傳感器原理及應(yīng)用期末復(fù)習(xí)題整理

• 一、光電式傳感器
• • 概述
  • 外光電效應(yīng)
  • 內(nèi)光電效應(yīng)之光電導(dǎo)效應(yīng)
  • 光敏二極管與光敏三級管
  • 內(nèi)光電效應(yīng)之光生伏特效應(yīng)
  • 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(yīng)用期末復(fù)習(xí)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(zhuǎn)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(yīng)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(jìn)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(jì)、比色高溫計(jì)、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(yīng)

因光照射而引起物體電學(xué)特性的改變現(xiàn)像稱為光電效應(yīng)

光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)

外光電效應(yīng)是光照射在金屬或金屬氧化物而引起物體電學(xué)特性的改變

屬于外光電效應(yīng)的儀器有光電管、光電倍增管、像增強(qiáng)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(yīng)

光電管是由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)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(guān)系稱為光電管的伏安特性

當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)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(guān)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(yīng)是不一樣的，所以在選擇光電管的時(shí)候，要根據(jù)所測的這個(gè)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(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)，將微弱光信號轉(zhuǎn)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(dá)到一定幅度的時(shí)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(yīng)是不一樣的，所以在選擇光電管的時(shí)候，要根據(jù)所測的這個(gè)光的波長來選擇合適的光電管

內(nèi)光電效應(yīng)之光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)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(dǎo)率的變化

屬于光電導(dǎo)效應(yīng)的器件是光敏電阻

當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時(shí)，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(jìn)行光強(qiáng)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(guān)）

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(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)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(shí)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(dá)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(dǎo)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(dá)到導(dǎo)帶

只有比較短的波長的光照射的時(shí)候，才可能產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)（入射波的波長小于1.24/Eg波長的時(shí)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(shí)候，才可能產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)）

暗電阻的值是固定不變的；光強(qiáng)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(qiáng)變化而變化，也隨外界電壓的強(qiáng)度變化而變化

亮電流與暗電流之差為光電流

進(jìn)行可見光光強(qiáng)檢測時(shí)，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(shí)候分為光導(dǎo)模式和光伏模式

光敏二極管的光導(dǎo)模式和光伏模式的不同在于光導(dǎo)模式偏置接地而光伏模式接負(fù)電源

光伏模式偏置小，頻率低，比較適合超低光強(qiáng)/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(shí)，一般選用硅管；但對紅外線進(jìn)行探測時(shí)，則采用鍺管比較合適

光電三極管，當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，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(shí)光生電流與所加偏壓幾乎無關(guān)，只取決于光照強(qiáng)度

光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)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(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則會導(dǎo)致輸出誤差

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

內(nèi)光電效應(yīng)之光生伏特效應(yīng)

光照時(shí)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(yīng)

當(dāng)P-N結(jié)不加偏壓時(shí)，基于光生伏特效應(yīng)的器件有光電池

當(dāng)P-N結(jié)處于反向偏置時(shí)，基于光生伏特效應(yīng)的器件包括光敏二極管、光敏晶體管

當(dāng)P-N結(jié)處于反偏時(shí)，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(jìn)行光強(qiáng)檢測的時(shí)候，應(yīng)該采用短路電流的方式

作為太陽能電池發(fā)電的時(shí)候，選擇開路電壓的方式比較好

對于光電池來說，外界負(fù)載電阻越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬

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

如果用光電池進(jìn)行測量的時(shí)候，就要采取一個(gè)恒溫的措施，或者采用溫度補(bǔ)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(qiáng)檢測時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)移和輸出

CCD的最基本單元是MOS電容器

像素就是一個(gè)一個(gè)感光的單元，彼此之間是獨(dú)立的

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

向半導(dǎo)體表面電極加正偏壓，會形成一個(gè)帶負(fù)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(shí)際上就反應(yīng)了光照的強(qiáng)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(zhuǎn)移

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

面陣型CCD圖像傳感器的線轉(zhuǎn)移式的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是電荷轉(zhuǎn)移時(shí)間太長，會產(chǎn)生拖影（電荷最后都要通過最下面這個(gè)讀出寄存器把它讀出來，所以它轉(zhuǎn)移的時(shí)間實(shí)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(zhuǎn)移式、幀轉(zhuǎn)移式和行間轉(zhuǎn)移式這三種類型

在同樣面積大小的CCD結(jié)構(gòu)尺寸上，線型CCD圖像傳感器的并行結(jié)構(gòu)比單行結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有像素可以做的更多、分辨率提高、轉(zhuǎn)移時(shí)間少、電荷轉(zhuǎn)移損耗小（并行結(jié)構(gòu)的移位寄存器做成了兩排，這樣的話可以在同樣的一個(gè)面積大小的CCD結(jié)構(gòu)尺寸上，可以提高它的分辨率，像素可以做的更多，另外，因?yàn)樗@種轉(zhuǎn)移可以分成兩部分的轉(zhuǎn)移，相當(dāng)于把整個(gè)的N個(gè)像素，把它轉(zhuǎn)移出去，時(shí)間比原來單線就要少-一倍了，那么它的損耗，就是電荷轉(zhuǎn)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?cái)?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(diǎn)的面積。像素點(diǎn)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(qiáng)度與噪聲強(qiáng)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(yīng)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(yīng)程度越高

CCD的電荷轉(zhuǎn)移效率還做不到100%（好的CCD一般可以達(dá)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(yīng)的光電器件，屬于光生伏特效應(yīng)

PSD由三層構(gòu)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(jié)構(gòu)

$I_1$和$I_2$之和等于總的光生電流，$I_1$和$I_2$的分流關(guān)系取決于入射光點(diǎn)位置到兩個(gè)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(qiáng)度、分布、對稱性和尺寸無關(guān)，只與位置有關(guān)

三、光纖傳感器

概述

數(shù)值孔徑NA越大，集光能力越強(qiáng)，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(dāng)。

“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(jié)構(gòu)主要由3部分組成，分別是中心（纖芯）、外層（包層）、護(hù)套（尼龍塑料）

光導(dǎo)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(dāng)光纖的折射率N1=1.46, N2=1 .45時(shí)，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(gè)傳光的作用

光纖的調(diào)制形式有強(qiáng)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(yīng)的

• 傳感器原理及應(yīng)用期末復(fù)習(xí)題整理（下）

總結(jié)

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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