外敏感的器件，利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质变化或产生热电动势原理制成。,光敏传感种类,固态图像传感器,分两大类，一类是用CCD的光电转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器；一类是用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS图像传感器。,光敏传感种类,光纤传感器,有光源光敏传感器，利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿光纤传输到光接受器，经解调得到相应信号。,光电效应传感器,外光电效应,在光照射下，某些材料中的电子逸出表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应，也称为光电发射效应。,“光照产生光电流”,1887年德国物理学家，赫兹发现了“光电效应”现象，“光电效应”是指金属片受到光照射后放出电子的现象。,当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照耀，则在两个小球之间就非常容易跳过电花。,光电效应的发现,1888年莫斯科大学教授,斯托列托夫,认真研究了光电效应，发现产生光电效应的条件有如下几个事实：,1 对于一定的金属表面，有一个固定的频率f，如果小于f，不论光的强度多大，照射时间多长，都不能发生光电效应。,2 光电效应产生的电子的动能以直线关系随光的频率增大而增加，而与光的强度毫无关系,3 光电效应产生的电流与光的强度成正比。,1899年，俄国科学家,列别捷夫,发现了“光压”，光压是指如果在光线射出的道路上拦上一块微小的轻金属片，这块金属片就会朝光线射出的方向运动。,“光压”：光是具有动量的，从物理学的角度讲，物体的动量等于它的质量与速度的乘积，对于光来讲，它具有质量和速度，说明它是一种粒子流，是有能量的。,1902年，德国物理学家莱纳德也对光电效应进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释。,1905年，德国物理学家爱因斯坦提出了光子说，认为光具有波粒二相性，比较满意的解释了光电效应。,亥姆霍兹,赫兹,莱纳德,列别捷夫,光电流检测,光电发射二极管,检测装置中发射电子的极板为阴极，吸收电子的极板为阳极，且将两者封于同一壳内，连上电极（正偏），就成为光电二极管。,真空光电二极管,充气光电二极管,真空光电二极管,0,20V范围内，偏压,光电流,大于20V，饱和区,光电流光强,充气光电二极管,管壳中充有惰性气体（氩，氖）,特点：光电流随偏置电压增加而增大,优点：灵敏度高，加大电压提高光电流,缺点：稳定性差，频率特性差,光电发射材料,光吸收系数大,光电子体内传输到体外过程中能量损失小，逸出深度大,电子亲和势低，使表面的逸出几率提高,金属材料逸出,功大，响应在,紫外区域。,半导体材料逸,出功小，响应,在可见光和红,外区域。,：量子效率,光电倍增管,倍增效应,具有足够动能,的电子轰击倍,增极时，该倍,增极表面将有,电子发射，称,二次电子发射,直线瓦片式倍增系统,鼠笼式倍增系统,百叶窗式倍增系统,光电倍增管参数,阳极灵敏度和放大倍数,随工作电压关系,光电倍增管参数,暗电流：无光照条件下，加电压，阳极电流,1.欧姆漏电：管内的碱金属蒸汽,2.热电子发射：材料的逸出功低，温度导致,3.反馈效应：管内的气体电离，荧光发射,4.场致发射：尖端在高压下的场致发射,光电倍增管参数,光电特性,阳极电流随,光通量增加在,很大范围是线,性增加的。,光电倍增管电路,正高压供电与前放耦合,负高压供电与前放耦合,光电效应传感器,内光电效应,光照射半导体材料时，材料吸收光子而产生电子-空穴对，使导电性能加强，电导率增加这种光照后电导率发生变化现象为光电导效应，又称为内光电效应。,“光照改变阻值”,光敏电阻,利用光电导效应制成光敏电阻，结构包括玻璃基片，光电导材料，电极，漆膜，外壳。,光敏电阻参数,暗电阻：全暗条件下电阻值,亮电阻：受到光照时的电阻值,光敏电阻参数,光电灵敏度：单位光通量入射条件下，光敏电阻输出的光电流大小。,S=dI/d,光敏电阻伏安特性,光敏电阻光电流与光通量,光敏电阻光谱特性,光敏电阻频率特性,光敏电阻温度特性,光敏电阻的应用,自动照明装置,光生伏特效应传感器,利用光照射半导体材料PN结后，在PN结两端产生电动势（可用作电压源）的光生伏特效应现象，可制作光生伏特效应器件。,“光照产生电动势”,光生伏特效应开路应用,光电池,光电池,光电池是将光能转换成电能的能量转换器件，这类器件有发电机的性质，具有电动势和内阻。,一、1839年，法国科学家贝克雷尔发现“光伏效应”。,二、1954年，美科学家恰宾和皮尔松首次制成实用单晶硅太阳能电池，诞生将太阳能转换为电能的实用光伏发电技术，效率为,6%,三、同年，韦克尔发现砷化镓有光伏效应，并制成,第一块薄膜太阳能电池。,四、1957年，硅太阳能电池效率为,8%,。1958年，太阳能电池首次在,太空应用,。1995年，高效聚光砷化镓太阳电池效率达到,32%。,五、1996年以来，世界光伏发电高速发展，应用范围越来越广，尤其是光伏技术的屋顶计划，为光电展现无限光明的前途,。,屋顶上的电源,日本民房,台湾八里乡,上海德国学校,2007年我国已有500多家光伏企业和研发单位。光伏电池年产量1088MW,约占世界总量的27.2%，已经超过日本和欧洲，位居全球第一。,预测今后10年，光伏太阳能组件的生产将以40%甚至更高的递增速度发展，光伏发电将成为人类的基础能源之一。,石,英,砂,金,属,硅,多,晶,硅,多晶,单晶,直拉,区熔,半导体,材料,太阳能,硅片,集成,电路,太阳能,电池组装,太阳能,发电系统,IC,产业,配套产业,生产设备,单晶硅,光生伏特效应反偏应用,n,型,p,型,耗尽层,耗尽层,光电二极管实际上是一个加了反向偏压的,pn,结,光生伏特效应反偏应用,p,n,E,光生电流,I,1.,pn,结加一个较高的反向偏压,2.,pn,结耗尽区受到光的照射产生光生载流子,3.在外部偏压的作用下，光生载流子定向漂移产生光生电流,加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层,高掺杂,p,+,型,高掺杂,n,+,型,i,(本征)层：低掺杂,n,型,耗尽区,PIN光电二极管,雪崩光电二极管,光电三极管,+v,b,c,e,工作原理：光电二极管光电转换，三极管光电流放大。,光敏三极管的应用：光控电位器,光电三极管I-V曲线,光敏场效应管,晶体管是一种电流控制元件，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件,场效应管（FET）是一种电压控制器件，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。,FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。,光敏场效应管,N沟道,P沟道,两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极：,g：栅极,d：漏极,s：源极,结型场效应管,（1）栅源电压Vgs对沟道的控制作用,在栅源间加负电压V,gs,，令V,ds,=0,当,Vgs,=0,时，为平衡PN结，导电沟道最宽。,当,Vgs,时，PN结反偏，耗尽层变宽，沟道电阻增大。,当V,gs,到一定值时，沟道会完全合拢。,（2）漏源电压V,ds,对电流,I,d,的影响,在漏源间加电压Vds，令Vgs=0,当Vds,=0时，I,d,=0,Vds,Id,靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布,当,V,ds,，,V,gd,=-V,ds,=,V,p,时，在靠漏极处夹断:预夹断,预夹断前，,V,ds,Id,预夹断后，,V,ds,Id,几乎不变,（2）栅源电压V,gs,和漏源电压V,ds,共同作用,输出特性曲线：,I,d,=,f,（V,ds,）,V,gs,=,常数,可变电阻区,恒流区,截止区,击穿区,转移特性曲线：,耗尽型绝缘栅场效应管,光敏场效应管,栅压与照度关系,光生伏特效应器件应用,光电二极管,路灯自控,光生伏特效应器件应用,光电二极管,光强测量,光生伏特效应器件应用,太阳能电源,光生伏特效应器件应用,光敏三极管,转速传感,光生伏特效应器件应用,光电三极管,纸张监控,光生伏特效应器件应用,光耦的应用,光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。,三部分：,“光的发射”,“光的接受”,“信号放大”,光耦直接用于隔离传输,模拟量,时，要考虑光耦的非线性问题。,解决方法：VFC(电压频率转换)方式,光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题。,1.采用高速光耦来实现模块之间的相互隔离。常用的高速光耦有6N135/6N136。,2.采用合适的电路结构。,“双光耦推挽式电路”,如果输出有功率要求的话，还得考虑光耦的功率接口设计问题。,功率接口电路：驱动各种类型的负载，如直流伺服电机、步进电机、各种电磁阀等。,要求：带负载能力强、输出电流大、工作电压高的特点。,继电器：响应速度要求不高的启停操作 ms,光耦：响应时间要求很快的控制系统 us,红外热释电光敏传感,红外线是,太阳,光线,中众多不可见光线中的一种，由,英国,科学家,霍胥尔,于1800年发现，又称为红外热辐射。他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。,红外敏感器件按工作原理分为：,量子型：,光子探测器，利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子相互作用，光能转化成电能。,热电型：,利用红外辐射热效应，探测器敏感元件吸收辐射温度升高，电学性质变化。热释电效应器件。,铁电晶体,铁电材料，是热释电材料中的一类。特点是不仅具有自发极化，而且在一定温度范围内，自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改变。,“电畴”,热释电效应,光照铁电晶体，吸收,产生温度变化导致材,料自发极化变化。温,度因吸收红外光上升,极化强度减小，释放,电荷产生电流，称为,热释电现象。,热释电传感器,双元型红外传感器,1.滤光窗,抗其他光源的干扰，仅对人体,发出的红外线最敏感。,结构：,薄玻璃片上镀多层滤光薄膜，,有效滤除700-1400nm以外的,红外线。,双元型红外传感器,2.菲涅耳透镜,透镜组，每个单元对应一个视场,相邻视场不连续，形成交替变化,的盲区和亮区，使敏感单元温度,不断变化。,作用：提高探测半径,双元型红外传感,3.敏感元件,按极化方向相反串联，一个用于红外检测，一个镀红外反射膜用于噪声补偿。,作用：环境温度补偿,运动方向判断,双元型运动计数法,固态图像传感器,高度集成半导体光敏传感器。以电荷转移为核心，包括光电转换，信号存储和传输、处理的集成光敏传感器，用于图像识别和传输,主要分为：,电荷耦合器件CCD,自扫描光电二极管阵列MOS,2009年诺贝尔物理学奖,：,维拉博伊尔(Willard S.Boyle),乔治史密斯（George E.Smith）,1969年贝尔实验室：影像电话和半导体气泡式内存这两种技术结合，CBD。,70年代，贝尔实验室用简单的线性装置捕捉影像，CCD诞生。,1974年仙童公司产品，500单元的线性装置和100 x100像素的平面装置。,CCD（Charge-coupled Device）,CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。,CCD上植入的微小光敏物质称作像素。,CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。,CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。,CCD的结构,一种是TTL工艺，毫安级的耗电量。,一种是CMOS工艺，微安级的耗电量。,TTL工艺下成像质量要优于CMOS工艺,加工工艺,CCD传输方式,隔行传输式（Interline Transfer）,-感光元件产生电信号,-电荷转移到并行寄存器,-电荷从并行寄存器转移到串行,寄存器,-串行寄存器将电信号转到模拟,寄存器,-放大、数摸转换、数字信息,CCD传输方式,全帧（Full Frame）,-感光元件产生电信号,-电荷转移到串行寄存器,-放大、数摸转换,CCD传输方式,全转（Full Fransfer）,-综合Full Frame和Interline Transfer特点，在器件上划分感光区和寄存区,-曝光和数据转移可以同时进行,CCD采光方式,CCD量子效率,在同一波长下,QE,值越高,CCD,品质越好,CCD,对于不同波长的光的响应时间的敏感度不同,背照式,CCD,比前照式,CCD,有更好的量子效率,多数衡量,QE,高低是在,425nm,波长,CCD像素指标-填充因子,理想值-100%,实际值-30%（隔行传输式CCD）,通过微型镜头（Microlenses）改善,（但微型镜头的应用会影响紫外光的检测）,填充因子是影响灵敏度的一个因数,CCD像素指标-井深,多数,CCD,可堆积,85,K,个电荷,高品质的,CCD,可堆积,350,K,个电荷,影响灵敏度的一个因数,衡量,动力学,范围的一个因素,CCD动力学范围,-描述从CCD像素值中可以得到多少数量的灰度级别的一个术语,-用来表示饱和电压（最大输出级别）与摄像头随机噪音的比率,-动力学范围并不总是和数模转换器输出的数据一致,CCD像素合并,像素合并（Binning）,-将相临的像素所堆积的电荷进行合并并当作一个单一的像素输出信号,CCD系统增益,-提高增益将会造成数字噪音的增加,-降低增益可以最小化噪音得到最佳分辨率，但是将损失井深，从而损失灵敏度,系统中最优化的增益值根据平衡数字化计数、井深和数字化噪音最佳值来进行设置,CCD暗电流,-CCD在一定温度下每个像素在一定时间内产生的电荷数,-暗噪音大约为暗电流的平方根,CCD系统信噪比,信噪比（,SNR,）,-衡量信号及噪音的关系,-,表征检测的限度（灵敏度）,CCD的接口,接口（Camera Interface）,-Camera Link：在Channel Link基础上开发可进行高速数据传输,-FireWire 及 IEEE 1394：苹果电脑公司开发，最初用于电脑外部设备的连接,-USB：高速、热插拔接口，最初用在电脑外部设备的连接,-Gigabit Ethernet：高速网络协议允许数据在网络中传输，该接口技术目前正在发展中,CCD执行标准,CCD执行标准,CCIR,欧洲标准,RS170,（,EIA,）,-,美洲标准,线阵CCD：由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。,CCD的分类,面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。,实例分析,以数码相机为例分解CCD，基本结构为三层：,第一层是“微型镜头”,第二层是“分色滤色片”,第三层“感光层”,UV/white epi,illumination,Sample,CCD Camera,Lens,Filters,UV/white epi,illumination,“微型镜头”,数码相机成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。,“分色滤色片”,一般数码相机是拜尔滤镜。每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色。每个像素都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。,用三片CCD和分光棱镜组成的3CCD系统能将入射光分析成红、蓝、绿三种色光，由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。所有的专业级数位摄影机采用3CCD技术。,“感光层”,负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，影像还原。,现在市面上的消费级数码相机主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四种。CCD/CMOS尺寸越大，感光面积越大，成像效果越好。,“1/1.8英寸的300万像素相机效果通常好于1/2.7英寸的400万像素相机”,CCD广泛应用在数码摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜。,CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛。摄像机中使用的是面阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像；扫描仪中使用的是线阵CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。,CCD的应用,CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致，速度也同步，不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜记录到比原来更大的视场。,CCD的应用,一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度(或趋近零照度)摄影机/照相机等。为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半导体冷却。,CCD的应用,