第2章光電式傳感器將光量轉換為電量的器件稱為光電傳感器或光電元件。光電式傳感器的工作原理是：首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后通過光電轉換元件變換成電信號。光電傳感器的工作基礎是光電效應。2.1光電效應概述

光電效應按其作用原理可分為外光電效應和內光電效應。一.外光電效應在光線作用下，物體內的電子逸出物體表面，向外發射的現象稱為外光電效應。基于外光電效應的光電器件由光電管、光電倍增管等。我們知道，光子是具有能量的粒子，每個光子具有的能力由下式確定。若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0時，電子就逸出物體表面，產生電子發射。故要使一個電子逸出，則光子能量hν必須超出逸出功A0，超過部分的能量，表現為逸出電子的動能。即二.內光電效應受光照的物體導電率發生變化，或產生光生電動勢的效應叫內光電效應。內光電效應又可分為以下兩大類。1）光電導效應。在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，而引起材料電阻率變化，這種效應稱為光電導效應。基于這種效應的器件有光敏電阻等。2）光生伏特效應。在光線作用下能夠使物體產生一定方向電動勢的現象叫光生伏特效應。基于該效應的器件有光電池和光敏晶體管等。一.普通光電管在一個真空泡內裝有兩個電極：光電陰極和光電陽極。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡內壁上做成，其感光面對準光的照射孔。當光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內形成空間電子流，在外電路就產生電流。2.2光電管二.光電倍增管1.結構與原理由于真空光電管的靈敏度較低，因此人們便研制了光電倍增管，其工作原理如圖。2.主要參數1）倍增系數M

電流放大倍數M與所加電壓有關，一般在105－108之間。一般陽極和陰極的電壓為1000V－2500V，兩個相鄰的倍增電極的電壓差為50V－100V。2）陰極靈敏度和總靈敏度一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數焦作光電陰極的靈敏度。而一個光子在陽極上產生的平均電子數焦灼光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的放大倍數或總靈敏度如圖所示。光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。光電池在有光線作用下實質就是電源,電路中有了這種器件就不需要外加電源。

一.結構與工作原理光電池的工作原理是基于“光生伏特效應”。它實質上是一個大面積的PN結,當光照射到PN結的一個面,例如p型面時,若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度,那么p型區每吸收一個光子就產生一對自由電子和空穴,電子空穴對從表面向內迅速擴散,在結電場的作用下,最后建立一個與光照強度有關的電動勢。2.3光電池二.光電池的基本本特性1.光譜特性硒光電池和硅硅光電池的光光譜特性如左左圖不同的光電池池，光譜峰值值的位置不同同。例如，硅硅光電池在8000A附近，硒光電電池在5400A附近。2.光照特性光照度定義為為電位面積上上所接收的光光的輻射能通通量。單位勒勒克斯。Lx(W/m2)反映短路電流流、開路電壓壓與光照度的的關系。短路電流在很很大范圍內與與光照強度成成線性關系,光電池工作于于短路電流狀狀態，可做檢檢測元件。開路電壓（負負載電阻RL無限大時）與與光照度的關關系是非線性性的,并且當照度在在2000lx時就趨于飽和和了。光電池池工作于開路路電壓狀態，，可做開關元元件。3.溫度特性溫度特性主要要描述開路電電壓與短路電電流隨溫度變變化的情況。。如圖所示.把光電池作為為測量器件應應用時,應保證溫度恒恒定或采取溫溫度補償措施施。JMJ112V2A51KL39K470uf～三.光電池的應用用1.自動干手器手放入干手器時時，手遮住燈燈泡發出的光光，光電池不不受光照，晶晶體管基極正正偏而導通，，繼電器吸合合。風機和電電熱絲通電，，熱風吹出烘烘手。手干抽抽出后，燈泡泡發出光直接接照射到光電電池上，產生生光生電動勢勢，使三極管管基射極反偏偏而截止，繼繼電器釋放，，從而切斷風風機和電熱絲絲的電源。2.路燈控制器2.4光敏電阻為了防止周圍圍介質的影響響,在半導體光敏敏層上覆蓋了了一層漆膜,漆膜的成分應應使它在光敏敏層最敏感的的波長范圍內內透射率最大大。1.光敏電阻的結結構它是涂于玻璃璃底板上的一一薄層半導體體物質,半導體的兩端端裝有金屬電電極,金屬電極與引引出線端相連連接,光敏電阻就通通過引出線端端接入電路。。2.光敏電阻的工工作原理光敏電阻又稱稱光導管,它幾乎都是用用半導體材料料制成的光電電器件。光光敏電阻沒有有極性,純粹是一個電電阻器件,使用時既可加加直流電壓,也可以加交流流電壓。無光照時,光敏電阻值（（暗電阻）很很大,電路中電流（（暗電流）很很小。當光敏敏電阻受到一一定波長范圍圍的光照時,它的阻值（亮亮電阻）急劇劇減少,電路中電流迅迅速增大。一一般希望暗暗電阻越大越越好,亮電阻越小越越好,此時光敏電阻阻的靈敏度高高。實際光光敏電阻的暗暗電阻值一般般在兆歐級,亮電阻在幾千千歐以下。3．光敏電阻阻的主要參數數１）暗電阻阻光敏電阻在不不受光時的阻阻值稱為暗電電阻,此時流過的電電流稱為暗電電流。２）亮電阻阻光敏電阻在受受光照射時的的電阻稱為亮亮電阻,此時流過的電電流稱為亮電電流。３）光電流流亮電流與暗電電流之差稱為為光電流。4．光敏電阻阻的基本特性性1）伏安特性：在一定照度下下,流過光敏電阻阻的電流與光光敏電阻兩端端的電壓的關關系①一定光照，R一定，I正比于U。②一定電壓，I隨著光照E增強而增大。。E↑→R↓→→I↑。2)光照特性（I～E）光敏電阻的光光照特性為非非線性，不宜宜作檢測元件件，主要用于于自動控制中中。3）光譜特性性（Kr%）光敏電阻的相相對光敏靈敏敏度與入射波波長的關系稱稱為光譜特性性。亦稱為為光譜響應。。①不同材料，其其峰值波長不不同。②同一種材料，，對不同波長長的入射光，，其相對靈敏敏度不同，響響應電流不同同。應根據光源的的性質，選擇擇合適的光電電元件（匹配配）使光電元元件得到較高高得相對靈敏敏度。4）溫度特性溫度變化影響光敏敏電阻的光譜響應應。硫化鉛光敏電阻的的光譜溫度特性曲曲線,它的峰值隨著溫度度上升向波長短的的方向移動。因此,硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的的條件下使用。對對于可見光的光光敏電阻,其溫度影響要小一一些。5.光敏電阻的應用1.光照度計農作物日照時數測測定。輸出接單片機的I/O口，每2分鐘對此口查詢1次，為高電平，計計數一次，為低電電平，不計數。1天查詢720次。無光照V0=VL。有光照V0=VH。2.環境照度監視器3.帶材跑偏檢測儀2.5光敏二極管與三極極管一.光敏二極管1.工作原理與結構光敏二極管的結構構與普通二極管一一樣，都有一個PN結，兩根電極引線線，而且都是非線線性器件，具有單單向導電性。不同同之處在于光敏二二極管的PN結狀在管殼的頂部部，可直接受到光光的照射，其結構構和電路如圖所示示。沒有光照射時，處于反向偏置的光光敏二極管，工作于截止狀態,這時只有少數載流流子在反向偏壓的的作用下，渡越阻阻擋層，形成微小小的反向電流即暗暗電流。這時反向向電阻很大。當光照射在PN結上時,光子打在PN結附近,PN結附近產生光生電電子和光生空穴對對。從而使P區和N區的少數載流子濃濃度大大增加，因因此在反向外加電電壓和內電場的作作用下,P區的少數載流子渡渡越阻擋層進入N區，N區的少數載流子渡渡越阻擋層進入P區，從而使通過PN結的反向電流大為為增加，形成光電流。這時時二極管處于導通狀態。光的照度越大,光電流越大。2.光敏二極管的基本本特性1）光譜特性在入射度一定時，，輸出的光電流（（或相對靈敏度））隨光波波長的變變化而變化。一種種光敏二極管只對對一定波長的入射射光敏感，這就是是它的光譜特性。。如圖所示。2）伏安特性3）光照特性4）溫度特性溫度變化對光敏二二極管輸出電流影影響較小,但對暗電流的影響響卻十分顯著.3.光敏二極管的應用用1）光電路燈控制電電路2）光強測量電路二.光敏三級管光電三極管比具有有相同有效面積的的光電二極管的光光電流大幾十至幾幾百倍，但相應速速度較二極管差。。1.工作原理與結構基極開路，集電極極與發射極之間加加正電壓。當光照照射在集電結上時時,在結附近產生電子子-空穴對,電子在結電場的作作用下，由P區向N區運動，形成基極極電流，放大β倍形成集電極電流流（光電流）,所以光電三極管有有放大作用。2.光敏三極管的基本本特性1）光譜特性與伏安特特性光譜特性與二極管管相同，伏安特性性如圖。2）溫度特性與光照照特性溫度特性與光敏二二極管相同，光照照特性如圖3.光敏三極管的應用用1.脈沖編碼器2.轉速傳感器2.6光電耦合器件一．光電耦合器器光電耦合器的發光光和接收元件都封封裝在一個外殼內內,一般有金屬封裝和和塑料封裝兩種。。發光元件為發光光二極管，受光元元件為光敏三極管管或光敏可控硅。。它以光為媒介，，實現輸入電信號號耦合到輸出端。。特點：①強弱電隔離。輸入輸出極之間絕絕緣電阻很高。耐耐壓達2000V以上。能避免輸出端對輸輸入端地線等的干干擾。②對系統內部噪聲有很很強的抑制作用。。發光二極管為電流流驅動元件，動態態電阻很小，對系系統內部的噪聲有有旁路作用。（濾濾除噪聲）光電耦合器的組合合形式應用于自動控制電電路中的強弱電隔隔離。二.光電開關光電開關在制造業業自動化包裝線及及安全裝置中作光光控制和光探測裝裝置。可實現限位位控制、產品計數數,料位檢測，越限安安全報警及計算機機輸入接口等用途途。1.光電開關結構透射式和反射式的的光電開關。利用輸出電平的狀狀態判斷有無被測測物。2.基本電路（透射式式）如圖（a)(c)無被測物，輸出高高電平；有被測物物，輸出低電平。。(b)無被測物，輸出低低電平；有被測物物，輸出高電平。。2.7色敏光電傳感器1.結構與基本原理色敏光電傳感器相相當于兩支結構不不同的光電二極管管的組合，故又稱稱光電雙結二極管管2.基本特性1）光譜特性2）短路電流比－波波長特性短路電流比－波長長特性是表征半導導體色敏器件對波波長的識別能力，，是賴以確定被測測波長的基本特性性。3.色敏光電傳感器的的應用色彩信號處理電路路2.8紅外光傳感器紅外輻射紅外輻射俗稱紅外外線，它是一種不不可見光，由于是是位于可見光中紅紅色光以外的光線線，故稱紅外線。。它的波長范圍大大致在0.76-1000μm,紅外線在電磁波譜譜中的位置如下圖圖。二.紅外光傳感器的工工作原理與結構紅外光傳感器按工工作原理可分為光光量子型和熱電型型兩大類。光量子型可直接把把紅外光轉換成電電能。如，紅外光光敏電阻和紅外PN結型光生伏特器件件，用于遙感成像像方面。熱電型吸收紅外光光后變為熱能，使使材料的溫度升高高，電學性能發生生變化，人們利用用這個現象制成了了測量光輻射的器器件。如紅外熱釋釋電傳感器。1.熱釋電效應對于某些材料(如鋯鈦酸鉛系陶瓷瓷以及鉭酸鋰、硫硫酸三甘肽等)，具有自發極化的的特征。自發極化化與溫度有很大關關系。若溫度因吸吸收紅外光而升高高，則極化強度減減少，使單位面積積上極化電荷減少少，釋放一定量的的吸附電荷；若與與一個電阻連成回回路，會形成電流流，如圖所示。由實驗證實，電阻阻上壓降的變化為為由于dT/dt與紅外線強度的變變化成正比，結合合上式，可得出輸輸出電壓正比與紅紅外線強度的變化化。2.單元件熱釋電傳感感器的結構和等效效電路3.雙元件（雙元型））紅外傳感器此傳感器專門用來來檢測人體輻射的的紅外線能量。市市場上常見有國產產的SD02、PH5324，日本的SCA02-1，美國的P2288等。SD02由敏感單元、場效效應管、高阻抗變變換管、濾光窗等等組成，并在氦氣氣環境下封裝而成成。三.紅外光傳感器的應應用1.無線報警系統2.衛生間節水控制器器3.紅外測溫儀4.紅外氣體分析儀2.9固態CCD圖像傳感器固態圖像傳感器按按其結構可分為三三類：電荷耦合器器件（簡稱CCD）、MOS圖像傳感器（簡稱稱SSPA）和電荷注入器件件（簡稱CID）。目前，前兩種用得得較多。廣泛用于于圖像傳輸與識別別。例如，攝像機機、數碼照相機、、掃描儀、復印機機和機器人的眼睛睛等。在本節中僅說明CCD圖像傳感器的工作作原理與特性一.電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，簡稱CCD），它將光敏二極管陣陣列和讀出移位寄寄存器集成為一體體，構成具有自掃掃描功能的圖象傳傳感器。是一種金金屬氧化物半導體體（MOS）集成電路器件，它它以電荷作為信號號,基本功能是進行光光電轉換電荷的存存儲和電荷的轉移移輸出。廣泛應用于自動控控制和自動測量,尤其適用于圖像識別技技術。1.MOS光敏單元的結構及及原理CCD器件完成對物體的的成像，在其內部部形成與光像圖形形相對應的電荷分分布圖形。這就要要求它的基本單元元具有存儲電荷的的功能，同時還具具有電荷轉移輸出出功能。CCD器件的基本單元結結構是MOS（金屬—氧化物—半導體）結構。即即在P型硅襯底上生長一一層SiO2(120nm),再在SiO2層上沉積金屬鋁構成MOS結構，它是CCD器件的最小工作單單元。A、勢阱的產生MOS的金屬電極加正壓壓，電極下的P型硅區域內空穴被被趕盡，留下帶負負電荷的負離子，，其中無導電的載載流子，形成耗盡盡層。它是電子的的勢阱。勢阱的深深淺取決于U的大小。B、電荷的存儲勢阱具有存儲電荷荷的功能，勢阱內內所吸收的光生電電子數量與入射到到勢阱附近的光強強成正比。CCD器件將物體的光像像形成對應的電像像時，就是CCD器件中上千個相互互獨立的MOS單元勢阱中存儲與與光像對應的電荷荷量。2.讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出出電路研究如何實現勢阱阱下的電荷從一個個MOS元位置轉移到另一一個MOS元位置，并依次轉轉移并傳輸出來。。A、電荷的定向轉移當外加電壓一定時時，勢阱的深度隨隨勢阱中的電荷量量的增加而線性減減少。由此通過控控制相鄰MOS電容器柵極電壓高高低來調節勢阱的的深淺。要求：多個MOS電容緊密排列且勢勢阱相互溝通。金屬電極上加電壓壓脈沖嚴格滿足相相位要求。B、三相CCD電極的結構MOS上三個相鄰電極，，每隔兩個所有電電極接在一起。由由3個相位差120°時鐘脈沖驅動。C、電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴散形形成輸出二極管，，二極管加反壓，，在PN結形成耗盡層。輸輸出柵OG加壓使電荷轉移到到二極管的耗盡區區，作為二極管的的少數載流子形成成反向電流輸出。。輸出電流的大小小與電荷大小成正正比，通過負載變變為電壓輸出。輸出二極管電流法法二.CCD圖像傳感器1.線陣電荷耦合器件件線陣CCD結構原理圖（1）光照光敏元，各各光敏元中的光敏敏二極管產生光生生電子空穴對，電電子注入對應的MOS勢阱中，光像變為為電像—電荷包。（光積分分）（2）積分周期結束，，控制信號使轉移移柵打開，光生電電荷就通過轉移柵柵耦合到移位寄存存器中，通過移位位寄存器并行輸出出。（3）轉移柵關閉后，，光敏單元開始下下一行圖像信號積積分采集。圖7-12各脈沖的波形和相相位2.面陣型CCD圖像傳感器面陣型CCD圖像器件的感光單單元呈二維矩陣排排列，能檢測二維維平面圖像。按傳傳輸和讀出方式可可分為行傳輸、幀幀傳輸和行間傳輸輸三種。下面主要要介紹前兩種。1）行傳輸（LT）面陣CCD2）幀傳輸（FT）面陣CCD光敏區和存儲區分分開，光敏區在積積分時間內，產生生與光像對應的電電荷包，在積分周周期結束后，利用用時鐘脈沖將整幀幀信號轉移到讀出出寄存器。然后，，整幀信號再向下下移，進入水平讀讀出移位寄存器，，串行輸出。（一一幀對應光敏區MOS的數量）光敏區存儲區讀出寄存器三.CCD圖像傳感器的特性性參數1.轉移效率當CCD中電荷包從一個勢勢阱轉移到另一個個勢阱時，若Q1為轉移一次后的電電荷量，Q0為原始電荷，則轉轉移效率定義為若轉移損耗定義為為則電荷進行N次轉移時，總轉移移效率為要求轉移效率必須須達到99.99％－99.999%2.分辨率CCD圖象傳感器的分辨辨率用調制轉移函函數MTF表征。當光強以正正弦變化的圖像作作用在傳感器上時時，電信號幅度隨隨光像空間頻率的的變化為調制轉移移函數MTF。根據奈奎斯特采樣樣定理，定義圖像像傳感器的最高分分辨率fm等于它的空間采樣樣頻率f0的一半，即3.暗電流暗電流起因于熱激激發產生的電子－－空穴對，是缺陷陷產生的主要原因因。CCD器件暗電流越小越越好。4.靈敏度圖象傳感器的靈敏敏度是指單位發射射照度下，單位時時間、單位面積發發射的電量，即四.CCD圖像傳感器應用1、線陣CCD器件檢測工件尺寸寸L——工件尺寸，N——覆蓋的光敏單元d——相鄰光敏單元中心心距離M——光學系統放大率2d為圖象末端兩個光光敏單元之間可能能的最大誤差。根根據目前產品情況況d＝0．013～0．03mm。2.線列CCD攝像系統3.文字圖像識別系統統郵政編碼識別系統統。寫有郵政編碼碼的信封放在傳送送帶上，傳感器光光敏元的排列方向向與信封的運動方方向垂直，光學鏡鏡頭將編碼的數字字聚焦到光敏元上上。當信封運動時時，傳感器以逐行行掃描的方式把數數字依次讀出。讀出的數字經二值值化等處理，與計計算機中存儲的數數字特征比較，最最后識別出數字碼碼。由數字碼，計計算機控制分類機機構，把信件送入入相應分類箱中。。驅動電路分類機構計算機細化二值化處理傳送帶CCD透鏡1分類箱23郵政編碼識別系統2.10光纖傳感器一、光纖的傳光原原理1、光纖結構由纖芯和包層組成成（石英玻璃5—100um)（n1>n2)。外層一層尼龍保護護套。2、傳光原理光的全內反射是光光纖傳輸光的基礎礎。（1）光的全反射條件件光由纖芯到包層表表面，由光的折射射定律可知：（2）數值孔徑NA光由空氣射入光纖纖端面，與軸成角角。即可實現全反射，，光在纖芯內全反反射（無損耗）傳傳輸。希望NA越大越好。它表明明無論光源發射功功率多大，只有2內的光才能被光纖纖接受，全反射傳傳輸。二.光纖分類1.按傳輸模式分單模模光纖、多模光纖纖.模的概念光纖傳輸光波，可可分解為沿縱向和和橫向傳輸兩種平平面波成分。橫向向波在纖芯和包層層界面上產生全反反射。當它在橫向向往返依次的相位位變化為2π的整數倍時，形成成駐波。形成駐波波的光線組成為模模。模是離散存在在的。一定材質一一定尺寸的光纖只只能傳輸特定模數數的光波。模的確定光纖傳輸模數由歸歸一化頻率確定。。芯徑大，折射率差差大（NA大），N大，多模。芯徑小到6μm,折射率差小到0.5%。N=1光纖只能傳輸一定定波長光，單模。。2.按折射率分布階躍型光纖和梯度度型光纖三.光纖傳感器的基本本原理光纖傳感器通常可可分為功能型（傳傳感型）和非功能能型（傳光型）。功能型光纖傳感器器用單模光纖，既傳傳光又是敏感元件件。（單模光纖只能傳傳輸某一角度和波波長的單色光）光纖的傳輸特性受受被測物理量作用用而發生變化。使光纖中傳輸光的的屬性（相位、強強度、波長、偏振振態）被調制。光光強調制型、相位位調制型、偏振態態調制型和波長調調制型。測溫度、、壓力、位移等。。非功能型光纖傳感感器（光通訊）光纖只作為光的傳傳輸回路。為了得得到較大的受光量量和傳輸光功率。。非功能型光纖傳傳感器采用NA較大和芯徑較大的的階躍型多模光纖纖。增大傳輸光的通量量。1.光強調制2.相位調制Mach-Zehnder干涉原理圖3.偏振調制光纖電流傳感器三、光纖傳感器實實例1.光纖加速度傳感器器激光束通過分光板板后分為兩束光,透射光作為參考光光束,反射光作為測量光光束。當傳感器感感受加速度時,由于質量塊M對上下光纖的作用用,從而使光纖被拉伸伸,引起光程差的改變變。相位改變的激激光束由單模光纖纖射出后與參考光光束會合產生干涉涉效應。激光干涉涉儀的干涉條紋的的移動可由光電接收裝置轉換為電電信號,(光電探測器置于匯匯合處）經過處處理電路處理后便便可正確地測出加加速度值。由于光纖長度的變變化，引起光束光光程差的變化兩束光經干涉儀產產生相干條紋，相相干條紋移過的數數目與相位差成正正比。一般用光電電探測器計下干涉涉條紋移過的數目目，經處理電路可可算出相位差，即即而算出加速度。。2.光纖電流傳感器3.光纖圖像傳感器4.光纖溫度傳感器2.11激光傳感器一.激光產生的機理原子在正常分布狀狀態下，總是穩定定的處于低能級E1，如無外界作用，，原子將長期保持持這種穩定狀態。。一旦受到外界光光子的作用，賦予予原子一定的能量量E后，原子就從低能能級E1躍遷到高能級E2，這個過程稱為光光的受激吸收。光光受激后，其能量量有下列關系：E=hυ=E2-E1E-光子的能量υ