新型传感器3Word文件下载.docx

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使用教材

王元庆，机械工业出版社

《新型传感器原理及应用》

系（院、部）

工程机械系

教研室（实验室）

机械电子技术教研室

课　时　授　课　计　划

课次序号：

03

一、课　　题：

第二章固态光电传感器

二、课　　型：

课堂讲授

三、目的要求：

1.掌握光电耦合器件，光电位置传感器（PSD），光电开关等；

2.了解象限探测器，自扫描光电二极管阵列。

四、重点、难点：

光电耦合器件，光电位置传感器（PSD），光电开关的应用

五、教学方法及手段：

理论讲授，在讲课过程中适当举例说明光电耦合器件，光电位置传感器（PSD），光电开关的应用，提高学生的实际解决问题的能力。

六、参考资料：

王元庆，机械工业出版社，《新型传感器原理及应用》

七、作业：

八、授课记录：

授课日期

9.75.6节

班　　次

机械071~074物理

九、授课效果分析：

十、教学进程（教学内容、教学环节及时间分配等）

1、复习

2、导入课题（5分钟）

现实生活中，传感器是整个测试系统实现测试和自动控制的首要的、关键的环节。

传感器技术是一个汇聚物理，化学，材料，机械，电子，生物工程等多类型交叉学科。

而新型传感器是指最近十几年内研究开发出来的、已经或正在走向实用化的传感器，相对于传统的结构型传感器而言，新型传感器大部分属于物性型传感器。

3、教学内容（80分钟）

传感器与传感器技术

传感器的分类及发展趋势

传感器技术的特点及发展动向

新型传感器

4、课堂总结

总结传感器及传感器技术的相关知识及新型传感器相关效应。

5、布置作业

第一章固态光电传感器

一、光电耦合器件

光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内,一般有金属封装和塑料封装两种。

发光元件为发光二极管，受光元件为光敏三极管或光敏可控硅。

它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出端。

常见的元器件有TIP621-4,521-4等，元件如下图。

光耦特点

1.强弱电隔离

输入输出极之间绝缘电阻很高。

耐压达2000V以上。

能避免输出端对输入端地线等的干扰。

2.对系统内部噪声有很强的抑制作用

发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，对系统内部的噪声有旁路作用，（滤除噪声）。

二、光电开关

光电开关在制造业自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。

可实现限位控制、产品计数,料位检测，越限安全报警及计算机输入接口等用途。

利用输出电平的状态判断有无被测物。

（a）（c）无被测物，输出高电平；

有被测物，输出低电平。

（b）无被测物，输出低电平；

有被测物，输出高电平。

三、象限探测器

象限探测器是在同一块芯片上制成两个或四个探测器，中间有沟道将它们隔开，因而这两个或四个探测器有完全相同性能参数。

当被测体位置发生变化时，来自目标的辐射量使象限间产生差异，这种差异会引起象限间信号输出变化，从而确定目标方位，同时可起制导、跟踪、搜索、定位等作用。

典型的象限探测器

四象限光电二极管四象限硅光电池

四象限光电倍增管

二象限的硅光电池

四象限精密光电方位探测器

四象限光电探测器实际由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像，如图一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。

当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位），若在四象限光电探测器前面加上光学调制盘，则还可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的距离或θ角来。

方位探测器原理

四、光敏器件阵列

光敏管阵列是将光敏管以线列或面阵形式集成在一个硅片上，将各管的同一极端连接在一起，另一端各自单独引出，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件。

由于阵列中象元相互独立，每一个象元信号的引出需要一个独立电路，因此光敏管阵列信号引出比较复杂。

一般地，有多少个象元就需要多少路信号处理电路，电路越复杂，可靠性越差。

图为信号引出较简单的一种电路，电路采用多路选择开关和光敏元件的输出线相连，通过地址逻辑选择端对光敏阵列中的每一个光敏元件扫描，每一个元件均采用同一路信号处理电路，电路结构简单，该电路较适合微机应用系统。

五、自扫描光电二极管阵列（SSPD）

早期的光电二极管阵列是利用分立的光敏二极管一次排列而成，再用引线引出正负极。

这种阵列规模小，应用不便。

随着半导体平面工艺和MOS工艺的成熟，在1976年实现了将光敏二极管阵列与移位寄存器、MOS多路开关等电路集成在同一硅片上，形成自扫描光电二极管阵列。

器件的外部引线大为减少，引线数与阵列所含二极管单元数无关。

阵列的各项性能指标提高,使用方便。

目前国外已有系列产品，一维光电二极管阵列的光敏二极管单元数为128～4096，二维光电二极管阵列的单元数从14×

41到256×

256、1200×

400。

光电二极管阵列是当前光学多通道探测系统中使用最广的探测器之一。

它具有体积小，响应时间快，积分时间可变，无滞后效应，输出噪声低，动态范围大，光谱响应宽等优点。

电荷存贮工作原理

1.连续工作方式

图是电荷存贮的连续工作方式

当一束光照到光电二极管的光敏面上时，假设光电二极管的量子效率为η，那么光电流为

2.电荷存贮工作方式

光电二极管电荷存贮工作方式的原理

1.预充电

首先闭合开关，此时结电容Cd上的电荷

2.曝光过程

打开开关，在曝光过程上所释放的电荷

如果在曝光过程中，辐射照度和光电流都是时间的变化函数，那么所释放的电荷

式中为Ip平均光电流。

同时，结电容Cd上的电压因放电而下降到Vcd，它的值

3.再充电过程

输出的峰值电压

则

若将上述开关K的[开]和[闭]分别用低电位[0]和高电位[1]表示，则结电容上的电压VD和输出信号VR随开关信号的变化关系如图所示。

当曝光量H达到某一数值时，光电二极管产生的光电流使结电容Cd上的全部电荷都释放掉，因此

与连续工作方式相比，在电荷存贮工作方式下负载电阻上的光电流输出信号。

式中，τ=RL‧Cd为电路的时间常数。

从上式可见，电荷存贮工作方式下的光电流输出信号比连续工作方式下的光电流信号大得多。

定义增益

实际电荷储存原理

SSPD组件内部单元的结构图

SSPD线阵原理结构

它主要由三部分组成

N位完全相同的光电二极管数组

N个多路开关

N位数字移位缓存器

SSPD线阵的工作过程

SSPD矩阵

六、光电位置传感器（PSD）

高灵敏度光电位置传感器PSD是一种新型的光电器件,或称为坐标光电池,它是一种非分割型器件,可将光敏面上的光点位置转化为电信号。

当一束光射到PSD的光敏面上时,在同一面上的不同电极之间将会有电流流过,这种电压或电流随着光点位置变化而变化的现象就是半导体的横向光电效应。

因此利用PSD的PN结上的横向光电效应可以来检测入射光点的照射位置。

它不像传统的硅光电探测器只能作为光电转换、光电耦合、光接收和光强测量等方面的应用;

而能直接用来测量位置、距离、高度、角度和运动轨迹等。

它与阵列式图像传感器也不一样,不像固态图像传感器的测量表面由于敏感单元有一定大小而存在死区;

PSD器件能连线检测光点的位置,没有死区分辨力高,适配电路简单等特点,正日益引起人们的重视。

PSD可分为一维PSD和二维PSD。

一维PSD可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD可测光点的平面位置坐标。

一维PSD

实用的一维PSD为PIN三层结构，其截面如图所示。

P层为感光面，两边各有一信号输出电极。

当入射光点照射到PSD光敏面上某点时，由于在入射光点到信号电极间存在横向电势，从而从信号电极上分别得到光电流I1和I2。

如果PSD表面层的电阻是均匀的，则PSD的等效电路为图b〕所示的电路。

由于Rsh很大，而Cj很小，故等效电路可简化成图c）的形式。

PSD的单个电极输出只与光点的位置坐标x有关，而与入射光强度无关，此时PSD就成为仅对入射光点位置敏感的器件。

Px称为一维PSD的位置输出信号。

其基本检测和处理电路如图。