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光电检测技术概述CCD原理
第八章光电传感器及其应用
§8-1 传感器及其特性
一.传感器的组成:
图8-1传感器组成方块图
二.传感器的分类 P113表7-1
分类法
种 类
说 明
按输入分
位移、速度、加速度,温度
压力、电流、电压传感器
以被测物理量命名
按工作原理分
应变式、电容式、电感式、压电式、光电式
以工作原理命名
按输出分
模拟式、数字式
输出为模拟量、数字量
三.传感器的一般特性
(一).静态特性:
线性度、灵敏度、迟滞、重复性
1)线性度:
传感器的输入——输出是线性关系。
1.优点如下:
1.简化理论分析及设计计算;
2.方便仪器定标和数据处理;
3.使仪表度盘均匀刻度,工艺性好,精度高。
4.避免了非线性补偿。
2.只含有奇次非线性的传感器线性特性好(线性范围大)。
实际传感器一般为非线性,可表示为多项式(不考虑迟滞、蠕变):
y=a0+a1x+a2x2+……+anxn
不考虑零位输出a0
当仅有偶次非线性项(图b)
y=a1x+a2x2+a4x4+……
没对称性,零位附近线性范围窄,很少采用。
当仅有奇次非线性项(图c)
y=a1x+a3x3+a5x5+……
y(-x)=-〔a1x+a3x3+a5x5+……〕=-y(x)
关于原点对称,零位附近线性范围宽,较多使用。
8-2(b)
y
x
o
y
x
o
8-2(c)
图8-2传感器的静态特性(b)
例如:
差动传感器就有较宽的线性范围。
差动传感器一边的输出为:
y1=a0+a1x+a2x2+……+anxn (例:
sinθ)
另一边的反向输出为:
y2=a0-a1x+a2x2+……+(-1)nanxn (例:
-sinθ)
差动输出为:
y=y1-y2=2(a1x+a3x3+a5x5+…… ) (例:
2sinθ)
仅含有奇次非线性项,有较宽的线性范围。
3.线性度(误差)
e1=±
100℅
Δmax:
最大非线性绝对误差;
yFS :
输出满量程。
2)灵敏度 Sn=
对线性传感器:
Sn=
=y/x=a1即斜率
差动传感器:
Sn=
=d(y1-y2)/dx=2a1比一般传感器的灵敏度高一倍。
y
x
o
xm
yFS
Δmax
图8-5滞环特性示意图
3)迟滞:
正、反工作行程工作曲线不一致。
e2=±
100℅
输出最大误差与满量程之比。
4)重复性:
按同一方向作全量程多次测量,曲线不一致。
原因同上,有随机性。
定义:
不重复性为输出最大不重复误差与满量程之比。
e3=±(Δmax/yFS)·100℅
Δmax=(2~3)·σ
y
x
o
xm
yFS
Δmax2
图8-6重复性
Δmax1
σ=
贝塞尔公式
σ为标准偏差。
式中:
yi——测量值
n—测量次数
—算术平均值
(二)、传感器的动态特性
1.对阶跃信号的响应
上升时间trs
从指示输出最终值的5﹪(a点)到90﹪(b点)所需的时间。
响应时间tst
从输入量开始作用到输出量进入稳定范围的时间。
过调量(超调量)C
输出量达到稳定值后又超出的最大偏差。
2.对正弦输入的响应
用幅频、相频特性、传递函数描述动态特性。
§8—2CCD传感器原理
电荷耦合器件简称为CCD(ChargeCoupleddevices),发明于1969年,发展迅速并得到广泛应用。
一.CCD工作原理
CCD的特点是以电荷作为信号,它的基本功能是电荷的存贮和转移。
因此,CCD的基本工作原理是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。
1.电荷存贮CCD是由规则排列的金属—氧化物—半导体(MOS)电容阵列组成。
当MOS电容器栅压VG大于开启电压Vth时,由于表面势升高,如果周围存在电子,电子将迅速地聚集到电极下的半导体表面处。
由于电子在那里的势能较低,我们可以形象地说:
半导体表面形成了对于电子的势阱。
习惯上,可以把势阱想象成一个容器,把聚集在里面的电子想象成容器中的液体,如图所示。
势阱积累电子的容量取决于势阱的“深度”,而表面势的大小近似与栅压VG成正比。
势阱填满是指电子在半导体表面堆积后使表面势下降。
2.电荷耦合CCD器件每一单元(每一像素)称为一位,有256位、1024位、2160位等线阵CCD可供使用。
CCD一位中含的MOS电容个数即为CCD的相数,通常有二相、三相、四相等几种结构,它们施加的时钟脉冲也分为二相、三相、四相。
二相脉冲的两路脉冲相位相差1800;三相及四相脉冲的相位差分别为1200、900。
当这种时序脉冲加到CCD驱动电路上循环时,将实现信号电荷的定向转移,及耦合。
如图所示为二相线阵CCD(TCD1206)驱动波形,Φ1、Φ2相位差1800,
下图所示TCD1206的相邻两像元,每一位含MOS电容2个;
取表面势增加的方向向下,工作过程如图所示:
1t=t1时,Φ1电极处于高电平,而Φ2电极处于低电平。
由于Φ1电极上栅压大于开启电压,故在Φ1下形成势阱,假设此时光敏二极管接收光照,它每一位(每一像元)的电荷都从对应的Φ1电极下放入势阱。
2t=t2时,Φ1电极上栅压小于Φ2电极上栅压,故Φ1电极下势阱变浅,势阱变深,电荷更多流向Φ2电极下。
(由于势阱的不对称性,“左浅右深”,电荷只能朝右转移)
3t=t3时,Φ2电极处于高电平,而Φ1电极处于低电平,故电荷聚集到Φ2电极下,实现了电荷从Φ1电极下到Φ2电极下的转移。
4同理可知,t=t4时,电荷包从上一位的Φ1电极下转移到下一位的Φ1电极下。
因此,时钟脉冲经过一个周期,电荷包在CCD上移动一位。
3.电荷注入
在CCD中,电荷注入分为两类:
光注入和电注入。
光注入方式:
当光照射到CCD硅片上时,在栅极附近的体内产生电子—空穴对,其多数载流子被栅极电压排开,少数载流子则被其收集到势阱中形成信号电荷。
电注入方式:
有电流积分法和电压注入法。
4.电荷检测
CCD输出结构的作用是将CCD中信号电荷变为电流或电压输出,以检测信号电荷的大小。
早期的电流输出方式,由于集成度不高,寄生电容大,信噪比小,已不再使用。
浮置扩散放大器属于电压输出方式,目前采用最多。
其基本结构和工作原理如下:
如图所示,给出了CCD的电压输出电路。
它是由放大管T1、复位管T2、和输出二极管T3组成。
放大管T1是源跟随器,复位管T2工作在开关状态,输出二极管T3始终处于强反偏状态。
A点的等效电容C由T3管的结电容加上T1管的栅电容构成,它构成一个电荷积分器。
此电荷积分器随T2管的开与关,处于选通和关闭状态,称为选通电荷积分器。
如图所示为电压输出工作波形图。
CCD电压输出工作原理为:
在每个时钟脉冲周期内,随着时钟脉冲Φ1或Φ2的下降过程,就有一个电荷包从CCD转移到输出二极管T3的N区,即转移到电荷积分器上,引起A点电位变化为:
ΔV2=
(因为是N沟道,信息电荷为电子,故加负号)
由于MOS管T1的电压增益为
AV=
式中gm为跨导,RL为负载电阻,故T1管源极输出电压变化为:
Vout=
我们对Vout进行读出,然后T2管栅极RG在复位脉冲ΦR的作用下导通,将电荷包Q通过T2管的沟道抽走,使A点电位重新置在VRD值,为下一次Vout读出作准备。
当ΦR结束,T2管关闭后,由于T1管处于A点的VRD电位的强反偏状态,此积分器无放电回路,所以A点电位一直维持在VRD值,直到下一个时钟脉冲信号电荷到来为止。
二.CCD摄像原理
N
N-1
N-2
3
2
1
光敏区
转移区
CCD
Φ1Φ2
电荷进入Φ1
电荷从Φ2进入T3
Φ1Φ2
G0
S
ΦP
Φt
RG
VRD
VOD
T2
T3
T1
C
RL
加ΦR脉冲
注:
对双路输出,另一路的电荷从Φ2进入T3(同一个)
图8-14线阵CCD组成图
CCD摄像器件可分为线列和面阵两大类。
本节仅以线列CCD为例说明摄像原理。
VOUt
CCD线列图象器件由光敏区、转移栅、CCD移位寄存器、电荷注入、信号读出电路等几个部分组成。
如图所示是一个N个光敏元的线列CCD。
CCD摄像过程可归纳为如图所示的五个环节。
工作波形如图所示。
Φ2
Φ1
ΦR
Vout
ΦP
Φt
t1t2t3t4
转移准备
转移结束
有效积分时间
(即ΦSH)
转移
图8-16CCD工作波形图
各个环节分述如下:
1)积分在有效积分时间里,光栅ΦP处于高电平,每个光敏元下形成势阱,光生电子被积累到势阱中,形成一个电信号“图象”。
2)转移就是将N个光信号电荷包并行转移到所对应的各位CCD中,Φt处于高电平。
3)传输N个信号电荷在二相脉冲Φ1、Φ2驱动下依次沿CCD串行输出。
4)计数计数器用来记录驱动周期的个数。
通常计数器预置值定为N+m,m为过驱动次数。
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- 光电 检测 技术 概述 CCD 原理