傳感器原理及應用

第8章固體傳感器傳感器原理及應用第8章固體傳感器主要內容：

8.2.1光電效應

8.2.2光電器件

光電管、光電倍增管、光敏電阻、

光電晶體管、光電池、其他光電器件、

電荷耦合器件

光電式傳感器通常能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉化成電信號。喜馬拉雅山東側印度恒河墨西哥的活火山美宇航局給這組照片起了一個令人無限遐想的名字“地球藝術”(EarthArt)，將利用其來研究地球不斷變化的地形及從上升的海平面到采伐森林等環(huán)境變化。1999年，美宇航局地球資源衛(wèi)星攜帶的先進儀器增強型專題制圖儀(ETM+)捕捉到落基山部分上石炭地形一張“偽彩色”(false-colour)照片。之所以稱為“偽彩色”，是因為攝像機使用的過濾器主要用于捕捉環(huán)境現(xiàn)象，以利于研究人員深入研究。一、應用領域：工業(yè)、農業(yè)、航天、軍事等(1)零件的識別與定位1、工業(yè)檢測例：雙目立體視覺檢測系統(tǒng)

——簡單視覺的機器人系統(tǒng)■自動連接引線、對準芯片和封裝；■自動安裝部件，自動焊接或自動切割加工、自動澆注系統(tǒng)等。(2)零件尺寸的在線測量(3)零件外觀及內部缺陷檢測芯片定位芯片管腳檢測鋼板厚度的在線測量

木料檢測原理例：木料檢測：缺陷、體積

(3)產品分類、分組(5)產品標識、編碼識別蘋果分級、分色、配色商品條碼、印鑒、標簽“手-眼”定位：兩個攝像機---兩幅平面圖像---三維場景信息用于：目標識別、道路識別、障礙物判斷、主動導航、自動視覺導航無人駕駛汽車、無人駕駛飛機、無人戰(zhàn)車、探測機器人實例：美國Sojourner系列和Rocky系列火星探測移動機器人2、機器人導航“機遇”號火星車拍攝火星土壤的顯微照片

“勇氣”號火星車發(fā)回的彩色照片美國勇氣號和機遇號火星探測移動機器人3、生物醫(yī)學圖像分析（1）醫(yī)學臨床診斷：X射線、B超、CT、核磁共振（MRI）醫(yī)學影像融合分析細胞個數(shù)統(tǒng)計

CT圖像自動檢測：染色體切片、癌細胞切片、超聲波圖象三維人體掃描（2）生物圖像分析：形狀、組織切片、染色體配對、細菌、病毒、病原體外形尺寸檢測、顏色識別、表面損傷檢測以及組織分析葉片細胞顯微放大圖片

轉基因大豆孢子例：水果分類；發(fā)芽土豆；雜草識別4、遙感圖像分析：衛(wèi)星遙感圖像---氣象衛(wèi)星（紅外成象---云圖---氣象狀況）資源衛(wèi)星（多光譜成象----地質、礦藏、森林、災害）海洋衛(wèi)星（合成孔徑雷達成象---海洋、海浪、海灘）航空攝影圖像---（多目成象---大地測量、測繪）交通---車輛識別、牌照識別、車型判斷、車輛監(jiān)視、交通流量檢測安全---指紋判別與匹配、面孔與眼底識別、安全檢查（飛機、海關）監(jiān)視---超市、商店防盜、銀行監(jiān)控，停車場、電梯閉路電視6、軍事與國防：5、監(jiān)控、安防、交通管理：超低空雷達、超視距雷達、導彈制導、導彈導航、地形匹配、單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)、戰(zhàn)場遙測、夜視儀、聲納成象7、辦公與家電：辦公設備---數(shù)碼復印機、掃描儀、傳真機、繪圖儀家用電器---數(shù)碼攝像機、數(shù)碼照相機、可視電話、可視門鈴二、視覺系統(tǒng)的一般構成光源圖像卡場景攝像機計算機典型視覺系統(tǒng)工作原理：光→敏感元件→電（光電元件）光源光通路光電元件測量電路光光電電yx1x2傳感器：單目視覺：一個攝像組件（鏡頭+攝像機）多目視覺：多個攝像組件（鏡頭+攝像機）圖像采集部分、圖像處理部分、通信和I/O部分以及輸出和執(zhí)行機構圖像采集系統(tǒng)：可視化圖像或特征數(shù)據(jù)場景鏡頭光源攝像機圖像存儲體計算機輸出鏡頭攝像機鏡頭攝像機控制電纜視覺系統(tǒng)流程圖圖像質量好圖像處理簡單、結果理想圖像質量差圖象處理麻煩、結果不理想由光源、鏡頭、攝像機、圖像采集卡等構成1、眼睛的結構及成像人類視覺—眼睛計算機視覺

—圖像輸入系統(tǒng)晶狀體—鏡頭；視網(wǎng)膜—像敏面；遠物體—晶狀體扁平—屈光能力小—距離大（最大17mm)近物體

—晶狀體厚—屈光能力大—距離?。ㄗ钚?4mm)物體光譜

---紫外→可見光→紅外2、電磁波譜可見光譜

傳感器原理及應用第8章固體傳感器概述

光電傳感器是將被測量的變化通過光信號變化轉換成電信號，具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件稱光敏器件。在計算機、自動檢測、控制系統(tǒng)應用非常廣泛。

光敏器件種類很多，如：光電管、光敏二極管、光電倍增管、光敏三極管、光敏電阻、光電池、光電耦合器、光纖等等。光信號光電傳感器電信號傳感器原理及應用第8章固體傳感器概述

指紋鎖指紋門禁光電鼠標第8章固體傳感器概述

傳感器原理及應用料位自動控制電動扶梯自動啟停光電開關傳感器原理及應用第8章固體傳感器概述

光柵光纖光電管光敏電阻一、光敏式傳感器將光量轉換為電量的傳感器光電器件的物理基礎是光電效應

光電式傳感器基本原理1.光電效應及光電器件(1)外光電效應光線作用下，物質內的電子逸出物體表面而向外發(fā)射的現(xiàn)象

——外光電效應根據(jù)愛因斯坦假設，一個光子的能量只能給一個電子電子從物質表面逸出，光子能量必須大于物質表面的逸出功

A0逸出表面的電子具有動能

Ek：(3-42)式中：m——電子質量；

v0——電子逸出時的初速度；

h——普朗克常數(shù)，h=6.26×10-34j·s；

v——光的頻率。光電子逸出時的初始動能Ek與光的頻率有關

頻率高，則動能大逸出功因材料不同而異材料都有一個頻率限

入射光的頻率低于頻率限，不論光強多大，也不能激發(fā)出電子入射光的頻率高于頻率限，光線微弱也會有光電子發(fā)射

——該頻率限稱為“紅限頻率”(3-42)

基于外光電效應的光電發(fā)射型器件有：

光電管

光電倍增管光電管有：真空光電管

充氣光電管在一個真空的玻璃泡內裝有兩個電極：光電陰極

光電陽極光電陰極通常采用逸出功小的光敏材料如：銫（Cs）光線照射到光敏材料上便有電子逸出逸出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中產生電流

若外電路串入電阻電阻上的電壓降或電路中的電流大小與光強成函數(shù)關系

——從而實現(xiàn)光電轉換

(2)內光電效應受光照的物體(通常為半導體材料)電導率發(fā)生變化或產生光電動勢的效應——稱為內光電效應內光電效應按工作原理分為兩種：

光電導效應光生伏特效應

基本原理(2)內光電效應半導體材料受到光照會產生電子-空穴對，其導電性能增強光線愈強，阻值愈低光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象——稱為光電導效應光電導效應的光電器件有：

光敏電阻(光電導型)

反向工作的光敏二極管光敏三極管(光電導結型)

①光電導效應光敏電阻是一種電阻元件優(yōu)點：

靈敏度高體積小重量輕光譜響應范圍寬機械強度高耐沖擊和振動壽命長

在黑暗的環(huán)境下，阻值很高受到光照并且光輻射能量足夠大時，光導材料禁帶中的電子受到能量大于其禁帶寬度VEg的光子激發(fā)由價帶越過禁帶而躍遷到導帶，使其導帶的電子和價帶的空穴增加

電阻率變小光敏電阻常用的半導體材料有：

硫化鎘(CdS，VEg＝2.4eV)

硒化鎘(CdSe，VEg＝1.8eV)

光敏電阻的工作原理圖(2)內光電效應光敏管工作原理光敏管工作原理與光敏電阻相似差別在于光照在半導體結上光敏二極管的P-N結裝在管的頂部

上面有一個透鏡制成的窗口以便入射光集中在P-N結上

光敏管及其符號

光敏二極管在電路中反向偏置無光照時，流過的反向電流很小

因為P型材料中的電子和N型材料中的空穴很少光照射在P-N結上時

耗盡區(qū)內吸收光子而激發(fā)的電子-空穴對越過結區(qū)，使少數(shù)載流子濃度大增，通過P-N結產生穩(wěn)態(tài)光電流漂過光敏二極管結區(qū)的電子-空穴對立刻被重新俘獲，故增益系數(shù)為1特點：體積小，頻率特性好，弱光下靈敏度低光敏三極管

結構與光敏二極管相似有兩個P-N結基極大多無引出線僅有集電極和發(fā)射極兩端引線

當集電極上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，基極-集電極的結反向偏置當光照射在基極-集電極結上時，就會在結附近產生電子-空穴對，從而形成光電流(約幾μA)，輸出到三極管的基極集電極電流是光生電流的β倍(β是三極管的電流放大倍數(shù))光敏三極管具有放大作用優(yōu)點：電流靈敏度高NPN型光敏三極管的結構及圖示符號光敏三極管工作機理(2)內光電效應②光生伏特效應

半導體材料P-N結受到光照后產生一定方向的電動勢的效應光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的有源器件常用的光生伏特型器件：以可見光做光源的光電池常用的光電池材料：

硒、硅、鍺

光生伏特效應

硅光電池也稱硅太陽能電池用單晶硅制成在N型硅片上用擴散法摻入P型雜質形成一個大面積的P-N結

P層做得很薄——使光線能穿透到P-N結上

硅太陽能電池特點：

輕便簡單不會產生氣體或熱污染易于適應環(huán)境凡是不能鋪設電纜的地方都可采用太陽能電池尤其適用于為宇宙飛行器的各種儀表提供電源光電式傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器工作原理：

首先將被測量的變化轉換成光信號變化然后通過光電轉換元件變換成電信號可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如：

光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等也可用于檢驗能轉換成光量變化的其他非電量，如：

零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度、物體形狀、工作狀態(tài)識別等

2.光電式傳感器的形式光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多優(yōu)點：

非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應快種類：

激光光源、光柵、光學碼盤、CCD器件、光導纖維光電傳感器在檢測和控制領域應用廣泛光電傳感器按接收狀態(tài)可分為：

模擬式光電傳感器脈沖式光電傳感器

工作原理是基于光電元件的光電特性光通量隨被測量而變，光電流就成為被測量的函數(shù)

——故又稱為函數(shù)運用狀態(tài)型光電傳感器(1)模擬式光電傳感器被測物體位于恒定光源與光電元件之間根據(jù)被測物對光的吸收程度或對其譜線的選擇來測定被測參數(shù)，如：

測量液體、氣體的透明度、混濁度對氣體進行成分分析測定液體中某種物質的含量(1)模擬式光電傳感器

①吸收式恒定光源發(fā)出的光投射到被測物體上被測物體把部分光通量反射到光電元件上根據(jù)反射的光通量多少測定被測物表面狀態(tài)和性質，如：

測量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等(1)模擬式光電傳感器

②反射式被測物體位于恒定光源與光電元件之間光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物遮去其一部分

使作用在光電元件上的光通量減弱減弱的程度與被測物在光學通路中的位置有關利用原理可以測量：長度、厚度、線位移、角位移、振動等(1)模擬式光電傳感器③遮光式被測物體本身就是輻射源直接照射在光電元件上或經(jīng)過一定的光路后作用在光電元件上，如：

光電高溫計、比色高溫計、紅外偵察和紅外遙感等可以用于防火報警和制成光照度計等(1)模擬式光電傳感器④輻射式脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)

“通”的開-關狀態(tài)

——光電元件的開關運用狀態(tài)這類傳感器要求光電元件靈敏度高，光電特性的線性要求不高主要用在零件或產品的自動計數(shù)、光控開關、計算機的光電輸入設備、光電編碼器及光電報警裝置等(2)脈沖式光電傳感器光生伏特效應在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應，基于光生伏特效應的光電元件有光電池等。光電池外形光敏面能提供較大電流的大面積光電池外形光電池在動力方面的應用太陽能賽車太陽能電動機模型太陽能硅光電池板光電池的光電特性

一個典型的硅光電池的光電特性

1—開路電壓曲線2—短路電流曲線

開路電壓為對數(shù)特性短路電流為線性特性傳感器原理及應用第8章固體傳感器

8.2.2光電器件

（2）光敏電阻

光敏電阻的工作原理是基于光電導效應

結構：在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導體物質，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導體上覆蓋一層漆膜。

光敏電阻結構及符號

光敏電阻演示

當光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）傳感器原理及應用第8章固體傳感器8.2.2光電器件

（2）光敏電阻（2）光敏電阻原理：電阻器件，加直流偏壓，無極性無光照---電子-空穴對很少---電阻大(暗電阻)

有光照---電子-空穴對增多---導電性增強特點：靈敏度高，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定批量生產，價格便宜應用：工業(yè)自動化---開關元件，快速響應家電---(感應式節(jié)能燈：判斷照度)特性：光照特性為非線性，光譜特性存在單峰，動態(tài)特性好光照特性結構：金屬封裝---防潮光譜特性動態(tài)特性傳感器原理及應用第8章固體傳感器

光敏電阻光照特性無光照時，內部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；有光照時，電阻值隨光強增加而降低；光照停止時，自由電子與空穴復合，電阻恢復原值。

8.2.2光電器件

（3）光敏電阻光敏電阻主要參數(shù)

暗電阻——無光照時的電阻；暗電流——無光照時的電流；亮電阻、亮電流——受光照時的阻值、電流；光電流——亮電流與暗電流之差稱亮電流。傳感器原理及應用第8章固體傳感器

伏安特性給定偏壓光照越大光電流越大；給定光照度電壓越大光電流越大；光敏電阻的伏安特性曲線不彎曲、無飽和，但受最大功耗限制。光照度

Lx=lm（流明）/s

單位面積的光通量8.2.2光電器件

（2）光敏電阻基本特性光敏電阻伏安特性傳感器原理及應用第8章固體傳感器

光譜特性光敏電阻靈敏度與入射波長有關;

光敏電阻靈敏度與半導體摻雜的材料有關，材料與相對靈敏度峰位波長例圖：硫化鎘（CdS）0.3～0.8(μm)硫化鉛（PbS）1.0～3.5(μm)硫化鉈（TlS）1.0～7.3(μm)8.2.2光電器件

（2）光敏電阻基本特性光敏電阻的光譜特性傳感器原理及應用第8章固體傳感器

溫度特性溫度變化影響光敏電阻的靈敏度、暗電電流和光譜響應。溫度T

，波長λ變短。光敏電阻溫度特性8.2.2光器件

（2）光敏電阻基本特性傳感器原理及應用第8章固體傳感器

光敏電阻開關電路,有光照時，光敏電阻Rg下降8.2.2光電器件

（2）光敏電阻應用Rg傳感器原理及應用第8章固體傳感器

光敏電阻在聲、光控開關中的應用應用8.2.2光電器件

（2）光敏電阻白天，Rg小VT2導通VT3截止，VT4導通，晶閘管VS截止，H滅；晚上，Rg大，VT2截止，VT3由VT1控制，待機，VT2失去對VT3控制壓電陶瓷片B接收聲音觸發(fā)信號，VT3導通，VT4截止，晶閘管VS導通，H點亮；同時D整流壓降突然下降VT3保持低電壓，保持VS通，H亮后，C3經(jīng)電阻緩慢放電，直到不再維持VT4截止。HB傳感器原理及應用第8章固體傳感器

8.2.2光電器件

(3)光敏二極管和光敏三極管

光敏晶體管工作原理主要基于光生伏特效應。特點：響應速度快、頻率響應好、靈敏度高、可靠性高;廣泛應用于可見光和遠紅外探測，以及自動控制、自動報警、自動計數(shù)等領域和裝置。電梯平層用光電開關光電開關器件光敏二極管

將光敏二極管的PN結設置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結時，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。

光敏二極管外形

光敏二極管陣列

包含1024個元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。紅外發(fā)射、接收對管外形

紅外發(fā)射管紅外接收管③光敏二極管（光電二極管,PD:Photo-Diode）

原理：半導體PN結-

無光時---高阻特性，微弱電流—暗電流，μA；

光照時---電子→N,空穴→P→光電流光照愈強---光電流愈大PN光照特性④光敏三極管（光電三極管,PT:Photo-Triode）原理：光敏二極管（bc結）+三極管應用：線性轉換元件，開關元件，特點：靈敏度高于光敏二極管，特性：光照特性-靈敏度和線性好，光譜特性-單峰性光譜特性傳感器原理及應用第8章固體傳感器

光敏二極管結構與一般二極管相似，它們都有一個P—N結，并且都是單向導電的非線性元件。為了提高轉換效率大面積受光，PN結面積比一般二極管大。硅光敏二極管結構

注：發(fā)光二極管與光敏二極管不同，發(fā)光二極管利用固體材料發(fā)光（電致發(fā)光），材料不同發(fā)光顏色不同，是一種將電能光能的器件，加正向電壓時，在N-P的電子、空穴結合過程中發(fā)射一定頻率的光信號。工作時加正向電壓。①光敏二極管8.2.2光電器件

(3)光敏二極管和光敏三極管+--++-傳感器原理及應用第8章固體傳感器

工作原理：光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，無光照時，反向電阻很大，反向電流很小；有光照時，PN結處產生光生電子空穴對；在電場作用下形成光電流，光照越強光電流越大；光電流方向與反向電流一致。

光敏二極管基本電路

①光敏二極管8.2.2光電器件

(3)光敏二極管和光敏三極管REDgI傳感器原理及應用第8章固體傳感器

基本特性：

光照特性圖是硅光敏二極管在小負載電阻下的光照特性。光電流與照度成線性關系。

光譜特性，當入射波長＞0.9μm時響應下降，因波長長光子能量小于禁帶寬度，不產生電子、空穴對；當入射波長＜0.9μm時，響應也逐漸下降，波長短的光穿透深度小，使光電流減小。8.2.2光電器件

(3)光敏二極管和光敏三極管①光敏二極管傳感器原理及應用第8章固體傳感器

伏安特性當反向偏壓較低時，光電流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，反向電流趨于飽和，這時光生電流與所加偏壓幾乎無關，只取決于光照強度。

溫度特性，由于反向飽和電流與溫度密切有關，因此光敏二極管的暗電流對溫度變化很敏感。①光敏二極管8.2.2光電器件

(3)光敏二極管和光敏三極管傳感器原理及應用第8章固體傳感器

頻率響應:

光敏管的頻率響應是指光敏管輸出的光電流隨頻率的變化關系。光敏管的頻響與本身的物理結構、工作狀態(tài)、負載以及入射光波長等因素有關。圖中光敏二極管頻率響應曲線說明，調制頻率高于1000Hz時，硅光敏晶體管靈敏度急劇下降。光敏二極管頻率響應曲線

①光敏二極管8.2.2光電器件

(3)光敏二極管和光敏三極管傳感器原理及應用第8章固體傳感器

與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極—集電極結作為光敏二極管，集電結做受光結，另外發(fā)射極的尺寸做的很大，以擴大光照面積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引線，無論NPN、PNP一般集電結加反偏。玻璃封裝上有個小孔，讓光照射到基區(qū)。

8.2.2光電器件

(3)光敏二極管和光敏三極管

②光敏三極管光敏晶極管結構

NNPcbe傳感器原理及應用第8章固體傳感器

硅（Si）光敏晶體極管一般都是NPN結構，光照射在集電結的基區(qū)，產生電子、空穴，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高，這樣，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流增益。

—晶體管電流放大系數(shù)

②光敏三極管8.2.2光電器件

(3)光敏二極管和光敏三極管在負載電阻RL上的輸出電壓為：

NNPcbe+-傳感器原理及應用第8章固體傳感器

所以光敏晶體管對光信號具有放大作用②光敏三極管8.2.2光電器件

(3)光敏二極管和光敏三極管光敏晶體管伏安特性曲線光敏晶體管等效電路

傳感器原理及應用第8章固體傳感器

光敏晶體管的光譜特性硅材料的光敏管峰值波長在0.9μm附近（可見光）靈敏度最大；探測可見光或赤熱狀物體時波長短0.9μm一般都用硅管；鍺管的峰值波長約為1.5μm（紅外光）對紅外進行探測時用鍺管較適宜。P134基本參數(shù)

光敏晶體管光譜特性

②光敏三極管8.2.2光電器件

(3)光敏二極管和光敏三極管傳感器原理及應用第8章固體傳感器

光敏晶體管的光譜特性硅材料的光敏管峰值波長在0.9μm附近（可見光）靈敏度最大；探測可見光或赤熱狀物體時波長短0.9μm一般都用硅管；鍺管的峰值波長約為1.5μm（紅外光）對紅外進行探測時用鍺管較適宜。P134基本參數(shù)

光敏晶體管光譜特性

②光敏三極管8.2.2光電器件

(3)光敏二極管和光敏三極管③光敏二極管（光電二極管,PD:Photo-Diode）

原理：半導體PN結-

無光時---高阻特性，微弱電流—暗電流，μA；

光照時---電子→N,空穴→P→光電流光照愈強---光電流愈大PN光照特性④光敏三極管（光電三極管,PT:Photo-Triode）原理：光敏二極管（bc結）+三極管應用：線性轉換元件，開關元件，特點：靈敏度高于光敏二極管，特性：光照特性-靈敏度和線性好，光譜特性-單峰性光譜特性傳感器原理及應用第8章固體傳感器

光電池工作原理也是基于光生伏特效應，可以直接將光能轉換成電能的器件。有光線作用時就是電源，太陽能電池，所以廣泛用于宇航電源，另一類用于檢測和自動控制等。光電池種類很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等。硒、硅光電池轉換效率高、價廉；砷化鎵材料的光譜響應與太陽光譜吻合、耐高溫和宇宙射線。

8.2.2光電器件

(5)光電池（有源器件）

光電池符號第8章固體傳感器太陽能手機充電器太陽能供LED電警示太陽能電池8.2.2光電器件

(5)光電池傳感器原理及應用第8章固體傳感器

結構：光電池實質是一個大面積PN結，上電極為柵狀受光電極，下面有一抗反射膜，下電極是一層襯底鋁，。原理：當光照射PN結的一個面時，電子——空穴對迅速擴散，在結電場作用下建立一個與光照強度有關的電動勢。一般可產生0.2V～0.6V電壓50mA電流。光電池結構

光電池工作原理圖

8.2.2光電器件

(5)光電池光電池符號傳感器原理及應用第8章固體傳感器

①光照特性開路電壓—光生電動勢與照度之間關系；開路電壓與光照度關系是非線性關系，開路電壓在照度2000lx趨于飽和，非線性。短路電流—光電流與照度之間關系稱短路電流曲線，短路電流是指外接負載相對內阻很小時的光電流。實驗證明，RL小線性范圍好，具體根據(jù)光照大小而定，通常RL≈100Ω作控制元件時當電流源使用。光電池光照與負載的關系

光電池光照特性

8.2.2光電器件

(5)光電池RL傳感器原理及應用第8章固體傳感器

②光譜特性

光電池對不同波長的光靈敏度不同，硅光電池的光譜響應峰值在0.8μm附近，波長范圍0.4～1.2μm。硅光電池可在很寬的波長范圍應用。硒光電池光譜響應峰值在0.5μm附近,波長范圍0.38～0.75μm。8.2.2光電器件

(5)光電池傳感器原理及應用第8章固體傳感器

③頻率特性

頻率特性指光電池相對輸出電流與光的調制頻率之間關系。硅、硒光電池的頻率特性不同，硅光電池頻率響應較好硒光電池較差。所以高速計數(shù)器的轉換一般采用硅光電池作為傳感器元件。硅、硒光電池的頻率特性

④溫度特性⑤特性參數(shù)

P1378.2.2光電器件

(5)光電池傳感器原理及應用第8章固體傳感器

硅管的發(fā)射結導通電壓為0.6V～0.7V，光電池的0.5V電壓起不到控制作用，可將兩個光電池串聯(lián)后接入基極，或用偏壓電阻、二極管產生附加電壓。有光照度變化時，引起基極電流Ib變化，集電極電流發(fā)生β倍的變化。電流Ic與光照近似線性關系。（應用P145）光電池電路連接

光電池作為電源使用時的不同連接。需要高電壓時應將光電池串聯(lián)使用；需要大電流時應將光電池并聯(lián)使用。光電池電路連接

8.2.2光電器件

(5)光電池

光電池作為控制元件時作為電流源的形式應用，通常接非線性負載，如接在基極控制晶體管工作。傳感器原理及應用第8章固體傳感器

①PIN型硅光電二極管，高速光電二極管，響應時間達1nS，適用于遙控裝置。②雪崩式光電二極管，具有高速響應和放大功能，高電流增益，可有效讀取微弱光線，用于0.8μm范圍的光纖通信、光磁盤受光元件裝置。③光電閘流晶體管（光激可控硅），由入射光線觸發(fā)導通的可控硅元件。

8.2.2光電器件

(6)其他光電管

傳感器原理及應用第8章固體傳感器

④達林頓光電三極管（光電復合晶體管），輸入是光電三極管，輸出是普通晶體管，增益大，I=Ig×I1I2

作驅動。⑤光敏場效應晶體管，具有靈敏度高、線性動態(tài)范圍大、光譜響應范圍寬、輸出阻抗低、體積小等優(yōu)點。廣泛用于對微弱信號和紫外光的檢測。⑥半導體色敏傳感器，可直接測量從可見光到紅外波段的單色輻射波長。

復合管I1I2I+8.2.2光電器件

(6)其他光電管傳感器原理及應用第8章固體傳感器

⑦光電耦合器件

又稱光電隔離器（器件的光信號封閉）“光耦”器件由發(fā)光元件和接收光敏元件（光敏電阻、光敏二極管、晶體管等）集成在一起，發(fā)光管輻射可見光或紅外光，受光器件在光輻射作用下控制輸出電流大小。通過電——光、光——電，兩次轉換進行輸入輸出耦合。

8.2.2光電器件

(6)其他光電管傳感器原理及應用第8章固體傳感器

⑦光電耦合器件

“光耦”集成器件的特點：輸入輸出完全隔離，有獨立的輸入輸出抗，絕緣電阻在1萬兆以上。器件有很強的抗干擾能力和隔離性能，可避免振動、噪聲干擾。特別適宜工業(yè)現(xiàn)場做數(shù)字電路開關信號傳輸、邏輯電路隔離器、計算機測量、控制系統(tǒng)中做無觸點開關等。8.2.2光電器件

(6)其他光電管傳感器原理及應用第8章固體傳感器

光電耦合器用于天然氣高壓點火器確認電路P1458.2.2光電器件

(6)其他光電管傳感器原理及應用第8章固體傳感器

透射式，當不透明物質位于中間時會阻斷光路，接受器產生相應的電信號。反射式，光電開關的發(fā)射與接受器件光軸在同一平面上，以某一角度相交，交點處為待測點，當有物體經(jīng)過待測點時，接受元件接收到物體表面反射的光線。光電開關結構與外形P139⑧光電開關

（由外部光信號控制）

8.2.2光電器件

(6)其他光電管器件由發(fā)光元件和接收光敏元件組成傳感器原理及應用第8章固體傳感器

光電開關結構與外形P139⑧光電開關

8.2.2光電器件

(6)其他光電管光電開關基本電路RR+VCC傳感器原理及應用第8章固體傳感器

8.2.2光電器件

(7)光電器件的測量方法

傳感器原理及應用第8章固體傳感器

透射式反射式8.2.2光電器件

(7)光電器件的測量方法8.2.3

光電傳感器的應用

—、光源本身是被測物的應用實例

光的照度E的單位是lx（勒克斯），它是常用的光度學單位之一，它表示受照物體被照亮程度的物理量，可以用照度計來測量。

光電池（外加柔光罩）1.紅外線輻射溫度計：紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可用于冰點以下的溫度測量，所以是輻射溫度計的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從-30℃~3000℃，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號。紅外線輻射溫度計外形激光僅用于瞄準紅外線輻射溫度計外形紅外線輻射溫度計用于食品溫度測量紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應用耳溫儀紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用集成IC溫度測量紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續(xù)）利用紅色激光瞄準被測物（冷藏牛奶和面食）紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續(xù)）利用紅色激光瞄準被測物（電控柜、天花板內的布線層）溫度采集系統(tǒng)比色式溫度傳感器溫度非接觸測量中的應用

比色式溫度傳感器采用比色式（雙波段）測溫原理實現(xiàn)對被測目標的非接觸測溫，用戶不需知道物質的發(fā)射率。它抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強，不受窗口玻璃影響，能瞄準,測量小目標，可不考慮距離系數(shù)，可以不完全被目標充滿，不需調焦就可準確測量。比色溫度計適于環(huán)境條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中使用，如:煙霧、水蒸氣、灰塵比較嚴重的鋼鐵、焦化和爐窯等應用現(xiàn)場。2.熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應用

熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應用。它可用于能產生遠紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動門、自動燈的控制等。

熱釋電元件外形熱釋電傳感器簡介

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。早在1938年，有人提出過利用熱釋電效應探測紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代才又興起了對熱釋電效應的研究和對熱釋電晶體的應用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器。除了在樓道自動開關、防盜報警上得到應用外，在更多的領域得到應用。比如：在房間無人時會自動停機的空調機、飲水機；電視機能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關機的電路；開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應用；攝影機或數(shù)碼照相機自動記錄動物或人的活動等等……

您可以根據(jù)自己的奇思妙想，結合其他電路開發(fā)出更加優(yōu)秀的新產品?；蜃詣踊刂蒲b置。熱釋電傳感器的內部電路兩塊反向串聯(lián)的熱釋電晶片場效應管熱釋電傳感器工作原理

熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡，每一透鏡單元都只有一個不大的視場角，當人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運動時，順次地進入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上的兩個反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號。當然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見”的。

菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡熱釋電晶片菲涅爾透鏡外形

傳感器不加菲涅爾透鏡時，其檢測距離小于2m，而加上該透鏡后，其檢測距離可增加3倍以上。熱釋電套件熱釋電報警器菲涅爾透鏡設定按鈕高分貝喇叭熱釋電報警器（續(xù)）菲涅爾透鏡Φ5mm接插件熱釋電報警器（續(xù)）吸頂式熱釋電報警器熱釋電傳感器應用熱釋電傳感器用于自動亮燈，當然也可以用于防盜熱釋電傳感器的感應范圍熱釋電感應燈熱釋電傳感器自動感應燈

（參考施特朗公司資料）熱釋電傳感器在智能空調中的應用智能空調能檢測出屋內是否有人，微處理器據(jù)此自動調節(jié)空調的出風量，以達到節(jié)能的目的。

空調中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動著。上下范圍左右范圍二、被測物吸收光通量的應用實例光電式濁度計和含沙量測量將裝有濁水的試管插入儀器中光電式濁度計工作原理

1—恒流源2—半導體激光器3—半反半透鏡4—反射鏡5—被測水樣6、9—光電池

7、10—電流/電壓轉換器8—標準水樣

參比通道

2.煙霧報警器外形

（參考南京千里通公司無線煙霧報警器資料）

無煙霧時，光敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災發(fā)生時，煙霧進入檢測室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報警信號。

煙霧報警無線煙霧報警器內部結構

可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器無線火災煙霧傳感器無線火災煙霧傳感器可以固定在墻體或者天花板上。它內部使用一節(jié)9伏層疊電池供電，工作在警戒狀態(tài)時，工作電流僅為15微安，報警發(fā)射時工作電流為20毫安。當探測到初期明火或者煙霧達到一定濃度時，傳感器的報警蜂鳴器立即發(fā)出90分貝的連續(xù)報警，工作指示燈快速連續(xù)閃爍，無線發(fā)射器發(fā)出無線報警信號，通知遠方的接收主機，將報警信息傳遞出去。無線發(fā)射器的報警距離在空曠地可以達到200米，在有阻擋的普通家庭環(huán)境中可以達到20米。三、被測物體反射光通量的應用實例

1.反射式煙霧報警器

在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂直，煙霧室內又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達紅外光敏三極管。當煙霧進入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產生漫反射（圖中只畫出幾個微粒的反射示意），使部分紅外光到達光敏三極管，有光電流輸出。

2.光電式轉速表

光電式轉速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測物數(shù)十毫米外非接觸地測量其轉速。

n=60(f/z)

水泵轉速測量光電式轉速表外形

3.色標傳感器

色飽和圖色標傳感器常用于檢測特定色標或物體上的斑點，它是通過與非色標區(qū)相比較來實現(xiàn)色標檢測，而不是直接測量顏色。人眼對各色光的敏感程度色標傳感器的用途

現(xiàn)代化工業(yè)生產中，顏色檢測和顏色識別等的應用越來越多。例如，在包裝生產中機器要確定哪種產品放在什么顏色的包裝中、如何保證產品的正面朝向包裝盒的玻璃紙窗口等等。色標傳感器常用于檢測特定色標或物體上的斑點，它是通過與非色標區(qū)相比較來實現(xiàn)色標檢測，而不是直接測量顏色。各種色標傳感器外形色標傳感器能識別紅、綠、藍等顏色色標傳感器外形（續(xù)）色標傳感器在流水線上檢測產品的顏色

用多個色標傳感器測量薄板的顏色產品包裝色彩檢測、分選4.光電自動門自動門光電傳感器放大圖有效檢測區(qū)域四、被測物遮擋光通量的應用實例

1.光電式帶材跑偏檢測器

光電傳感器帶材走偏時，邊緣經(jīng)常與傳送機械發(fā)生碰撞，易出現(xiàn)卷邊，造成廢品。

當帶材處于正確位置（中間位置）時，放大器輸出電壓Uo為零；當帶材左偏時，遮光面積減小，輸出電壓反映了帶材跑偏的方向及大小。

光電式帶材跑偏檢測控制器原理1—

被測帶材2—卷取電機3—卷取輥4—液壓缸5—活塞6—滑臺7—光電檢測裝置

8—光源

9、10—透鏡

11-光敏電阻R112—遮光罩

指針將偏向左邊還是右邊？帶材糾偏系統(tǒng)傳感器原理及應用第8章固體傳感器

電荷耦合器件，又稱CCD圖象傳感器，是一種大規(guī)模集成電路光電器件；電荷耦合器件具有光電轉換，信息存儲、轉移傳輸、處理以及電子快門等功能。特點：

1.集成度高、尺寸小、電壓低（DC7～12V）功耗小。

2.空間分辨率高，線陣分辨能力可達7μm，面陣分辨率在1000電視線以上；

3.光電靈敏度高，好的器件可達0.01lx；動態(tài)范圍大，106：1；信噪比60-70dB；

4.可選模擬、數(shù)字不同輸出形式，便于和計算機連機。

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件（CCD）

Charge—CoupledDevices

傳感器原理及應用第8章固體傳感器

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件該技術的發(fā)展促進了各種視頻裝置的普及和微型化，應用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農業(yè)、軍用等各個領域。傳感器原理及應用第8章固體傳感器

基于CCD光電耦器件的輸入設備：數(shù)字攝像機、數(shù)字相機、平板掃描儀、指紋機

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件傳感器原理及應用第8章固體傳感器

圖象傳感器發(fā)展趨勢

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件高性能小容量廉價高容量專用顯示系統(tǒng)控制器在線動態(tài)分析醫(yī)學低功耗空間設備汽車計算機顯示生物科學光學顯微鏡可視電話玩具條形碼識別傳感器原理及應用第8章固體傳感器

CCD基本結構分兩部分：MOS光敏元陣列；

MOS（金屬—氧化物—半導體）讀出移位寄存器。電荷耦合器件是在半導體硅片上制作成百上千（萬）個光敏元，一個光敏元又稱一個像素，在半導體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。CCD結構示意圖

顯微鏡下的MOS元表面①CCD基本結構和工作原理

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件傳感器原理及應用第8章固體傳感器

一個MOS光敏元當金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言，是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱”。有光線入射到硅片上時，光子作用下產生電子—空穴對，空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而光電子被附近勢阱（俘獲），此時勢阱內吸的光子數(shù)與光強度成正比。一個MOS光敏元結構

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件

電荷存儲原理：①CCD基本結構和工作原理傳感器原理及應用第8章固體傳感器

電荷存儲原理：一個MOS光敏元結構

一個MOS結構元為MOS光敏元或一個像素，把一個勢阱所收集的光生電子稱為一個電荷包；CCD器件內是在硅片上制作成百上千的MOS元，每個金屬電極加電壓就形成成百上千個勢阱，產生成百上千的電荷包；如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應的光生電荷圖象。這就是電荷耦合器件的光電物理效應基本原理。

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件①CCD基本結構和工作原理傳感器原理及應用第8章固體傳感器

265×180133×9066×4533×22分辨率（像素）不同的圖象比較

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件傳感器原理及應用第8章固體傳感器

光敏元上的電荷還需經(jīng)輸出電路輸出，而CCD電荷耦合器件是以電荷為信號而不是電壓電流作信號輸出的。讀出移位寄存器也是MOS結構，由金屬電極、氧化物、半導體三部分組成。它與MOS光敏元的區(qū)別在于，半導體底部覆蓋了一層遮光層，防止外來光線干擾。讀出移位寄存器結構

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件由三個十分鄰近的電極組成一個耦合單元；在三個電極上分別施加脈沖波Φ1Φ2Φ3，稱三相時鐘脈沖。

電荷轉移原理（讀出移位寄存器）①CCD基本結構和工作原理傳感器原理及應用第8章固體傳感器

t=t1時刻，Φ1電極下出現(xiàn)勢阱存入光電荷t=t2時刻，兩個勢阱形成大勢阱存入電荷t=t3時刻，Φ1中電荷全部轉移至Φ2。t=t4時刻，Φ2中電荷向Φ3勢阱轉移。t=t5時刻，Φ3電荷向下一個Φ1勢阱轉移讀出移位寄存器三相時鐘脈沖

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件

電荷轉移原理（讀出移位寄存器）傳感器原理及應用第8章固體傳感器

不同時刻勢阱深度變化，使電荷按設計好的方向，在時鐘脈沖控制下從寄存器的一端轉移到另一端。這樣一個傳輸過程，實際上是一個電荷耦合過程，所以稱電荷耦合器件，擔任電荷傳輸?shù)膯卧Q移位寄存器。

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件

電荷轉移原理（讀出移位寄存器）電荷信息轉移原理傳感器原理及應用第8章固體傳感器

CCD器件的物理性能可以用特性參數(shù)來描述內部參數(shù)描述的是CCD存儲和轉移信號電荷有關的特性,是器件理論設計的重要依據(jù)；

外部參數(shù)描述的是與CCD應用有關的性能指標主要包括以下內容：電荷轉移效率、轉移損失率、工作頻率、電荷存儲容量、靈敏度、分辨率。③CCD的特性參數(shù)

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件傳感器原理及應用第8章固體傳感器

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件

CCD器件分為線陣CCD和面陣CCD，結構上有多種不同形式，如單溝道CCD、雙溝道CCD、幀轉移結構CCD、行間轉移結構CCD。④CCD器件

CCD器件傳感器原理及應用第8章固體傳感器

線陣CCD結構線陣CCD傳感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行構成。光敏元和移位寄存器之間有一個轉移控制柵，1024位線陣，由1024個光敏元1024個讀出移位寄存器組成。讀出移位寄存器的輸出端Ga將存儲的電荷信息一位位輸出。單溝道CCD結構④CCD器件

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件傳感器原理及應用第8章固體傳感器

電荷輸出控制

光敏元曝光時——光積分，金屬電極加正向脈沖電壓φp，光敏元吸收光生電荷，積累很快結束；轉移控制柵加轉移脈沖φT

，轉移控制柵打開，光敏元俘獲的光生電荷經(jīng)轉移控制柵耦合到移位寄存器；這是一并行輸出過程，轉移柵關閉；接著三個時鐘脈沖Φ1Φ2Φ3工作，讀出移位寄存器的輸出端Ga一位位輸出信息，這一過程是一串行輸出過程。單溝道CCD結構電荷輸出控制波形④CCD器件——線陣CCD結構

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件

傳感器原理及應用第8章固體傳感器64位線陣CCD結構

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件傳感器原理及應用第8章固體傳感器面陣電荷耦合器（二維）面型CCD是把光敏元件排列成二維矩陣形式，主要用于攝象機及測量技術傳輸讀出結構有不同類型，基本構成有：線轉移方式幀轉送方式（FrameTransferCCD）行間轉送方式（InterLineTransferCCD）

P143圖8-28

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件傳感器原理及應用第8章固體傳感器對不同型號的CCD器件而言，其工作機理是相同的。不同型號的CCD器件具有完全不同的外型結構和驅動時序，在實際使用時必須加以注意。我們可以通過器件供貨商或直接向生產廠家索取相關資料，為CCD器件的應用提供技術支持。

⑤典型的CCD器件

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件傳感器原理及應用第8章固體傳感器

以TCD142D型CCD為例做簡單介紹，其它型號的器件大同小異。TCD142D是一種具有2048位像元的兩相線陣CCD器件，TCD142D有22個引腳，其中12個是空腳；Φ1A、Φ2A、Φ1B、Φ2B時鐘端，ΦSH轉移柵，ΦRS復位柵，SS地，NC空閑。OS為信號輸出端，DOS為補償輸出端，

TCD142D引腳

TCD142D結構示意圖

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件傳感器原理及應用第8章固體傳感器

TCD142D的驅動電路可分為兩部分：一部分是脈沖產生電路；另一部分是驅動電路。脈沖電路產生ΦHS、Φ1、Φ2、ΦRS四路脈沖，由非門及晶體振蕩器構成的晶體振蕩電路輸出頻率為4MHz方波；

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件經(jīng)JK觸發(fā)器分頻，得到頻率為2MHz的方波，將4MHz與2MHz脈沖相與，形成ΦRS脈沖。傳感器原理及應用第8章固體傳感器TCD142D驅動電路

8.2.2光電器件

（8）電荷耦合器件將ΦRS經(jīng)JK觸發(fā)器分頻，產生頻率為1MHz的Φ1脈沖，Φ1脈沖送入分頻器；經(jīng)譯碼電路產生轉移脈沖ΦSH并且使ΦSH周期TSH＞1061μs；

將ΦSH和Φ1相與產生Φ2,Φ1=Φ2，至此就產生了四路脈沖。將這四路脈沖經(jīng)反相器反相，再經(jīng)阻容加加速電路送至H0026驅動器，放大至一定量以后用以驅動TCD142D。傳感器原理及應用第8章固體傳感器CCD傳感器應用時是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學元件結合，主要用來裝配輕型攝像機、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。CC