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[工学]光学传感器
第9章 光学传感器 光电式传感器的物理基础是光电效应。 (1)外光电效应 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。 (2)内光电效应 当光照射在物体上,使物体的电阻率发生变化,或产生光生电动势的效应。 1. 光纤压力传感器 五、光纤传感器及其在医学上的应用 光导纤维导管端血压传感器结构示意图 1— 导光纤维 2— 膜片 3— 导管 4— 保护罩 5— 环氧树脂密封接点 2. 光纤温度传感器 纤维芯为SiO2材料,覆盖层为硅酮树脂,构成传感器时将光纤的覆盖层去掉,用对温度依赖性大的甘油等液体形成液态覆盖层。温度变化引起覆盖层折射率改变,从而引起反射光量变化,即可达到测温的目的。 第三节 CCD 传感器 CCD(charge coupled devices):电荷耦合器件 CCD器件的基本功能是将动态的光学信号转换成电信号,是一种新型光电转换器件,它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时,其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。 一、CCD的结构和基本原理 主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。 电极加正偏压,P型硅衬底中形成耗尽区,耗尽区的深度随正偏压升高而加大。少数载流子(电子)被吸引到最高正偏压电极下的区域中,形成电荷包。 电荷定向转移 三相控制方式 经过一个时钟脉冲 周期,电荷从前一 级的一个电极下, 转移到下一级的同号 电极下。 —— 电荷定向转移 t=t0 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t1 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t2 P1 P2 P3 P1 P2 P3 t=t3 P1 P2 P3 P1 P2 P3 二、CCD器件的分类 1. 线阵是把CCD像素排成1直线的器件。 (1)单行结构 (2)双行结构 * 光电传感器 光电池 光敏三极管 光电倍增管 光电管 光敏二极管 光敏电阻 1. 光电管 光电管工作电路 真空光电管结构 阴极 阳极 玻璃管 RL 输出电压 光电管 阳极 阴极 E Ip 2. 光电倍增管 入射光 阴极K 第一倍增极 第二倍增极 第三倍增极 第四倍增极 阳极A … 3. 光敏电阻 RG RL E I 光敏电阻工作电路 RL I - - - mA V + + + P N 4. 光电池 有光线作用下,光电池实质上就是电源。 光敏二极管的基本结构也是一个PN结,它装在透明玻璃外壳中,其PN结装在管顶,可直接受到光照射。 P N 光 光敏二极管符号 5. 光敏二极管 (1)结构 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。 RL 光 P N 光敏二极管接线 ? ① 无光照时,光敏二极管处于截止 状态,反向电阻很大,反向电流很小。 外加的反向工作电压使光敏二极管的PN结空间电荷区增宽,电路中只有很小的反向漏电流,称暗电流。 暗电流主要是由PN结中少数载流子的运动构成。 (2)工作原理: RL 光 P N 光敏二极管接线 ? ② 当光照时,光敏二极管处于导通状态。 光子打在PN结附近,使PN结空间电荷区产生电子-空穴对,在外电场的作用下,与P区和N区的少数载流子作定向运动,空穴移向P区,电子移向N区,这就形成了光电流。 当光照射PN结时,在反向电压的作用下,其反向电流随光照强度变化而变化,实现将光信号转换成电信号。 光敏二极管接线 ? RL 光 P N 为了减少暗电流的影响,有些光敏二极管在制作PN结的同时,还做出一个环形的扩散层,引出的电极称为环极。 环极的电位高于负极,反向漏电流直接从环极流过,而不再经过负极,从而可减少负极与正极间的暗电流。 正极 环极 负极 光敏二极管符号 ? (3)基本应用电路 +E RF R1 R2 RL C UO + - +E RF R2 RL UO + - (a) (b) 硅光电二极管实用电路 光电转速传感器 光电器件多采用光电池、光敏二极管和光敏三极管。 光敏三极管有PNP型和NPN型两种。其结构与一般三极管很相似,具有电流增益,只是它的集电结面积较大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。 N N P e b c P P N b e c 6. 光敏三极管 光敏三极管的符号图 当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对, 光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的β倍。 RL E 基本工作电路 当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。 光敏三极管是兼有光
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