1、第8章 光電式傳感器,8.1 概述 8.2 光源 8.3 常用光電器件 8.4 新型光電器件 8.5 光電傳感器,光電式傳感器是以光為測量媒介、以光電器件為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，它具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等卓越優(yōu)點(diǎn)。,8.1 概述,光電式傳感器的一般組成形式包括：光源、光通路、光電器件和測量電路四個(gè)部分。,被測量的變化 光的變化 電量的變化,可用來測量直接引起光量變化的量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可測量能夠間接轉(zhuǎn)化為光量變化的量，如零件尺寸、表面粗糙度、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、速度、加速度等。,光通量：指人眼所能感覺到的輻射能量，單位為流明 1lm =1cdSr，即發(fā)光強(qiáng)度為 1

2、坎德拉的均勻點(diǎn)光源向單位立體角(球面度內(nèi))發(fā)射出去的光通量。,發(fā)光強(qiáng)度：光源發(fā)光的強(qiáng)弱。單位坎德拉(cd)，1cd指5401012Hz的單色光在給定方向上的輻射強(qiáng)度達(dá)到680-1(W/sr)時(shí)的光的強(qiáng)弱。,輻射能通量：發(fā)光體在單位時(shí)間內(nèi)輻射出來的光（包括紅外線、可見光和紫外線）的總能量就是光源的輻射通量。在單位時(shí)間里由光源的某一面積所發(fā)出的光能，面積元輻射能通量。,各色光的頻率不同，眼睛對各色光的敏感度也有所不同，即使各色光的輻射能通量相等，在視覺上并不能產(chǎn)生相同的明亮程度，在各色光中，黃、綠色光能激起最大的明亮感覺。如果用綠色光作水準(zhǔn)，令它的光通量等于輻射能通量，則對其它色光來說，激起明亮感

3、覺的本領(lǐng)比綠色光為小，光通量也小于輻射能通量。 光通量等于單位時(shí)間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對視見率的乘積。 例如，當(dāng)波長為55510-9米的綠光(相對視見率為100%)與波長為65010-9米的紅光輻射功率相等時(shí)，前者的光通量為后者的10倍。,光照度：物體被照亮的程度(單位面積上的光通量），單位勒克斯 (lx )。1 lx=1 lm/m2 . 光亮度：無論面光源或被其它光源所照亮的物體表面，都會(huì)向外發(fā)射光輻射，其明亮程度用光亮度衡量。單位cd/m2。 光譜：10nm106nm的電磁波稱為光波。紫外線10nm380nm；可見光380nm780nm；紅外線780nm106nm 色譜：可見光

4、對人的視覺產(chǎn)生的顏色區(qū)別。,光通量：一只40W的日光燈輸出的光通量大約是2100流明.,光亮度：日光燈：（510）10cd/m,光照度(lx)：黑夜：0.0010.02；月夜：0.020.3；陰天室內(nèi)：550；陰天室外：50500；晴天室內(nèi)：1001000；夏季中午太陽光下的照度：約為109；閱讀書刊時(shí)所需的照度：5060；家用攝像機(jī)標(biāo)準(zhǔn)照度：1400。,以下是一些常見環(huán)境的光指標(biāo)值：,8.2 光源(光源的質(zhì)量好壞對測量結(jié)果有決定性的影響),8.2.1 對光源的要求,1.光源必須具有足夠的照度和穩(wěn)定性； 影響靈敏度、信噪比、穩(wěn)定性、可靠性。光源盡可能穩(wěn)定，減小能量變化和方向漂移； 2.光源應(yīng)保

5、證均勻、無遮擋或陰影； 3.光源的照射方式(方向和角度)必須符合傳感器的要求； 4.光源的發(fā)熱量應(yīng)盡可能??； 5.光源發(fā)出的光必須具有合適的光譜范圍； 主要使用紫外至紅外之間的區(qū)域。 必須考慮光電器件的光譜(峰值點(diǎn))。,8.2.2 常用光源,1.熱輻射光源 通過將一些物體加熱后產(chǎn)生熱輻射來實(shí)現(xiàn)照明。溫度越高光越亮。鎢絲燈、鹵素?zé)簟?特點(diǎn)(1)光源譜線豐富，主要涵蓋可見光和紅外光，峰值約在近紅外，適用于大部分光電傳感器。(2)發(fā)光效率低、(3)發(fā)熱大、(4)壽命短、(5)易碎，電壓高，有一定的危險(xiǎn)性。 2.氣體放電光源 通過氣體分子受激發(fā)后產(chǎn)生放電而發(fā)光。碳弧燈、水銀燈、鈉弧燈、氙弧燈、熒光燈等

6、。 特點(diǎn)：效率高、功率大。用于有強(qiáng)光要求，色溫接近日光的場合。,3.發(fā)光二極管 是一種電致發(fā)光的半導(dǎo)體器件。 (見書P179表8-1) 特點(diǎn)：體積小、耐振；無輻射、無污染；功耗低、冷光源；壽命長；響應(yīng)快；供電電壓低、易于數(shù)控；價(jià)格較白熾燈高。 4.激光器 激光：受激輻射放大產(chǎn)生的光。氦氖激光器、半導(dǎo)體激光器、固體激光器。 特點(diǎn)：方向性好；亮度高、能量高度集中；單色性好、光譜寬度窄；相干性好(進(jìn)行干涉測量的最佳光源)。,8.3 常用光電器件,8.3.1 外光電效應(yīng)及器件 在光的照射下，電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。,c為光速， h為普朗克常數(shù)， A為物體的表面逸出功。,0

7、為發(fā)生光電效應(yīng)的入射光波長限(紅限波長)。 入射光波長必須小于0 ，不同金屬紅限波長不同。 光電子釋放時(shí)間不超過10-9s。,基于外光電效應(yīng)原理工作的光電器件有光電管和光電倍增管,特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,靈敏度高(20220A/lm),暗電流小(最低10-14A),體積大,工作電壓高達(dá)幾百到數(shù)千伏,玻殼容易破碎.,光電倍增管,入射光極為微弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的光電流很小， 光電倍增管：放大光電流; 特點(diǎn)：光電流大，靈敏度高。倍增率N=n， 為單級(jí)倍增率(36)，n為倍增級(jí)(414) 組成：光電陰極K+若干倍增極+陽極A,8.3.2 內(nèi)光電效應(yīng)及器件 光照射在半導(dǎo)體材料上，材料中處于價(jià)帶的電子吸收光子能量，

8、通過禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價(jià)帶內(nèi)空穴增多，即激發(fā)出光生電子空穴對，從而使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生光電效應(yīng)。 分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。 發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)的臨界波長：,Eg為材料的禁帶寬度，鍺為0.75eV ，硅為1.2eV 。,光敏電阻 無固定極性，使用時(shí)可加直流或交流偏壓,梳狀電極,1.光電導(dǎo)效應(yīng)及器件 光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受到光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生光生電子-空穴對，使導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，阻值愈低。 常用：光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管。,當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小 ；當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加。,靈敏度高，光譜特性好，光譜響應(yīng)從紫外區(qū)一直

9、到紅外區(qū)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定,光敏電阻,當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)， 阻值減小。,光敏電阻演示,當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子空穴對增加，阻值減小，電流增大。,暗電流（越小越好）,(2)光敏二極管 反向偏置工作。,(3)光敏三極管 與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)pn結(jié)。可看作一個(gè)bc結(jié)為光敏二極管的三極管。把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，同時(shí)又將信號(hào)電流加以放大。 使用中要保持光源與光敏管的相對位置不變。,光敏二極管,將光敏二極管的PN 結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，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(gè)元件的線性光電二

10、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)射二極管,紅外接收二極管,光敏三極管外形,2.光生伏特效應(yīng)及器件 光生伏特效應(yīng)：光照引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢的效應(yīng)。 由于它可以象電池那樣為外電路提供能量，故稱光電池。,光電池是直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個(gè)大面積的pn結(jié)。當(dāng)光照射到pn結(jié)上時(shí)，結(jié)區(qū)產(chǎn)生光生電子-空穴對，在結(jié)電場作用下，電子推向N區(qū)，空穴推向P區(qū)，在pn結(jié)的兩端面產(chǎn)生電動(dòng)勢(p區(qū)端面為正，N區(qū)端面為負(fù)) 。它能為外電路提供能量。,光電池與外電路的連接方式有兩種：短路電流輸出和開路電壓輸出。 短路電流大小與光強(qiáng)成正比； 開路電壓與光照度成非線性關(guān)系。 光照度大于10

11、00lx時(shí)，器件飽和，故應(yīng)根據(jù)需要選擇工作狀態(tài)。,硅光電池用單晶硅制成。轉(zhuǎn)換效率較低，適合在可見光波段工作。,光電池外形,光敏面,能提供較大電流的大面積光電池外形,8.3.2 光電器件的特性 光照特性 反映光電器件輸入光量與輸出光電流(光電壓)之間的關(guān)系(靈敏度)。,(a)光敏電阻 非線性，用作開關(guān)元件,(b)光敏二極管 基本線性，用作線性轉(zhuǎn)換元件或開關(guān)元件,(c)硅光電池 開路電壓狀態(tài)用作開關(guān)元件；短路電流狀態(tài)用作線性檢測元件，負(fù)載電阻越小，線性關(guān)系越好。,光照特性用響應(yīng)率R描述。 光生電流器件，輸出電流Ip與光輸入功率Pi之比，稱為電流響應(yīng)率RI，即：,光生伏特器件，輸出電壓Vp與光輸入功

12、率Pi之比，稱為電壓響應(yīng)率RV，即：,2. 光譜特性 光電器件的光譜特性指相對靈敏度K與入射光波長之間的關(guān)系，又稱光譜響應(yīng)。,(a)光敏晶體管,(b)光敏電阻,(c)光電池,3. 響應(yīng)時(shí)間（頻率特性） 反映動(dòng)態(tài)特性。響應(yīng)時(shí)間小，動(dòng)態(tài)特性好。采用調(diào)制光的光電傳感器，調(diào)制頻率上限受響應(yīng)時(shí)間限制。 光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間一般為10-110-3s，光敏晶體管2x10-5s。光敏二極管的響應(yīng)速度比光敏三極管高一個(gè)數(shù)量級(jí)，硅管比鍺管高一個(gè)數(shù)量級(jí)。,(a)光敏電阻,(b)光電池,(c)光敏晶體管,4. 峰值探測率 噪聲指標(biāo)，反映暗電流的影響。 峰值探測率大，噪聲等效功率小，器件性能好。 5. 溫度特性,硫化鉛光

13、敏電阻的光譜溫度特性,溫度變化，則 (1)器件靈敏度變化， (2)光譜特性變化,6. 伏安特性 伏安特性：在一定的光照下，對光電器件所加端電壓與光電流之間的關(guān)系。 伏安特性是選擇電參數(shù)的依據(jù)。,(a)光敏電阻,(b)光敏二極管,(c)光敏晶體管,8.4 新型光電器件,8.4.1 位置敏感器件(PSD),8.4.2 集成光敏器件 為滿足差動(dòng)輸出等應(yīng)用的需要,可以將兩個(gè)光敏電阻對稱布置在同一光敏面上;也可將光敏三極管制成對管形式; 光電池可制成多個(gè)元件的陣列. 缺點(diǎn):每個(gè)元件都需要相應(yīng)的輸出電路 ,故電路較龐大。,8.4.3 固態(tài)圖象傳感器 固態(tài)圖象傳感器是電荷轉(zhuǎn)移器件與光敏陣列元件集為一體構(gòu)成的

14、具有自掃描功能的攝象器件 最常用的電荷轉(zhuǎn)移器件是電荷耦合器件CCD 8.4.3.1 CCD的基本原理,1金屬電極 2絕緣層SiO2,P型半導(dǎo)體加正偏壓,電荷在三相CCD中的轉(zhuǎn)移,1.線陣型CCD圖像傳感器,8.4.3.2 電荷耦合CCD圖像傳感器,2、面型CCD圖像傳感器,CCD的基本特性參數(shù)有： 光譜響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍、信噪比、CCD芯片尺寸等。在CCD像素?cái)?shù)目相同的條件下，像素點(diǎn)大的CCD芯片可以獲得更好的拍攝效果。大的像素點(diǎn)有更好的電荷存儲(chǔ)能力。,(一)MOS電容器組成的光敏元顯微照片,CCD光敏元顯微照片,彩色CCD顯微照片（放大7000倍）,線陣CCD外形,面陣CCD外形,200萬和16

15、00萬像素的面陣CCD,面陣CCD能在x、y兩個(gè)方向都能實(shí)現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像。,面陣CCD外形（續(xù)）,8.4.3.3 CMOS攝像器件 固體攝像器， 傳感和電路高度集成，體積小，功耗低，防震，壽命長，可靠性高，抗電磁干擾； 對紅外光敏感，有夜視特性,8.4.4 高速光電器件 1.PIN結(jié)光電二極管： 適用于光通信和光測量 2.雪崩式光電二極管,8.4.5 半導(dǎo)體色敏器件,PIN光電二極管,雪崩光敏二極管,8.5 光電傳感器,8.5.1 光電式傳感器的類型,1. 模擬式光電傳感器 將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，要求光電器件的光照特性為單值線性，光源的光照均勻恒定。 工作方式如圖：,

16、2. 開關(guān)式光電傳感器 利用光電元件受光照或無光照時(shí)“有”“無”電信號(hào)輸出的特性將被測信號(hào)轉(zhuǎn)換為斷續(xù)變化的開關(guān)信號(hào)； 要求光電器件靈敏度高，而對光照特性的線性要求不高。 用于自動(dòng)計(jì)數(shù)、光控開關(guān)、光電輸入、光電編碼器及光電報(bào)警等。,8.5.2 光電式傳感器的應(yīng)用 1. 光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表,2. 光電式物位傳感器 用于測量物體的有無、個(gè)數(shù)、移動(dòng)距離和相位等。 分為遮光式和反射式。見書P196 3. 視覺傳感器,熱軋板寬自動(dòng)測量的基本構(gòu)成及原理,工件傷痕及表面污垢檢測,形狀檢測,4. 細(xì)絲類物件在線檢測,光電池及在照度測量中的應(yīng)用,柔光罩下面為圓形光電池,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用,太陽能賽車,太陽能電動(dòng)

17、機(jī)模型,太陽能 硅光電池板,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）,太陽能發(fā)電,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）,光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用,線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用,線陣CCD在圖像掃描中的應(yīng)用,風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星可以對地球上空的云層分布 進(jìn)行逐行掃描,線陣CCD用于字符識(shí)別,CCD數(shù)碼照相機(jī),數(shù)碼相機(jī)簡稱DC，它采用CCD作為光電轉(zhuǎn)換器件，將被攝物體的圖像以數(shù)字形式記錄在存儲(chǔ)器中。 數(shù)碼相機(jī)從外觀看，也有光學(xué)鏡頭、取景器、對焦系統(tǒng)、光圈、內(nèi)置電子閃光燈等，但比傳統(tǒng)相機(jī)多了液晶顯示器（LCD），內(nèi)部更有本質(zhì)的區(qū)別，其快門結(jié)構(gòu)也大不相同。,CCD用于圖像記錄,數(shù)碼相機(jī)的外形,數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)解剖（索尼F828）,CCD,CCD數(shù)