传感器原理及检测技术

CCD传感器

面阵型CCD图像传感器一
CCD传感器

面阵型CCD图像传感器二
CCD传感器

面阵型CCD图像传感器三
CCD传感器的应用


组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、 工件损伤、自动焦点等。 用作光学信息处理装置的输入环节，例 如传真技术。光学文字识别技术(OCR)与 图像识别技术、光谱测量及空间遥感技 术、机器人视觉技术等。 作为自动化流水线装置中的敏感器件， 例如可用于机床、自动售货机、自动搬 运车及自动监视装置等。
按 输 出 量 性 质
开关式光电传感器
模拟式光电传感器
模拟式光电传感器的输出量为连续 变化的光电流，为了保证检测的有效性 测量精度，要求光电元件的光照特性呈 单直线值，光源的光照要求保持均匀稳 定。
模拟式光电传感器

模拟式光电传感器的工作方式一 光电元件探测被测量物发出的光辐 射，属被动式测量方式，被测量物本身 是光辐射源。 光照度计、光电高温计、火报警 器、红外探测与遥感等。
读出移位寄存器
读出移位过程实质上是电荷转移的 过程。在半导体的底部上覆盖一层遮光 层，以防外来光干扰。由三个十分邻近 的电极组成一个耦合单元(即传输单 元)，在这三个电极上分别施加了脉冲 波，电荷传输过程如下图。
读出移位寄存器

读出移位寄存器结构与电荷转移的关系
(a) (a)势阱耦合与电荷转移
(b) (b)控制时钟波形图
百度文库 模拟式光电传感器

模拟式光电传感器工作方式四 利用恒定光源发出的光投射到被测 物体上，并用光电元件测量反射光的光 通量，进而测定被测物表面特征或状态 等。 如测量机械参量中的表面粗糙度、 表面缺陷、表面位移、表面白度、露 点、湿度等。
模拟式光电传感器应用举例

光电比色高温计
模拟式光电传感器应用举例


光谱特性 在入射光照度一定时，光电元件的 相对灵敏度随光波波长的变化而变化， 一种材料只对一定波长范围的人射光敏 感，这就是光谱特性。 频率特性 表征光电器件的动态性能，反映了 交变光照下器件的输出特性，用响应时 间来表示。
光电器件的特性


伏安特性 在一定的光照下，对光电器件所加 端电压与光电流之间的关系称为伏安特 性。它是传感器设计时选择电参数的依 据。使用时应注意不要超过器件最大允 许的功耗。 温度特性 光电器件随所处环境温度的变化， 其光电效应的外在表现会发生变化。
光电隔离器
光电隔离器由发光二极管和光敏晶 体管封装在同一个管壳内组成，在装配 上要使LED辐射能量能有效的耦合到光敏 晶体管上。
光电隔离器

光电隔离器的选用 LED-光敏三极管形式常用于信号隔 离，频率在100kHz一下；LED－复合管或 达林顿管的形式常用在低功率负载的直 接驱动等场合；LED－光控晶闸管形式常 用在大功率的隔离驱动场合。 无论何种组合形式，均要使发光元 件与接受元件的工作波长相匹配，保证 具备较高的灵敏度。
光电器件的特性

峰值探测率 光探测器件的性能用峰值探测率 D* 来表征：
A f D NEP NEP/ A f
*
1
NEP
2 qI D RI
9 q 1 . 6 10 C), I D为暗 式中， 为电子电荷( 电流(A)，RI 为电流响应率(A／W)。
光电耦合器件

概述 光电隔离器 光电开关
光电隔离器

光电隔离器的应用 将输入与输出端两部分的地线分隔 开，并各自使用一套电源供电； 实现电平转换； 提高驱动能力。
光电开关
光电开关是通过把光的强度转变为 电信号变化，并以此来实现控制的一种 电子开关。对金属或非金属都能作出反 应，无机械磨损，无电火花，是一种安 全、可靠、长寿命、无触点的开关。 光电开关以其结构和工作方式的不 同，可分为沟式、对射式、反光板反射 式、扩散反射式、聚焦式、光纤式等类 型。
CCD传感器
利用电荷耦合技术组成的图像传感 器称为电荷耦合图像传感器。它由成排 的感光元件与电荷耦合移位寄存器等构 成。电荷耦合图像传感器通常可分为线 型传感器和面型传感器。
CCD传感器

线阵型CCD图像传感器
单行结构图
CCD传感器

线阵型CCD图像传感器
双行结构图
CCD传感器

CCD光谱特性
模拟式光电传感器

模拟式光电传感器工作方式二 在光电元件和恒定光源之间设置被 测物，根据被测物对光的遮挡程度，通 过光通量的大小来测定被参数。 常用于几何测量，如测量孔径、缝 宽、直径等。
模拟式光电传感器

模拟式光电传感器工作方式三 在恒定光源与光电元件之间设置被 测物，通过测定被测物对光的吸收程度 以及对光谱线的选择性来测量被测参 量。 常用于气体、液体成分分析或透明 度、混沌度测量以及测量某种物质含 量。
电荷耦合器件(CCD)

概述 CCD器件的特点 MOS光敏元 读出移位寄存器 CCD传感器及应用
电荷耦合器件(CCD)

概述 电荷耦合器件(Charge-Coupled Devices，简称CCD)是一种在七十年代初 问世的新型半导体器件。利用CCD作为转 换器件的传感器，称为CCD传感器，或 CCD图像传感器。
光电效应和光电元件

外光电效应 基于外光电效应的器件 内光电效应 基于内光电效应的器件
光电效应

外光电效应 入射光发生光电效应的波长限由下 式确定：
0
hc 1 . 239 A A
m
c为光速，h为普朗克常数，A为物体 的表面逸出功。
基于外光电效应的器件

光电管
基于外光电效应的器件

光电倍增管
光电效应

内光电效应之一 (光电导效应) 发生内光电效应的临界波长，由下 式确定： 1239
0
E g nm
E g为材料的禁带宽度，锗的为
0.75eV，硅的为1.2eV。
光电效应

内光电效应之二 (光生伏特效应)
势垒效应(结光电效应) 侧向光电效应
基于内光电效应的器件
光电式传感器
光电式传感器

光电效应和光电元件 光电器件的特性 光电耦合器件 电荷耦合器件(CCD) 光电式传感器
光电式传感器

光电式传感器的概念 光电式传感器是以光电元件作为转 化元件，可以将被测的非电量通过光量 的变化再转化成电量的传感器。光电式 传感器一般由光源、光学元件和光电元 件三部分组成。 光电式传感器的物理基础是光电效 应。
CCD传感器的应用

尺寸测量基本原理
CCD传感器的应用
CCD传感器的应用

工件伤痕及表面污垢检测
CCD传感器的应用

形状检测
CCD传感器的应用

细丝类物件的在线检测
光电式传感器

光电式传感器的工作原理 光电式传感器的优点 光电式传感器的分类 模拟光电传感器 开关式光电传感器

透射式光电传感器
模拟式光电传感器应用举例

反射法检测粗糙度、裂纹
模拟式光电传感器应用举例

反射法测量尺寸或位置
开关式光电传感器
该类传感器的输出信号对应于光电 信号“ 有” 、“ 无” 受到光照两种状态，即输 出特性是断续变化的开关信号。这类传 感器要求光电元件灵敏度高，而对元件 的光照特性要求不高。 在自动计数、光控开关、光电编码 器、光电报警装置及其它光电输入设备 场合有广泛的应用。
CCD器件的特点


CCD器件的特点是在半导体硅片上制有 成百上千个(甚至数百万个)按线阵或 面阵有规则排列的光敏元，当物体通 过物镜成像于半导体硅平面上时，这 些光敏元就产生与其光强成正比的光 生电荷； 具有自扫描能力，即光敏元上产生的 光生电荷依次具有规则的串行输出， 输出的幅值与对应的光敏元上的电荷 量成正比。
开关式光电传感器应用举例

光电式数字转速表
开关式光电传感器应用举例

光电转速计
光电式传感器实例

定向反射式光电传感器
光电式传感器实例

E3X-ZA光电传感器
光电式传感器实例

光电式烟雾传感器
光电式传感器实例

西门子3RG7 BERO 光电式传感器
光电耦合器件

概述 光电耦合器是利用发光元件与光敏 元件封装为一体而构成电－光－电转换 的器件加到发光器件上的电信号为耦合 器的输入，接收器的输出信号为耦合器 的输出信号。 光电耦合器具有无机械触点、噪音 低、执行动作快、体积小、寿命长的特 点。 根据结构和用途的不同，光电耦合 器分为光电隔离器和光电开关两大类。

光敏电阻
光敏电阻工作原理
光敏电阻外壳封装
基于内光电效应的器件

光敏电阻
光敏电阻工作原理
光敏电阻外壳封装
基于内光电效应的器件

光敏晶体管
－ P N ＋ + -
N
P
N
光敏二极管
光敏三极管
基于内光电效应的器件

光电池与外电路连接方式
P N + P N -
+
mA (a)
-
V (b)
(a)短路电流输出
MOS光敏元
CCD器件是在MOS电容器基础理论上 发展起来的。在P型硅上生长一层具有介 质作用的二氧化硅，在二氧化硅上又淀 积一层金属电极，于是就形成了一个金 属-氧化物-半导体电容器，也就是MOS电 容。由于是P型硅，所以其中主要的导电 粒子是带正电的空穴。
MOS光敏元
MOS光敏元结构及其势阱
光电开关

光电式光电开关工作示意图一
发 发 被检测物体 (a) 反光板 反光板 (b) (a)对射式光电开关 (b)反光板反射式光电开关 收 收
光电开关

光电式光电开关工作示意图二
发、收
发、收
扩散式光电开关
光电开关

光电式光电开关工作示意图三
收、发 聚焦点
(a) 光纤
收、发
(b) (a)聚焦式光电开关 (b)光纤式光电开关
(b)开路电压输出
光电器件的特性

光照特性 常用响应率R来表征光电器件的光 照特性： V p I
R1
p
Pi
R
v

Pi
式中， R1 为光生电流器件的电流响 Rv为光生伏特器件的电压响应 应率； 率；Pi 为光输入功率； I p和 Vp分别为光生 电流器件的输出电流和光生伏特器件的 输出电压。
光电器件的特性
光电式传感器的工作原理

光电式传感器的测量原理图
光源 光量 光学通路 光电传感元件 电量 测量/显示
被测量
光电式传感器的特点
光电式传感器具有结构简单、隔 离性能好、可靠性高、体积小、重量 轻、价格低廉、灵敏度高和反应快等 优点。在自动化、检测技术领域应用 广泛。
光电式传感器的分类
模拟式光电传感器 光电式传感器