1,4.7光電式傳感器,它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。,光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。,光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。,2,光譜光波：波長為10106nm的電磁波可見光：波長380780nm紫外線：波長10380nm，波長300380nm稱為近紫外線波長200300nm稱為遠紫外線波長10200nm稱為極遠紫外線，紅外線：波長780106nm波長3m（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3m的紅外線稱為遠紅外線。,3,光源（發光器件）,1、鎢絲白熾燈,2、氣體放電燈,3、發光二極管LED（LightEmittingDiode）,4、激光器,4,1光電效應及光電器件,外光電效應及其器件內光電效應及其器件光生伏特效應及其器件,光電傳感器的物理基礎是光電效應。當光照射到某些物質上時，使該物質的電特性發生變化，這種現象就是光電效應。光電效應通常分為外光電效應、內光電效應和光生伏特效應。,5,1)外光電效應及其器件,當光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它的吸引力，脫離材料表面而進入外界空間，這種現象稱為外光電效應。即外光電效應是在光線作用下，電子逸出物體表面的現象。根據外光電效應做出的光電器件有光電管和光電倍增管。,6,根據能量守恒定理式中m電子質量；v0電子逸出速度。,根據愛因斯坦假設，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功A，超過部分的能量表現為逸出電子的動能。外光電效應多發生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。,該方程稱為愛因斯坦光電效應方程。,可見：光電子能否產生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面逸出功。,即入射光波長小于波長限,時才能產生外光電效應,h普朗克常數，6.62610-34Js；光的頻率（s-1）,7,光電管,光電管是裝有光陰極和陽極的真空玻璃管，其陰極受到適當的光照后發射光電子，這些光電子被具有一定電位的陽極吸引，并在管內形成空間電子流，稱為光電流。此時若光強增大，轟擊陰極的光子數增多，單位時間內發射的光電子數也就增多，光電流變大。在光電管的外電路上接適當電阻，電阻上的電壓降將和管內空間電流成正比，或與照射到光電管陰極上的光有函數關系，從而實現光電轉換。,8,光電倍增管,光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽極A組成，并根據要求采用不同性能的玻璃殼進行真空封裝。依據封裝方法，可分成端窗式和側窗式兩大類。側窗式陰極是通過管殼的側面接收入射光，它的陰極通常為反射式陰極。,由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。,9,因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光照特性在很寬的范圍內具有良好的線性關系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量。若將靈敏檢流計串接在陽極回路中，則可直接測量陽極輸出電流。若在陽極串接電阻RL作為負載，則可測量RL兩端的電壓，此電壓正比于陽極電流。,RL,10,Siemens原裝光電管QRA2,11,2）內光電效應及其器件,當光照射在物體上，使物體的導電率發生變化叫做內光電效應，它多發生于半導體內。,基于內光電效應的主要有：光敏電阻、光敏晶體管（光敏二極管、光敏三極管）,12,光敏電阻,當光敏電阻受到光照時，阻值減小。,內光電效應：在光線作用下能使物體的電阻率改變的現象.,13,光敏電阻的結構,由一兩邊帶有金屬電極的光電半導體組成，電極與半導體之間呈歐姆接觸，使用時在兩電極上加直流或交流工作電壓。,14,光敏電阻的主要參數,光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小，則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。,（1）暗電阻、亮電阻、光電流,暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流稱為暗電流。,亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流稱為亮電流。,光電流：亮電流與暗電流之差。,實用的光敏電阻的暗電阻往往超過1M,甚至高達100M，而亮電阻則在幾k以下，暗電阻與亮電阻之比在102106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。,15,光敏電阻的主要參數,（2）光譜響應范圍與峰值波長,光譜響應特性表示光敏電阻對各種單色光的敏感程度。對應于一定敏感程度的波長區間稱為光譜響應范圍。對光譜響應最敏感的波長數值稱為光譜響應峰值波長。,（3）時間常數,時間常數是指光敏電阻自停止光照起，到電流下降到原來值的63%所需的時間。不同材料的光敏電阻具有不同的時間常數。,16,伏安特性光照特性光譜特性頻率特性溫度特性,光敏電阻的基本特性,17,（1）伏安特性,在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關系稱為伏安特性。,圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時的伏安特性。,由曲線可知：,但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。,照度為零,照度為某值,在給定偏壓下,光照度越大，光電流也越大。,在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現象。,伏安特性是傳感器設計時選擇電參數的依據，實際使用時要注意不超過器件的允許功耗限。,18,（2）光照特性,在一定的外加電壓作用下，光敏電阻的光電流與光通量之間的關系。,不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統中用作光電開關。,19,（3）光譜特性,光譜特性與光敏電阻的材料有關。,從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內均有較高的靈敏度，峰值在紅外區域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區域。因此，在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結合起來考慮，才能獲得滿意的效果。,光敏電阻對不同波長的光，其靈敏度不同，該特性稱為光譜特性。,20,（4）頻率特性（反映時延特性）,當光敏電阻受到脈沖光照時，光電流要經過一段時間才能達到穩態值，光照突然消失時，光電流也不立刻為零。這說明光敏電阻有時延特性。由于不同材料的光敏電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不相同。下圖給出相對靈敏度與光強變化頻率之間的關系曲線，可以看出硫化鉛的使用頻率比硫化鉈高的多。但多數光敏電阻的時延都較大，因此不能用在要求快速響應的場合，這是光敏電阻的一個缺陷。,常用響應時間來表示器件動態特性的好壞，響應時間越小，動態特性越好。,21,（5）溫度特性,光敏電阻的性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，同時光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。,有時為為了能夠接收較長波段的輻射，將元件降溫使用。例如，紅外探測器往往采取制冷措施。,22,常用光敏電阻的性能參數,給出常用國產MG型光敏電阻的性能參數,表2.5（1）,常用的光敏電阻器型號有密封型的MG41、MG42、MG43和非密封型的MG45（售價便宜）。它們的額定功率均在200mW以下。,23,光敏晶體管,廣泛應用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦合器、控制伺服電機轉速的檢測、光電讀出裝置等場合。,光敏二極管的結構與一般二極管相似，其PN結裝在管頂，以便接受光照，上面有一個透鏡制成的窗口，可使光線集中在敏感面上。,光敏二極管,24,紅外發射、接收對管外形,紅外發射管,紅外接收管,25,當光不照射時，光敏二極管反偏，處于載止狀態，這時只有少數載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流，即暗電流；,光敏二極管的光電流I與照度之間呈近似線性關系。,受光照射時，PN結附近受光子轟擊，吸收其能量而產生電子-空穴對，從而使P區和N區的少數載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內電場的作用下，P區的少數載流子渡越阻擋層進入N區，N區的少數載流子渡越阻擋層進入P區，從而使通過PN結的反向電流大為增加，這就形成了光電流。,光敏二極管的光照特性是近似線性的，所以適合檢測等方面的應用。,光敏二極管在電路中通常工作在反向偏壓的狀態下。,26,光敏二極管的反向偏置接線（及光電特性演示,在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。,當光照增加時，光電流I與光照度成正比關系。,光敏二極管的反向偏置接法,光照,27,光敏二極管的優點：線性好，響應速度快，對寬范圍波長的光具有較高的靈敏度，噪聲低，小型輕量以及耐振動和沖擊等。,光敏二極管的缺點：輸出電流小。,28,光敏三極管,光敏三極管（晶體管）是光電傳感器中響應特性良好、測量范圍最廣、利用價值最高的一種傳感器。,其結構與一般三極管很相似，具有電流增益，且其基極不接引線（少數基極有引線，用于溫度補償等附加控制作用）。,29,為了適應光電轉換要求，它的基區面積做得較大，入射光從基區吸收。它的集電極接正電位、發射極接負電位。無光照時，流過光敏三極管的電流，就是正常情況下集電極和發射極之間的穿透電流，此時稱為暗電流。,當有光照射基區時，激發產生電子空穴對，在內電場作用下，使得集電結飽和電流大大增大，這就是光敏三極管的光生電流，該電流注入發射結進行放大，稱為光敏三極管集電極和發射極之間的光電流。顯然，光敏三極管利用普通半導體三極管的放大作用，將光生電流進行了放大，所以光敏三極管具有比二極管更高的靈敏度。,30,光敏管的基本特性,伏安特性光照特性光譜特性頻率特性溫度特性,31,（1）伏安特性,光敏二（三）極管的伏安特性曲線如圖所示。,只要將入射產生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。,光敏三極管的光電流比相同管型的二極管的光電流大上百倍。,32,（2）光照特性,光敏二（三）極管的光照特性如圖所示。它給出了輸出電流I和照度之間的關系。它們之間呈現了近似線性關系。,光敏三極管當光照足夠大(幾Klx)時，將會出現飽和現象，從而使光敏三極管既可作線性轉換元件，也可作開關元件。,光敏二極管的光照特性曲線的線性較好。,33,（3）光譜特性（兩者類似）,光敏二（三）極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發的電子空穴對不能到達PN結，因而使相對靈敏度下降。,故在可見光或探測赤熱狀態物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。,在照度一定時，輸出的光電流（或相對光譜靈敏度）隨光波波長的變化而變化，這就是光敏管的光譜特性。,34,（4）頻率特性,光敏管的頻率特性與本身的物理結構、工作狀態、負載以及入射光波長等因素有關。,硅光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應。,一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差，光敏三極管的響應時間為210-5s，光敏二極管的響應時間為比它小一個數量級。對于鍺管，入射光的調制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應要比鍺管好，響應時間要小一個數量級。,35,（5）溫度特性,溫度特性曲線反映的是光敏管的暗電流及光電流與溫度的關系。,從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響較小，而對暗電流的影響很大光敏管的暗電流是一種噪聲電流。,減小方法：1.選用硅光敏管，因為硅管的暗電流比鍺管小幾個數量級；2.電路中采用溫度補償措施；3.將光信號進行調制，對輸出的電信號采用交流放大，利用電路中隔直電容的作用，阻斷暗電流。,36,常用光敏二極管主要參數,光敏二極管:2DU型和2CU型,2DU型是帶有環極的(可減小暗電流，它接正電源);一般電路采用2CU型較多,37,38,常用光敏三極管主要參數,39,光敏二極管的應用,1.光電控制電路,如右圖，一個路燈的自動控制電路。從圖可知，在無光照射時，光敏二極管（反向）截止，電阻R1上的壓降VA很小，則晶體管T1截止，T2截止，繼電器J不動作，路燈保持亮。有光照時，光敏管產生光電流IL，R1電壓升高，VA上升，光強達到某一值時T1導通，T2導通，J動作，常閉端打開，使路燈滅。即白天燈滅，晚上燈亮，實現了自動控制的作用。,40,2.光強測量電路,右圖為穩壓管、光敏二極管和電橋組成的測量電路。無光照時，VA很大，FET導通，調整RW，使電橋平衡，即指針為0。有光照時，光敏管產生IL，A點電位VA下降，R2上電流下降，VB減小，光照不同，IL不同，VA不同，R2上壓降不同，光強可以通過電流計讀數顯示出來。,41,光敏三極管的應用,1.脈沖編碼器,Vi為24V電源電壓，V0為輸出電壓，N為光柵轉盤上的總的光柵輻條數，R1和R2為限流電阻器，而A和B則分別是發光二極管和光敏三極管。,所以，在轉軸轉動一圈的時間內，接收端將接收到N個光信號，從而在其輸出端輸出N個電脈沖信號。,由此可知，脈沖編碼器輸出的電信號V0的頻率f是由轉軸的轉速n確定的。于是有：，上式決定了脈沖編碼器輸出信號的頻率f與轉軸的轉速之間的關系。,42,2.光電轉速傳感器,圖a是透光式，在待測轉速軸上固定一帶孔的調置盤，在調置盤一邊由白識燈產生恒定光，透過盤上的小孔到達光敏二極管組成光電轉換器上，轉換成相應的電脈沖信號，經過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉速通過該脈沖頻率測定。,圖b是反光式，在待測轉速的盤上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射信號，轉換成電脈沖信號。,43,每分鐘轉速n與脈沖頻率f的關系式為：,頻率可用一般的頻率計測量。光電元件多采用光電池、光敏二極管和光敏三極管以提高壽命、減小體積、減小功耗和提高可靠性。,式中N為孔數或黑白條紋數目。,44,3）光生伏特效應及其器件,在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象叫做光生伏特效應。,基于該效應的光電器件有光電池。,45,光電池,硅光電池價格便宜，轉換效率高，壽命長，適于接受紅外光。硒光電池光電轉換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光(響應峰值波長0.56m)，最適宜制造照度計。砷化鎵光電池轉換效率比硅光電池稍高，光譜響應特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛星、太空探測器等電源方面的應用是有發展前途的。,光電池是利用光生伏特效應把光直接轉變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應制成的，是發電式有源元件。它有較大面積的PN結，當光照射在PN結上時，在結的兩端出現電動勢。,命名方式：把光電池的半導體材料的名稱冠于光電池(或太陽能電池)之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前，應用最廣、最有發展前途的是硅光電池。,46,硅光電池的結構如圖所示。它是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(如硼)形成PN結，為了提高效率，防止表面反射光，在器件的受光面上要進行氧化，以形成SiO2保護膜。,光電池的結構和工作原理,當光照到PN結區時，如果光子能量足夠大，將在結區附近激發出電子-空穴對，在PN結電場的作用下，在N區聚積負電荷，P區聚積正電荷，這樣N區和P區之間出現電位差。若將PN結兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區流經外電路至N區。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。,47,光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。,I,U,(a),(b),圖光電池符號和基本工作電路,48,光電池作為光電探測使用時，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結構和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時不需要外加電壓，光電轉換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、紫外光監視器等。,49,光電池外形,光敏面,光生伏特效應：在光線的作用下,物體產生一定方向電動勢的現象.,50,能提供較大電流的大面積光電池外形,51,4）新型光電器件（主要為光敏二極管）,高速光電二極管：主要用于光纖通信和光電自動控制的快速接受器件。PIN結光電二極管雪崩式光電二極管,色敏光電傳感器：用來直接測量從可見光到紅外光波段內的單色輻射的波長（原檢測在一定波長范圍內的光的強度）（如CS-1型）,光位置傳感器（PSD）：用于機器人的眼睛及其它位置檢測,52,3電荷耦合器件（CCD）,CCD(ChargeCoupledDevice)是一種半導體光固態圖像傳感器,具有集成度高、分辨力高、功耗小、固體化和自掃描等優點。廣泛應用于自動控制和自動測量領域，尤其是圖像識別技術。目前，CCD應用技術已經成為光、機、電和計算機相結合的高新技術，成為現代測試技術中最活躍最富有成果的新興領域之一。,53,CCD的突出特點：是以電荷作為信號，而不同于其它大多數器件是以電流或者電壓為信號。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移。,CCD：大量的獨立的光敏元件MOS（金屬氧化物半導體）排列在一起每個光敏元件稱為像素像素圖像的基本單位：最小的視覺顯示單位.,CCD光敏元顯微照片,54,圖像傳感器實際上只能記錄光線的灰度，也就是說，它能記錄光線的強弱，但卻沒有辦法分辨顏色，而我們最需要的卻是光線的顏色。目前CCD主要的解決方式是在每一個光敏元件上都采用了濾光器，使對應的光敏元件只能記錄相應單色光。各種單色分別被相鄰的光敏元件記錄下來，生成的圖像顏色是分離的，最后還需要通過一些處理過程把這些數值合成為彩色的圖像。數碼相機里面，這個處理過程稱之為插值。通常的做法是計算1個像素周圍8個像素的顏色值，然后根據它自身所記錄的顏色值，結合計算出最終像素的混合顏色值。,55,線陣CCD外形,56,線陣CCD檢測工件尺寸,57,線陣CCD在掃描儀中的應用,58,線陣CCD在圖像掃描中的應用,風云一號衛星可以對地球上空的云層分布進行逐行掃描,59,線陣CCD用于字符識別,60,面陣CCD,61,200萬和1600萬像素的面陣CCD,62,CCD用于圖像記錄,63,數碼相機的結構解剖（索尼F828）,CCD,64,CCD數碼攝像機,65,66,67,光電式傳感器具有結構簡單、隔離性能好、可靠性高、體積小、重量輕、價格低廉、靈敏度高和反應快等優點。在自動化、檢測技術領域應用廣泛。,4光電式傳感器工作方式,68,光電傳感器的分類,69,1）模擬式光電傳感器,70,71,72,73,74,75,在自動計數、光控開關、光電編碼器、光電報警裝置及其它光電輸入設備場合有廣泛的應用。,2）開關式光電傳感器,76,光電計