一、光电式传感器

概述

光电式传感器是将光信号转换成电信号的传感器
光电传感器是物性型传感器
光是一种由称为光粒子的基本粒子组成的粒子流
光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式、吸收式、遮光式和反射式这四种形式
测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电传感器
测量液体、气体的透明度、浑浊度，对气体进行成分分析，测定液体中某种物质的含量可以选择吸收式光电传感器
光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于辐射式光电传感器

外光电效应

因光照射而引起物体电学特性的改变现像称为光电效应
光电效应分为外光电效应和内光电效应
外光电效应是光照射在金属或金属氧化物而引起物体电学特性的改变
属于外光电效应的仪器有光电管、光电倍增管、像增强器
在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称为外光电效应
光电管是由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央
在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性
当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性
保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性
不同材料的光电阴极，它的光波响应是不一样的，所以在选择光电管的时候，要根据所测的这个光的波长来选择合适的光电管
光电倍增管是一种利用外光电效应和二次电子发射效应，将微弱光信号转换成电信号的真空管
光电倍增管对紫外光、可见光和近红外光及其敏感
根据光电管的伏安特性可以知道，两端所加的电压达到一定幅度的时候，它就饱和了，只要阴极能发射的电子，阳极都能收集到
根据光电管的伏安特性，光照不一样，光电流也不一样
光照特性曲线的斜率就是光电管的灵敏度
不同材料的光电阴极，它的光波响应是不一样的，所以在选择光电管的时候，要根据所测的这个光的波长来选择合适的光电管

内光电效应之光电导效应

光电导效应是在光的作用下，材料中的电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化
属于光电导效应的器件是光敏电阻
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮阻值）急剧变小，电路中电流迅速变大
光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好
一般在定量测量中，用光敏电阻进行光强的检测用的比较少（不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关）
光敏电阻的电压不能无限地增大（电压太高，电流也就太大了，电流太大会烧坏电阻）
当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性
光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化
光敏电阻性能（灵敏度、暗电阻）受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动
光敏电阻在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现像
半导体材料的禁带就是一种能级，只有电子的能量大于禁带的能量，他才有可能越过禁带达到导带
只有比较短的波长的光照射的时候，才可能产生内光电效应（入射波的波长小于1.24/Eg波长的时候，才能产生电子跃迁，所以只有比较短的波长的光照射的时候，才可能产生内光电效应）
暗电阻的值是固定不变的；光强不一样，亮电阻不一样。
暗电流不是固定不变的值，它是随着外界电压的变化而变化的；亮电流随光强变化而变化，也随外界电压的强度变化而变化
亮电流与暗电流之差为光电流
进行可见光光强检测时，光电阻与光敏二极管相比，一般后者具有更好的线性度

光敏二极管与光敏三级管

光敏二极管在布局的时候分为光导模式和光伏模式
光敏二极管的光导模式和光伏模式的不同在于光导模式偏置接地而光伏模式接负电源
光伏模式偏置小，频率低，比较适合超低光强/低速信号检测
不同材料的光敏三极管的光谱特性不同，在可见光或探测炽热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时，则采用锗管比较合适
光电三极管，当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度
光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件
温度变化对光敏三极管的光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大。所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则会导致输出误差
光敏二极管进行光强的检测时，一般外加电场的方向应该与内电场的方向保持一致

内光电效应之光生伏特效应

光照时物体中能产生一定方向电动势的现像叫做光生伏特效应
当P-N结不加偏压时，基于光生伏特效应的器件有光电池
当P-N结处于反向偏置时，基于光生伏特效应的器件包括光敏二极管、光敏晶体管
当P-N结处于反偏时，光电流和外加电场的电流方向是一致的，并且光照越大，光电流越大
如果要利用光电池进行光强检测的时候，应该采用短路电流的方式
作为太阳能电池发电的时候，选择开路电压的方式比较好
对于光电池来说，外界负载电阻越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽
硅光电池频率响应比硒光电池好，所以一般在高速计数器上，光闪的比较快的时候，我们一般采用硅光电池
如果用光电池进行测量的时候，就要采取一个恒温的措施，或者采用温度补偿的措施消除这种温度引起的开路电压和短路电流的变化
光电池既能作为能源使用，也能作为传感器来使用
光电池用于光强检测时，采用短路电流的测量方式比开路电压的方式要好

光电器件的电路符号

光电管
光敏电阻
光电池
光敏二极管
光敏三极管

二、新型光敏传感器

图像传感器概述

CCD的全称是电荷耦合器件
CCD是1970年贝尔实验室的威拉德·博伊尔(Willard S.Boyle)和乔治史密斯(George E. Smith)所发明的。
CCD的基本功能是电荷的产生、存储、转移和输出
CCD的最基本单元是MOS电容器
像素就是一个一个感光的单元，彼此之间是独立的
电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个光敏元，一个光敏元又称一个像素，光敏元按线阵或面阵有规则地排列
向半导体表面电极加正偏压，会形成一个带负电荷的耗尽区（表面势阱）
CCD图像传感器由于光照的作用，他会产生电荷
产生的电荷储存在MOS电容器的势阱里面，它的多少实际上就反应了光照的强弱
CCD电荷的注入除了光信号注入还有电信号注入

CCD

CCD图像传感器的暂存区需要遮光，用于电荷转移
面阵型CCD图像传感器的行间转移式结构是光敏单元与垂直转移寄存器交替排列，相当于在两列感光的列中间插入一列，这是专门用于转移电荷的
面阵型CCD图像传感器的线转移式的结构缺点是电荷转移时间太长，会产生拖影（电荷最后都要通过最下面这个读出寄存器把它读出来，所以它转移的时间实际上也还是比较长的，会产生拖影）
面阵型CCD图像传感器包括线转移式、帧转移式和行间转移式这三种类型
在同样面积大小的CCD结构尺寸上，线型CCD图像传感器的并行结构比单行结构的优点有像素可以做的更多、分辨率提高、转移时间少、电荷转移损耗小（并行结构的移位寄存器做成了两排，这样的话可以在同样的一个面积大小的CCD结构尺寸上，可以提高它的分辨率，像素可以做的更多，另外，因为它这种转移可以分成两部分的转移，相当于把整个的N个像素，把它转移出去，时间比原来单线就要少-一倍了，那么它的损耗，就是电荷转移的这种损耗也会小一些，图像的质量也会高一些。）
CCD靶面尺寸一定的情况下，像素数目越多，图像越模糊（若在CCD靶面尺寸一定的情况下，增加像素就得缩小像素点的面积。像素点的面积越小(大) ，其感光性能越低(高)，信噪比越低(高)，动态范围越窄(宽) ;所以,如果不增加CCD面积而一味地提高像素，只会引起图像质量的恶化。）
CCD的灵敏度数值越小，表示需要的光线越少，CCD也越灵敏
CCD信噪比是指在有效输出范围内，真值信号强度与噪声强度的比值，信噪比数值越大，表示成像的质量越好
CCD的量子效率是指阴极发射出的光电子数量与入射光光子的数量比，用以表示CCD在不同波长下的响应值
若某波长上量子效率数值越大，则表面CCD对该波长的响应程度越高
CCD的电荷转移效率还做不到100%（好的CCD一般可以达到0.999995））
在无光照的情况下，图像传感器能产生的输出噪声电流称为暗电流。电流越小，噪声干扰越小，信噪比越高

位置传感器

PSD是基于横向光电效应的光电器件，属于光生伏特效应
PSD由三层构成，最上一层是P层，下层是N层，中间插入较厚的高阻I层，形成P-I-N结构
I1I_1I1和I2I_2I2之和等于总的光生电流，I1I_1I1和I2I_2I2的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极之间的等效电阻R1R_1R1和R2R_2R2
PSD与表面上的光斑强度、分布、对称性和尺寸无关，只与位置有关

三、光纤传感器

概述

数值孔径NA越大，集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大，光信号畸变越大，要选择适当。
“光纤之父”是高锟
按光纤的折射率不同可以分为阶跃型和渐变型
按光纤的传输模式可以分为单模光纤和多模光纤
光纤的结构主要由3部分组成，分别是中心（纤芯）、外层（包层）、护套（尼龙塑料）
光导纤维的纤芯和包层的折射率不同
光在光纤中的传播就是基于光的全反射
当光纤的折射率N1=1.46, N2=1 .45时，如光纤外部介质N0=1，求最大入射角θ的值。
NA=1N0N12−N22=sin⁡θNA = \frac{1}{N_0} \sqrt{N_1^2-N_2^2} = \sin\thetaNA=N01N12−N22=sinθ
θ=arcsin⁡NA\theta = \arcsin NAθ=arcsinNA

光纤的组成和形式

光纤传感器由光源、敏感元件（调制器：光纤或非光纤的）、光探测器、信号调理电路以及光纤组成
功能型光纤传感器中的光纤的作用包括光的传输作用，还可以起到对外界信息的敏感作用
光纤在非功能型传感器里面仅仅起到一个传光的作用
光纤的调制形式有强度调制型、相位调制型、偏振调制型、波长调制型、频率调制型
光纤的频率调制型是基于多普勒效应的

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一、光电式传感器

概述

外光电效应

内光电效应之光电导效应

光敏二极管与光敏三级管

内光电效应之光生伏特效应

光电器件的电路符号

二、新型光敏传感器

图像传感器概述

CCD

位置传感器

三、光纤传感器

概述

光纤的组成和形式

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