光电传感器ppt课件.ppt

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1、3.4 光电式传感器,1 光电器件及其特性2 光电耦合器件3 光电式传感器的测量电路4 光电传感器及其应用5 电荷耦合器件（CCD）6 光纤传感器,光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。 可测量光强、照度、辐射量、气体成分，尺寸、位移、表面、识别、开关、报警等。在自动控制、生产自动化、广播、军事、宇航等领域得到广泛应用。是所有传感器中应用最广、发展最快的一类。,一、光电器件及其特性,光电效应光电管与光电倍增管光敏电阻光敏二极管和光敏三极管光电池半导体光电元件的特性,1 光电效应,由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每

2、个光子所具有的能量E与其频率大小成正比（ E=h）。 光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光子后产生的电效应。从传感器的角度看光电效应可分为二大类型：,（1）外光电效应 指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。逸出表面的光电流与光强成正比。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过 s。光电管及光电倍增管均属这一类。（2）内光电效应 光电导效应：指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管即属此类。 光生伏特效应：在光的照射下，物体内部产生一定方向的电动势。

3、光电池即属此类。 内光电效应它多发生于半导体内。,光电导效应过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。,导带,价带,禁带,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,Eg,材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。,式中、分别为入射光的频率和波长。,为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即,光生伏特

4、效应过程： 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。,利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。,（一）光电管及其基本特性,光电管的结构示意图,光,阳极,阴极,光窗,1）结构与工作原理,光电管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

5、。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。,2 外光电效应器件（光电管和光电倍增管）,光电器件的性能主要由光照特性、光谱特性、频率特性、伏安特性、温度特性和峰值探测率来描述。光电管的伏安特性,2）主要性能,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。它是应用光电传感器参数的主要依据。,光电管的伏安特性,50,20lm,40lm,60lm,80lm,100lm,120lm,100,150,200,0,2,4,6,8,10,12,阳极与阴极间的电压/V,IA/ A,光电管的光照特性 通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光

6、电流之间的关系。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电,管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。,光电管的光照特性,25,50,75,100,2,0,0.5,1.5,2.0,/1m,IA/ A,1.0,2.5,1,光电管光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。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。不同阴极材料的光电管，有不同的红限频率0，因此它们可用于不同的光谱范围。此外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度也不同，

7、这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。,国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限0=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%30%。它适用于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。 对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。 对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。 锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为30008500，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极。 有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的

8、夜视镜等。,（二）光电倍增管及其基本特性,当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几A，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图。1）结构和工作原理,由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子,的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，也能产生很大的光电流。,倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增

9、电极的倍增率的乘积。如果n个倍增电极的都相同，则 M= 因此，阳极电流 I 为 I = i i 光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数为 = I / i = M与所加电压有关，M在105108之间，一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。对所加电压越稳越好，这样可以减小测量误差。,2）主要参数,103,104,105,106,25,50,75,100,125,极间电压/V,放大倍数,光电倍增管的特性曲线,光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电

10、倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。,暗电流 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。,光电倍增管的光照特性,线性,1013,1010,109,107,105,103,101,在45mA处饱和,1014,1010,106,1

11、02,光通量/1m,阳极电流/ A,光电倍增管的光谱特性 光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。,3 光敏电阻 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即 h= = Eg(eV) 式中和入射光的频率和波长。 一种光电导

12、体，存在一个照射光的波长限C，只有波长小于C的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。,光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个金属电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，,因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，结构见左图，可提高光敏电阻的灵敏度。,1-光电半导体; 2-电极;3-陶瓷基座;4-电阻引线；5-玻璃窗口; 6-金属外壳。,(a)结构,(b)电极,(c)符号,CdS光敏电阻的结构和符号,光敏电阻的灵敏度易受

13、湿度的影响，因此要将光电半导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。,光敏电阻的主要参数和基本特性：（1）暗电流、亮电流、光电流 暗电流：光敏电阻在室温下，无光照射时的电流值。 亮电流：光敏电阻在某一光照下的电流值。 光电流：亮电流与暗电流之差。,光敏电阻的暗电流越小（暗电阻越大），亮电流越大（亮电阻越小），则性能越好。这样的光敏电阻的灵敏度越高。 实用的光敏电阻的暗电阻往

14、往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。,（2）光照特性,下图表示Cd S光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。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。,0,1,2,3,4,5,I/mA,L/lx,1000,2000,（3）光谱特性 光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅3光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉1、硒化镉2的峰值在可见光区域。因此，

15、在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。,（4） 伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。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,50,100,150,200,1,2,U/V,0,20,40,象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。,I/ A,（5）频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照射时

16、，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，这就是光敏电阻的响应特性。由于不同材料的光敏，,电阻响应特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的响应时间都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。,（6）温度特性 其性能(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。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。,I / A,100,150,200,-50

17、,-10,30,50,10,-30,T / C,20,40,60,80,100,0,1.0,2.0,3.0,4.0,/m,I/mA,+20 C,-20 C,4 光敏二极管和光敏三极管,1）光敏二极管 光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶（受光面大），可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。,P,N,光,光敏二极管符号,RL,光,P,N,光敏二极管接线,光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流。当光不照射时，光敏二极管处于截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流

18、即暗电流；受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子（电子）渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子（空穴）渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。,光电二极管的基本结构是一个PN结。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU

19、系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。,2）光敏三极管 光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益，只是它的集电区很薄、受光面很大，且基极不接引线。当集电极加上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电区并进入基区时,会在基区产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴, 便有大量的电子流向集电极形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。,光敏三极管的主要特性：,光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不

20、足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。,（1）光谱特性,相对灵敏度/%,硅,锗,入射光,/,4000,8000,12000,16000,100,80,60,40,20,0,硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。,0,500lx,1000lx,1500lx,2000lx,2500lx,I/mA,2,4,6,20,40,60,80,光敏晶体管的伏安特性

21、,（2）伏安特性,光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流可看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。,U/V,光敏晶体管的光照特性,I / A,L/lx,200,400,600,800,1000,0,1.0,2.0,3.0,（3）光照特性 光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从

22、而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。,暗电流/mA,光电流/mA,10,20,30,40,50,60,70,T /C,25,0,50,100,0,200,300,400,10,20,30,40,50,60,70,80,T/C,光敏晶体管的温度特性,（4）温度特性 光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流、光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，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，否则将会导致输出误差。,（5）光敏三极管的频率特性 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提

23、高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。,3）PIN结构光电二极管,是一种新型的横向光电效应器件。在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的高阻本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。 由式 = CRL与 f = 1/2知，C小，则小，频带将变宽、响应变快。,不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。,最大特点：响应速度快，频带宽（可达

24、10GHz）。,原理：,应用： 位置敏感器件（PSD，position sensitive detector ）、电视摄像机遥控器。 具有灵敏度高、响应速度快和配置电路简单的优点。,当入射光点照在器件光敏面上时,激发电子-孔穴对，在反向偏压下形成光生电流I，电流的大小与光点在器件上的位置有关系。当光点位于器件中点(原点)时,光生电流I1=I2，根据这一原理,将PSD器件两极电流I1、I2变换成电压信号后再进行运算即可知道光点的位置。,高阻本征半导体I, 公共电极反向电压,光点,4）热释电传感器,应用：红外探测、温度传感器、热成像器件、 报警器。 具有响应速度快的特点。,热释电材料（PZT，铌酸

25、锂、钛酸钡等）自发极化，当光照引起材料温度升高（如红外光）时，由于温度升高而引起极化变弱，束缚电荷减少从而使电极的感生自由电荷减少电荷释放，产生电流。,实验：输出电压随温度变化。温度升高到居里点时自发极化会消失，故要求红外光要调制变化（电机叶片转速变化 ）,热释电材料,5 光电池,光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等

26、。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。硅光电池价格便宜、转换效率高、寿命长，适于接受红外光。硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。,光电池的示意图,硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P

27、区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,1）光电池的结构和工作原理,L/klx,L/klx,5,4,3,2,1,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,2,4,6,8,10,开路电压,Uoc /V,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.3,0.1,0,1,2,3,4,5,Uoc/V,Isc /mA,Isc/mA,(a) 硅光电池,(b)硒光电池,（1）光照特性 开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。 短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。,2）基

28、本特性,开路电压,短路电流,短路电流,短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。 下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。,0,2,4,6,8,10,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,I/mA,L/klx,50,100,1000,5000,RL=0,20,40,60,80,100,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,0.2,I / %,1,2,/m,(2) 光谱特性 硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长

29、在540nm附近，适宜测可见光。 硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。,1硒光电池2硅光电池,(3) 频率特性 光电池作为计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。 硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2;而硒光电池则较差，如曲线1。,（4）温度特性 光电池的温度特性是指开路电压UOC和短路电流ISC随温度变化的关系。 开路电压与短路电流均随温度而变化。当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。,20,0,40

30、,60,90,40,60,UOC/ mV,T / C,ISC,UOC,ISC / A,600,400,200,UOC开路电压,ISC 短路电流,硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线,半导体光电器件的特性总结,上面讨论的光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管、光电池等三种光电器件都是半导体传感器件。它们各有特性，但又有相似之处，为了便于分析和选用，把它们的特性综合如下。,1）光照特性 光电特性是指这些半导体光电器件产生的光电流与光照度之间的关系。a光敏电阻，b晶体管，c光电池,2）伏安特性 伏安特性是指光照一定时，这些光电器件的端电压U与电流I之间的关系。,3）光谱特性 半导体光电器件对不同波长

31、的光，其灵敏度是不同的，因为只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子-空穴对。而光子能量的大小与光的波长有关。,光敏电阻,4）频率特性 半导体光电器件的频率特性是指它们的输出电信号与调制光频率变化的关系。,光敏电阻,5）温度特性 半导体材料易受温度的影响，它直接影响光电流的值。因此需要讨论这些光电元件的温度特性，以便选用合适的工作温度。,1 光电隔离器 光电隔离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，受光元件为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出端。 特点：电气隔离、抗电磁干扰。输入输出

32、极之间绝缘电阻达1010，耐压达2000V以上。能避免输出端对输入端地线等的干扰。 应用：电气隔离，信号耦合，驱动负载。,二、光电耦合器件 光电耦合器是由一个发光元件和一个光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。,光电隔离器的组合形式： 光电隔离器的组合形式有多种，如图所示。,(d),光电隔离器的组合形式,采用光敏三极管：结构简单、成本低，通常用于50kHz以下的一般信号耦合。,采用高速开关管构成的高速光电隔离器,适用于较高频率的装置中。,采用达林顿放大管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。,该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。,2 光电

33、开关 输入信号为开关信号（高低电平）时，其输出信号也是开关量。可利用输出电平的高低来判断被测物的有无。 特点：无机械磨损、无电火花（长寿命、安全）。 光电开关在制造业自动化包装线（产品计数, 纺织，料位检测）、安全报警装置、计算机设备（打印机）中作光控制和光探测装置。,光电开关的测量方式：对射式、反射式、扩散反射式、聚焦式、光纤式等。（见教材P95-96）,要使光电式传感器能很好地工作。除了合理选用光电转换元件外，还必须配备合适的光源和测量线路。光电管的测量电路光电倍增管的测量电路光敏电阻的测量电路 光敏晶体管的测量电路 光电池测量电路,真空光电管的差接测量电路光电倍增管的测量电路光敏电阻开关

34、电路具有温度补偿的光敏二极管测量电路光电池开关电路,三、光电传感器的测量电路,真空光电管的差接测量电路（电流小，需放大；光电管差分接法。）,光电倍增管的测量电路（分压电阻链取出电压；电容起隔离作用）,光敏电阻开关电路（光照减少时，VT1导通、VT2截止、VT3与稳压二极管导通，于是继电器接通。）,具有温度补偿的光敏二极管测量电路（差接，同时受温度影响）,光电追踪电路,+12V,R4,R3,R6,R5,R2,R1,W,BG1,BG2,用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到

35、跟踪的目的。,光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路,光电池开关电路（光照时，光电池0.6V，二极管0.3V,总电压大于 0.7V, VT1 、VT2导通，于是继电器接通。）,输出,+12V,5G23,光电池放大电路,C3,-12V,W,R1,R2,R3,R4,R5,C1,C2,1,8,7,6,5,4,3,2,在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。,四、光电传感器的应用,光电传感器按其输出量的性质可分为模拟和脉冲式光电传感器两大类。,光学通路,光电传感元件,测量/显示,被测量,位移、振动等,光源

36、,光量,电压,电流,光电传感器原理：将被测量转换为光信号变化，再通过传感器将光信号转换为电信号并输出。,1 模拟式光电传感器 该类传感器的输出量为连续变化的光电流。它的工作方式有： 辐射式：照度计、火警报警器、干手机、比色高温计、红外探测器、遥感等。 遮光式： 尺寸测量（直径、孔径、长度、厚度、缝宽等）。 吸收式：成分分析，含量、混浊度、透明度测量。 反射式：表面的粗糙度、缺陷、位移、湿度测量；时差测距。,WDS型光电比色高温计原理图 1物镜，2反射镜，3光栏，4分光计，6半反射半透射镜（红外长波透射到硅光电池9，可见光反射到硅光电池7，同时记录、比较两个光电信号得到相应辐射温度），13目镜。

37、 特点：反应速度快、测量范围大（800-2000C），防粉、烟、水气。,光电测微装置示意图（1待测零件，2样板，3光源，4调制盘，5光电接收器）,2 脉冲式光电传感器 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态，即“通”与“断”的开关状态。所以也称为开关式光电传感器。 应用：产品自动计数、报警、光电开关、转速计、缺纸检测、纺织、车灯等。,转速计：旋转盘与指示盘开有相同间距的缝隙。当旋转盘转动时，每转过一条缝隙，光线便产生一次明暗变化，光电元件感光一次。经整形电路变为矩形脉冲信号，送计数器（单片机），由公式算出转速。,光电数字式转速计 的工作原理图,五、CCD图像传感器 CCD图

38、像传感器由光敏元阵列和读出移位寄存器集合而成。它的核心是电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称CCD)。CCD自1970年问世以后，由于它的低噪声等特点，CCD图象传感器广泛用于微光电视摄像、信息存储和信息处理、文字图象识别等方面。 特点：存储电荷、自扫描。集成、固化、分辨率高。,1CCD的结构和基本原理,P型Si,耗尽区,电荷转移方向,1,2,3,输出栅,输入栅,输入二极管,输出二极管,SiO2,CCD的MOS结构,(一)MOS光敏元,CCD器件的基本结构是MOS（金属氧化物半导体）光敏元。即在P型硅衬底上生长一层S iO2 (120nm),再在 S iO2层上沉积金

39、属铝构成MOS光敏元，它是CCD器件的最小工作单元。,A、势阱的产生 MOS的金属电极加正压，电极下的P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子（不导电的载流子），形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于U的大小。,B、电荷的存储 势阱具有存储电荷的功能，光照时在Si内产生电子-孔穴对，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。 CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是CCD器件中上千上万个相互独立的MOS元势阱中存储与光像对应的电荷量。,(二)读出移位寄存器,研究势阱下的电荷如何从一个MOS元转移到另一个MOS元位置，并依次转移并传输出来。,电荷转移的控制方法，有二相

40、、三相、四相配线方式。下面以三相配线方式为例说明控制电荷定向转移的过程。,A.三相控制的电荷转移： MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120的时钟脉冲驱动。,驱动（1，4，）,驱动（2，5，）,驱动（3，6，）,B、电荷的输出:,在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电子转移到二极管的耗尽区，电子作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小（光强）成正比，通过负载变为电压输出。输出电流的顺序表示MOS元的位置。,输出二极管电流法,2 线型CCD图像传感器 线型CCD图像传感器由一列光敏元与一列并行

41、的移位寄存器构成。在它们之间设有一个转移控制栅。 当入射光照射在光敏元上时,光敏元聚集光电荷, 光电荷与光强成正比；转移栅自动开启，各光敏元所积累的光电荷并行地转移到移位寄存器中；同时,在移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。,目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构：单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。,线型CCD图像传感器,3 面型CCD图像传感器 面型CCD图像传感器由感光区、信

42、号存储区和输出转移部分组成。典型的两种结构形式：,线转移面型CCD：由行扫描电路、感光区、垂直输出寄存器组成。行扫描电路将光敏元内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。,隔离转移面型CCD：用得最多的结构形式。 它将感光区与存储区相隔排列。 转移控制栅开启时，电荷信号从感光区进入存储区（垂直移位寄存器）；存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中；这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。,这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图

43、像清晰。 目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能生产的产品的单元数也越来越多，可达10241024像素。,转移控制栅,1. 尺寸自动检测 通常，快速自动检测工件尺寸的系统有一个测量台，在其上装有光学系统、图象传感器和微处理机等。被测工件成像在CCD图象传感器的光敏阵列上，产生工件轮廓的光学边缘。时钟和扫描脉冲电路对每个光敏元顺次询问，视频输出馈送到脉冲计数器。显示数N就是工件成象覆盖的光敏元数目，根据该数目来计算工件尺寸。,4 CCD图像传感器应用应用举例,工件尺寸测量系统,钞票检查系统,线阵CCD器件检测工件尺寸,L工件尺寸n覆盖的光敏元（像素）数目p相邻像素的中心距离M光学系统放大倍率,2.缺陷自动检测,钞票检查系统,3.文字图像识别系统 邮政编码识别系统：写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。,读出的数字经处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码、计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。,CCD应用分类： （1）传真、文字识别、图像识别、条码读取； （2）自动监视、自动化流水线、自动售货； （3）机器人视觉技术、空间遥感等； （4）测量仪器（尺寸、轮廓、工件位置与损伤）。,