光电位置传感器.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,*,3.2.7,光电位置传感器（,PSD),Position Sensitive Detectors,二、光固态图象传感器,光固态图象传感器由,光敏元件阵列,和,电荷转移器件,集合而成。它的核心是,电荷转移器件,CTD(Charge Transfer Device),最常用的是电荷耦合器件,CCD(Charge Coupled Device),。,CCD,自,1970,年问世以后，由于它的低噪声等特点，,CCD,图象传感器广泛的被应用在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面。,1,CCD,的结构和基本原理,P型,Si,耗尽区,电荷转移方向,1,2,3,输出栅,输入栅,输入二极管,输出二极管,SiO,2,CCD,的,MOS,结构,CCD,是由若干个电荷耦合单元组成，该单元的结构如图所示。,CCD,的最小单元是在,P,型（或,N,型）硅衬底上生长一层厚度约为,120nm,的,SiO,2,，,再在,SiO,2,层上依次沉积铝电极而构成,MOS,的电容式转移器。将,MOS,阵列加上输入、输出端，便构成了,CCD,。,当向,SiO,2,表面的电极加正偏压时，,P,型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中,1,极下），形成电荷包（势阱）,。对于,N,型硅衬底的,CCD,器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。,如何实现电荷定向转移呢？电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。见图,P,1,P,1,P,2,P,2,P,3,P,3,P,1,P,1,P,2,P,2,P,3,P,3,P,1,P,1,P,2,P,2,P,3,P,3,P,1,P,1,P,2,P,2,P,3,P,3,(,a,),1,2,3,t,0,t,1,t,2,t,3,t,(,b,),电荷转移过程,t=t,0,t=t,1,t=t,2,t=t,3,0,三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极,P,1,P,2,P,3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲,1,，,2,，,3,，,见图（,b,）。,CCD,电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图,(b),采用电注入方式。当,P,1,极施加高电压时，在,P,1,下方产生电荷包（,t,=,t,0,）；当,P,2,极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在,P,1,下的电荷将在,P,1,、,P,2,两电极下分布（,t,=,t,1,）；当,P,1,回到低电位时，电荷包全部流入,P,2,下的势阱中（,t,=,t,2,）。,然后，,p,3,的电位升高，,P,2,回到低电位，电荷包从,P,2,下转到,P,3,下的势阱（,t=t,3,），,以此控制，使,P,1,下的电荷转移到,P,3,下。随着控制脉冲的分配，少数载流子便从,CCD,的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现,电荷移动,。,2,线型,CCD,图像传感器,线型,CCD,图像传感器由一列光敏元件与一列,CCD,并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅,如图,4.4-4(a),所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个,P,型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高,(,平时低电压,),与,CCD,对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从,CCD,中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。,目前，实用的线型,CCD,图像传感器为双行结构，如图（,b,）,所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。,转移栅,光积分单元,不透光的电荷转移结构,光积分区,输出,转移栅,(,a,),(,b,),线型,CCD,图像传感器,输出,3,面型,CCD,图像传感器,面型,CCD,图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。,图,(a),所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。,二相驱动,视频输出,行,扫,描,发,生,器,输出寄存器,检波二极管,二相驱动,感光区,沟阻,P,1,P,2,P,3,P,1,P,2,P,3,P,1,P,2,P,3,感光区,存储区,析像单元,视频输出,输出栅,串行读出,面型,CCD,图像传感器结构,(,a,),(,b,),图（,b,）,所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成该,CCD,结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器。,光栅报时钟,二相驱动,输出寄存器,检波二极管,视频输出,垂直转移,寄存器,感光区,二相驱动,(,c,),图,(c),所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图,(b),中感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，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次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。,目前，面型,CCD,图像传感器使用得越来越多，所能生产的产品的单元数也越来越多，最多已达,10241024,像元。我国也能生产,512320,像元的面型,CCD,图像传感器。,5,、,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,。,图,8-20,光电耦合器组合形式,三、光电耦合器,光电耦合器是由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。,绝缘玻璃,发光二极管,透明绝缘体,光敏三极管,塑料,发光二极管,光敏三极管,透明树脂,1.,光电耦合器的结构,采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高灵敏度。,(,a,),金属密封型,(b),塑料密封型,采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。,2.,光电耦合器的组合形式,光电耦合器的组合形式有多种，如图,4.4-7,所示。,(,a,),(,b,),(,c,),(,d,),光电耦合器的组合形式,该形式结构简单、成本低，通常用于,50kHz,以下工作频率的装置内。,该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。,该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。,该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。,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,8-21,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，这样就起到了检测作用。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。,图,8-21,光电开关的结构,(a),透射式；,(,b),反射式,图,8-22,光电开关的基本电路,一、烟尘浊度监测仪,防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。,第五节 光电传感器的应用举例,平行,光源,光电,探测,放大,显示,刻度,校正,报警器,吸收式烟尘浊度检测系统原理图,烟道,二、光电转速传感器,2,3,1,2,3,1,(,a,),(,b,),光电数字式转速表工作原理图,下图是光电数字式转速表的工作原理图。,图,(a),是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。,在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。,三、光电池应用,光电池主要有两大类型的应用：,将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。这是全世界范围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池定将获得更广泛的应用。,将光电池作光电转换器件应用需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。,光电池应用举例如下：,1,太阳电池电源,太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。,调节控制器,逆变器,交流负载,太阳,电池,方阵,直流负载,太阳能电池电源系统,阻塞二极管,2,光电池在光电检测和自动控制方面的应用,光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等,。,(a),光电追踪电路,+12V,R,4,R,3,R,6,R,5,R,2,R,1,W,BG,1,BG,2,图,(a),为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的,。,光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路,BG,2,BG,1,+,12V,C,J,R,1,R,2,(b),光电开关,图b),所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。,(c),光电池触发电路,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,BG,1,BG,2,BG,3,BG,4,C,1,C,2,C,3,+,12V,W,图,(c),为光电池触发电路。当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件,(,如可控硅,),导通,。,+12V,5G23,(d),光电池放大电路,C,3,-12V,W,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,C,1C,2,1,8,7,6,5,4,3,2,图,(d),为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。,在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的。,220V,C,1,路灯,CJD-10,8V,200,F,200,F,C,2,C,3,100,F,R,1,R,3,R,5,R,7,R,4,R,6,R,7,R,2,J,470k,200k,10k,4.3k,BG,1,280k,25k,57k,10k,路灯自动控制器,BG,2,BG,3,BG,4,2CR,四 光敏二极管与三极管,一,.,光敏二极管,1.,工作原理与结构,光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个,PN,结，两根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不同之处在于光敏二极管的,PN,结状在管壳的顶部，可直接受到光的照射，其结构和电路如图所示。,没有光照射时,，,处于反向偏置的光敏二极管，,工作于截止状态,这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大,。,当光照射在,PN,结上时,光子打在,PN,结附近,PN,结附近产生光生电子和光生空穴对。从而使,P,区和,N,区的少数载流子浓度大大增加因此在反向外加电压和内电场的作用下,P,区的少数载流子渡越阻挡层进入,N,区，,N,区的少数载流子渡越阻挡层进入,P,区,，,从而使通过,PN,结的反向电流大为增加，,形成光电流。这时二极管,处于导通状态。,光的照度越大,光电流越大。,3.,光敏二极管的应用,1,）光电路灯控制电路,2,）光强测量电路,二,.,光敏三级管,光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。,1.,工作原理与结构,基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时,在结附近产生电子,-,空穴对,电子在结电场的作用下，由,P,区向,N,区运动，形成基极电流，放大,倍形成集电极电流（光电流）,所以光电三极管有放大作用。,3.,光敏三极管的应用,1.,脉冲编码器,图,7-31,燃气热水器的高压打火确认原理图,31,三 光敏电阻,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。,1.,光敏电阻的结构,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。,5.,光敏电阻的应用,1.,光照度计,农作物日照时数测定。,输出接单片机的,I/O,口，每,2,分钟对此口查询,1,次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。,1,天查询,720,次。,无光照,V0=VL,。有光照,V0=VH,。,2.,环境照度监视器,3.,带材跑偏检测仪,光纤传感器,光纤的结构,光纤的传光原理,光纤传感器工作原理,利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量,功能型,利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成,传光型,光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化,被测对象,光纤敏感元件,至信号处理系统,光源,光纤,光探测器,被测对象,光敏感元件,至信号处理系统,光源,光纤,光探测器,