傳感器原理及應用期末復習題整理

• 一、光電式傳感器
• • 概述
  • 外光電效應
  • 內(nèi)光電效應之光電導效應
  • 光敏二極管與光敏三級管
  • 內(nèi)光電效應之光生伏特效應
  • 光電器件的電路符號
• 二、新型光敏傳感器
• • 圖像傳感器概述
  • CCD
  • 位置傳感器
• 三、光纖傳感器
• • 概述
  • 光纖的組成和形式

• 傳感器原理及應用期末復習題整理（下）

一、光電式傳感器

概述

光電式傳感器是將光信號轉換成電信號的傳感器

光電傳感器是物性型傳感器

光是一種由稱為光粒子的基本粒子組成的粒子流

光電傳感器在工業(yè)上的應用可歸納為輻射式、吸收式、遮光式和反射式這四種形式

測量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等需要用反射式光電傳感器

測量液體、氣體的透明度、渾濁度，對氣體進行成分分析，測定液體中某種物質(zhì)的含量可以選擇吸收式光電傳感器

光電高溫計、比色高溫計、紅外偵察和紅外遙感等均屬于輻射式光電傳感器

外光電效應

因光照射而引起物體電學特性的改變現(xiàn)像稱為光電效應

光電效應分為外光電效應和內(nèi)光電效應

外光電效應是光照射在金屬或金屬氧化物而引起物體電學特性的改變

屬于外光電效應的儀器有光電管、光電倍增管、像增強器

在光線作用下電子逸出物體表面向外發(fā)射稱為外光電效應

光電管是由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央

在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性

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為光電管的光照特性

保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關系叫光電管的光譜特性

不同材料的光電陰極，它的光波響應是不一樣的，所以在選擇光電管的時候，要根據(jù)所測的這個光的波長來選擇合適的光電管

光電倍增管是一種利用外光電效應和二次電子發(fā)射效應，將微弱光信號轉換成電信號的真空管

光電倍增管對紫外光、可見光和近紅外光及其敏感

根據(jù)光電管的伏安特性可以知道，兩端所加的電壓達到一定幅度的時候，它就飽和了，只要陰極能發(fā)射的電子，陽極都能收集到

根據(jù)光電管的伏安特性，光照不一樣，光電流也不一樣

光照特性曲線的斜率就是光電管的靈敏度

不同材料的光電陰極，它的光波響應是不一樣的，所以在選擇光電管的時候，要根據(jù)所測的這個光的波長來選擇合適的光電管

內(nèi)光電效應之光電導效應

光電導效應是在光的作用下，材料中的電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化

屬于光電導效應的器件是光敏電阻

當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮阻值）急劇變小，電路中電流迅速變大

光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好

一般在定量測量中，用光敏電阻進行光強的檢測用的比較少（不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關）

光敏電阻的電壓不能無限地增大（電壓太高，電流也就太大了，電流太大會燒壞電阻）

當光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性

光敏電阻在最初的老化過程中，阻值會有變化，但最后達到穩(wěn)定值后就不再變化

光敏電阻性能（靈敏度、暗電阻）受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動

光敏電阻在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)像

半導體材料的禁帶就是一種能級，只有電子的能量大于禁帶的能量，他才有可能越過禁帶達到導帶

只有比較短的波長的光照射的時候，才可能產(chǎn)生內(nèi)光電效應（入射波的波長小于1.24/Eg波長的時候，才能產(chǎn)生電子躍遷，所以只有比較短的波長的光照射的時候，才可能產(chǎn)生內(nèi)光電效應）

暗電阻的值是固定不變的；光強不一樣，亮電阻不一樣。

暗電流不是固定不變的值，它是隨著外界電壓的變化而變化的；亮電流隨光強變化而變化，也隨外界電壓的強度變化而變化

亮電流與暗電流之差為光電流

進行可見光光強檢測時，光電阻與光敏二極管相比，一般后者具有更好的線性度

光敏二極管與光敏三級管

光敏二極管在布局的時候分為光導模式和光伏模式

光敏二極管的光導模式和光伏模式的不同在于光導模式偏置接地而光伏模式接負電源

光伏模式偏置小，頻率低，比較適合超低光強/低速信號檢測

不同材料的光敏三極管的光譜特性不同，在可見光或探測熾熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時，則采用鍺管比較合適

光電三極管，當反向偏壓較低時，光電流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，光生電流趨于飽和，這時光生電流與所加偏壓幾乎無關，只取決于光照強度

光敏三極管既可作線性轉換元件，也可作開關元件

溫度變化對光敏三極管的光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大。所以電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則會導致輸出誤差

光敏二極管進行光強的檢測時，一般外加電場的方向應該與內(nèi)電場的方向保持一致

內(nèi)光電效應之光生伏特效應

光照時物體中能產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)像叫做光生伏特效應

當P-N結不加偏壓時，基于光生伏特效應的器件有光電池

當P-N結處于反向偏置時，基于光生伏特效應的器件包括光敏二極管、光敏晶體管

當P-N結處于反偏時，光電流和外加電場的電流方向是一致的，并且光照越大，光電流越大

如果要利用光電池進行光強檢測的時候，應該采用短路電流的方式

作為太陽能電池發(fā)電的時候，選擇開路電壓的方式比較好

對于光電池來說，外界負載電阻越小，光電流與強度的線性關系越好，且線性范圍越寬

硅光電池頻率響應比硒光電池好，所以一般在高速計數(shù)器上，光閃的比較快的時候，我們一般采用硅光電池

如果用光電池進行測量的時候，就要采取一個恒溫的措施，或者采用溫度補償?shù)拇胧┫@種溫度引起的開路電壓和短路電流的變化

光電池既能作為能源使用，也能作為傳感器來使用

光電池用于光強檢測時，采用短路電流的測量方式比開路電壓的方式要好

光電器件的電路符號

光電管

光敏電阻

光電池

光敏二極管

光敏三極管

二、新型光敏傳感器

圖像傳感器概述

CCD的全稱是電荷耦合器件

CCD是1970年貝爾實驗室的威拉德·博伊爾(Willard S.Boyle)和喬治史密斯(George E. Smith)所發(fā)明的。

CCD的基本功能是電荷的產(chǎn)生、存儲、轉移和輸出

CCD的最基本單元是MOS電容器

像素就是一個一個感光的單元，彼此之間是獨立的

電荷耦合器件是在半導體硅片上制作成百上千個光敏元，一個光敏元又稱一個像素，光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列

向半導體表面電極加正偏壓，會形成一個帶負電荷的耗盡區(qū)（表面勢阱）

CCD圖像傳感器由于光照的作用，他會產(chǎn)生電荷

產(chǎn)生的電荷儲存在MOS電容器的勢阱里面，它的多少實際上就反應了光照的強弱

CCD電荷的注入除了光信號注入還有電信號注入

CCD

CCD圖像傳感器的暫存區(qū)需要遮光，用于電荷轉移

面陣型CCD圖像傳感器的行間轉移式結構是光敏單元與垂直轉移寄存器交替排列，相當于在兩列感光的列中間插入一列，這是專門用于轉移電荷的

面陣型CCD圖像傳感器的線轉移式的結構缺點是電荷轉移時間太長，會產(chǎn)生拖影（電荷最后都要通過最下面這個讀出寄存器把它讀出來，所以它轉移的時間實際上也還是比較長的，會產(chǎn)生拖影）

面陣型CCD圖像傳感器包括線轉移式、幀轉移式和行間轉移式這三種類型

在同樣面積大小的CCD結構尺寸上，線型CCD圖像傳感器的并行結構比單行結構的優(yōu)點有像素可以做的更多、分辨率提高、轉移時間少、電荷轉移損耗小（并行結構的移位寄存器做成了兩排，這樣的話可以在同樣的一個面積大小的CCD結構尺寸上，可以提高它的分辨率，像素可以做的更多，另外，因為它這種轉移可以分成兩部分的轉移，相當于把整個的N個像素，把它轉移出去，時間比原來單線就要少-一倍了，那么它的損耗，就是電荷轉移的這種損耗也會小一些，圖像的質(zhì)量也會高一些。）

CCD靶面尺寸一定的情況下，像素數(shù)目越多，圖像越模糊（若在CCD靶面尺寸一定的情況下， 增加像素就得縮小像素點的面積。像素點的面積越小(大) ，其感光性能越低(高)，信噪比越低(高)，動態(tài)范圍越窄(寬) ;所以,如果不增加CCD面積而一味地提高像素，只會引起圖像質(zhì)量的惡化。）

CCD的靈敏度數(shù)值越小，表示需要的光線越少，CCD也越靈敏

CCD信噪比是指在有效輸出范圍內(nèi)，真值信號強度與噪聲強度的比值，信噪比數(shù)值越大，表示成像的質(zhì)量越好

CCD的量子效率是指陰極發(fā)射出的光電子數(shù)量與入射光光子的數(shù)量比，用以表示CCD在不同波長下的響應值

若某波長上量子效率數(shù)值越大，則表面CCD對該波長的響應程度越高

CCD的電荷轉移效率還做不到100%（好的CCD一般可以達到0.999995））

在無光照的情況下，圖像傳感器能產(chǎn)生的輸出噪聲電流稱為暗電流。電流越小，噪聲干擾越小，信噪比越高

位置傳感器

PSD是基于橫向光電效應的光電器件，屬于光生伏特效應

PSD由三層構成，最上一層是P層，下層是N層，中間插入較厚的高阻I層，形成P-I-N結構

$I_1$和$I_2$之和等于總的光生電流，$I_1$和$I_2$的分流關系取決于入射光點位置到兩個信號電極之間的等效電阻$R_1$和$R_2$

PSD與表面上的光斑強度、分布、對稱性和尺寸無關，只與位置有關

三、光纖傳感器

概述

數(shù)值孔徑NA越大，集光能力越強，光纖與光源間耦合會更容易。但NA越大，光信號畸變越大，要選擇適當。

“光纖之父”是高錕

按光纖的折射率不同可以分為階躍型和漸變型

按光纖的傳輸模式可以分為單模光纖和多模光纖

光纖的結構主要由3部分組成，分別是中心（纖芯）、外層（包層）、護套（尼龍塑料）

光導纖維的纖芯和包層的折射率不同

光在光纖中的傳播就是基于光的全反射

當光纖的折射率N1=1.46, N2=1 .45時，如光纖外部介質(zhì)N0=1，求最大入射角θ的值。
$NA=\frac{1}{N_0}\sqrt{N_1^2?N_2^2}=\sin \theta$
$\theta =\arcsin NA$

光纖的組成和形式

光纖傳感器由光源、敏感元件（調(diào)制器：光纖或非光纖的）、光探測器、信號調(diào)理電路以及光纖組成

功能型光纖傳感器中的光纖的作用包括光的傳輸作用，還可以起到對外界信息的敏感作用

光纖在非功能型傳感器里面僅僅起到一個傳光的作用

光纖的調(diào)制形式有強度調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振調(diào)制型、波長調(diào)制型、頻率調(diào)制型

光纖的頻率調(diào)制型是基于多普勒效應的

• 傳感器原理及應用期末復習題整理（下）

總結

以上是生活随笔為你收集整理的传感器原理及应用期末复习题整理（上）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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