8.7 光纤传感器 max.book118.com 光纤导光原理 第8章  光电、光纤式传感器  目录 本章主要内容 概述 8.1 光电效应及器件 max.book118.com 外光电效应 max.book118.com 内光电效应 （1）光电导效应（2）光生伏特效应 8.2 固体图像传感器 （1）CCD工作原理 （2）控制方式 8.3 高速光电器件 （1）PIN结光电二极管   （2）雪崩式光电二极管 8.4 光电传感器应用 8.5 光栅 8.6 光电码盘 8.7 光纤传感器 max.book118.com 结构组成 max.book118.com 导光原理 max.book118.com 分类 max.book118.com 工作类型 本章主要内容 掌握光电效应以及根据光电效应制成的光电器件 了解CCD的工作原理，了解其驱动电路 了解高速光电器件工作原理 了解光栅的工作原理，莫尔条纹的产生机理 了解光电编码器的工作原理 掌握光纤传感器的工作原理   光源 光通路 光电元件 测量电路 光量 光量 电量 电量输出 x1 x2  光电式传感器的组成 概述：光电式传感器的组成 8.1   光电效应及器件         所谓光电效应是指物体吸收光能以后转化为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。又可分为内光电效应和外光电效应两类。  max.book118.com  外光电效应          在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生的光电子发射的现象叫外光电效应。      根据爱因斯坦的假设：一个电子只能接受一个光子的能量。因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量     大于  该物体表面的逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A.因此对某特定材料而言，将有一个频率限  （或波长限       ) 而入射光的频率低于    时（或波长大于    ）不论入射光有多强，也不能激发电子；当入射频率高于    时，不管它有多么微弱也使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。红限波长可用下式求得：  式中 c－光速。 1.外光电效应的器件 （1）光电管 光电管种类很多，它是个装有光阴极和阳极的真空玻璃管，如图。光阴极有多种形式：①在玻璃管内壁涂上阴极涂料即成；②在玻璃管内装入涂有阴极涂料的柱面形极板构成。阳极为置于光电管中心的环形金属板或置于柱面中心线的金属柱。         光电倍增管的结构如图。在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，尚装有若干个光电倍增极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。光电倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间均依次增大加速电压。设每级的培增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流倍增率将为  （2）光电倍增管 max.book118.com  内光电效应       光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃人导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子—空穴对，从而使半导体材料产生电效应。         内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。            导带 价带 禁带 1．光电导效应  半导体受到光照时会产生光生电子—空穴对，使导电性能增强，光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管与三极管。    (1)光敏电阻   光敏电阻是一种电阻器件，其工作原理图。     光敏电阻中光电导作用的强弱是用其电导的相对变化来标志的。禁带宽度较大的半导体材料，在室温下热激发产生的电子—空穴对较少，无光照时的电阻(暗电阻)较大。因此光照引起的附加电导就十分明显，表现出很高的灵敏度。         为了提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小电极间的距离。对于面积较大的光敏电阻，通常采用光敏电阻薄膜上蒸镀金属形成梳状电极。  (2)光敏二极管         PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特效应工作。如图，处于反向偏置的PN结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子—空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此光照时的反向电流基本上与光强成正比。 - - - - - + + + + + + - P N (3)光敏三极管  它可以看成是一个bc结为光敏二极管的三极管。其原理和等效电路见图。在光照作用下，光敏二极管将光信号转换成电流信号，该电流信号被晶体三极管放大。显然，在晶体管增益为夕时，光敏三极管的光电流要比相应的光敏二极管大倍β。  p N N c b e b e c 光敏二极管和三极管使用应注意光源与器件的相对位置。  2.光生伏特效应 光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着内建结电场，其方向是从N区指向P区，如图所示。当光照射到结区时，光照产生的电子—空穴对在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产生的电动势，这一现象称为光生伏特效应由于它可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。 - - - - - + + + + + P N + - 光电池与外电路的连接方式有两种：一种是把PN结的两端通过外导线短接，形成流过外电路的电流，这电流称为光电池的输出短路电流(       )，其大小与光强成正比；另一种是开路电压输出，开路电压与光照度之间呈非线性关系；光照度大于10001x时呈现饱和特性。因此使用时应根据需要选用工作状态。 P N V + - P N mA + - 8.2  固态图像传感器 max.book118.com  CCD的基本原理CCD的最小单元是在P型(或N型)硅衬底上生长一层厚度约120nm的Si02层，再在Si02层上依一定次序沉积金属(Al)电极而构成金属—氧化物—半导体(MOS)的电容式转移器件。这种排列规则的MOS阵列再加上输入与输出端，即组成CED的主要部分，如图所示。         实现电极下电荷有控制的定向转移，有二相、三相等多种控制方式。图为三相时钟控制方式。所谓“三相”，是指在线阵列的每一级(即像素)有三个金属电极P1、P2和P3，在其上依次施加三个相位不同的时钟脉冲电压Φ1 Φ2 Φ3。 CCD电荷注入的方法有光注入法(对摄像器件)、电注入法(对移位寄存器)和热注入法(对热像器件)等。 max.book118.com 控制方式 1．PIN结光电二极管(PIN-PD)   PIN结光敏二极管是以PIN结代替PN结的光敏二极管，在PN结中间设置一层较厚的工层(高电阻率的本征半导体)而制成，故简称为PIN—PD。其结构原理如图。 8.3  高速光电器件 2．雪崩式光电二极管(APD)        APD是在PN结的P型区一侧再设置一层掺杂浓度极高的P’层而构成。使用时，在元件两端加上近于击穿的反向偏压。 8.4  光电式传感器应用（1） 光电物位传感器       光电物位传感器多用于测量物体之有无、个数、物体移动距离和相位等。按结
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