1、光電式傳感器, 光電傳感器是采用光電元件做為檢測元件的傳感器。, 光電器件是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件，它是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。, 光電器件響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，而且有較高的可靠性，因此在自動檢測、計算機(jī)和控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。, 被測量的變化引起的光信號的變化可以是光源的變化、也可以是光學(xué)通路的變化，或者是光電元件的變化。, 光電檢測方法具有精度高、反映快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此在檢測和控制領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。, 光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一

2、步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。,1 光電效應(yīng), 根據(jù)光的波粒二象性，我們可以認(rèn)為光是一種以光速運(yùn)動的“粒子流”，這種粒子稱為光子。每個光子具有的能量為：,h普朗克常數(shù) v光波頻率, 對不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看做是一連串能量為E的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，我們把這種物體材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。,2 光電效應(yīng)的分類,通常把光線照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分

3、為三類：,（1）外光電效應(yīng)：在光線作用下能使電子逸出物體表面的稱為外光電效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。,（2）內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下能使物體電阻率改變的稱為內(nèi)光電效應(yīng)，又稱光電導(dǎo)效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光敏電阻、光敏晶體管等。,（3）半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)。在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的稱為半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池等。,3 光電效應(yīng)特性,光照特性：當(dāng)光電元件上加上一定電壓時，光電流I與光電元件上光照度E之間的對應(yīng)關(guān)系。,光譜特性：光敏元件上加上一定的電壓，這時如有一單色光照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光電流會隨入射光波長的不同而變

4、化。,伏安特性：在一定照度下，光電流I與光敏元件兩端電壓V的對應(yīng)關(guān)系，稱為伏安特性。伏安特性可以幫助我們確定光敏元件的負(fù)載電阻，設(shè)計應(yīng)用電路。,頻率特性：在相同的電壓和同樣幅值的光照下，當(dāng)入射光以不同頻率的正弦頻率調(diào)制時，光敏元件輸出的光電流I和靈敏度S會隨調(diào)制頻率f而變化，稱為頻率特性。,溫度特性：光電元件的溫度特性是指其輸出與溫度的關(guān)系。部分光電元件輸出受溫度影響較大，應(yīng)采取相應(yīng)措施進(jìn)行溫度補(bǔ)償。,響應(yīng)時間：不同光敏器件的響應(yīng)時間有所不同。光敏電阻較慢，約為（10-110-3）s，一般不能用于要求快速響應(yīng)的場合。工業(yè)用的硅光敏二極管的響應(yīng)時間為（10-510-7）s左右，光敏三極管的響應(yīng)時

5、間比二極管約慢一個數(shù)量級，在要求快速響應(yīng)或入射光、調(diào)制光頻率較高時應(yīng)選用硅光敏二極管。,光電管和光電倍增管,圖 光電管的結(jié)構(gòu),（1）光電管,a. 光電管的結(jié)構(gòu)： 光電管由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并密封在一支真空玻璃管內(nèi)。光電管的特性主要取決于光電管陰極材料。,b.光電管的原理,光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，在入射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。,電流和電阻R0上的電壓降就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，即：U=F（）,c. 光電管的性質(zhì),適用于不同的光譜范圍。,同一種光電管對不同頻率的入射光靈敏度并不相

6、同。,（2）光電倍增管,光電倍增管結(jié)構(gòu),光電倍增管基本電路,光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。多用于微光測量。,（3）光電管特性,a.暗電流,光電管接上工作電壓后，在沒有光照的情況下陽極仍會有個很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流。,暗電流的存在決定了光電管可測量光信號的最小值，所以要求其暗電流小并且穩(wěn)定。,b. 光照特性,c. 光電管的伏安特性,在一定照度下，光電流與光電管兩端電壓的對應(yīng)關(guān)系。,5.4 光電池,5.4.1 工作原理,1、能量轉(zhuǎn)換關(guān)系：,光能轉(zhuǎn)換為電能，電路中有了這種器件就不需要外加電源。,2、原理：,3、種類：

7、,有硅、砷化鎵、硒、氧化銅、鍺、硫化鎘光電池等。,4、優(yōu)點(diǎn)：,性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、傳遞效率高、能耐高溫輻射、價格便宜等。,5.4.2 基本特性,1光譜特性,光電池的相對靈敏度Kr與入射光波長l之間的關(guān)系稱為光譜特性。,2、光照特性,圖 光電池的光譜特性曲線,圖 硅光電池的光照特性曲線,光生電動勢U與照度Ee之間的特性曲線稱為開路電壓曲線；光電流密度Je與照度Ee之間的特性曲線稱為短路電流曲線。如上圖所示為硅光電池的光照特性曲線。,3、頻率特性,圖 光電池的頻率特性,光電池的頻率特性是光的調(diào)制頻率f與光電池的相對輸出電流Ir（相對輸出電流=高頻輸出電流/低頻最大輸出電流）之間的關(guān)系

8、曲線。,4、溫度特性,光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓U、短路電流I隨溫度t變化的曲線，如右圖所示。,圖 光電池的溫度特性,5、穩(wěn)定性,硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。,6.7 光敏電阻及光敏晶體管,6.7.1 光敏電阻,光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制做，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它在光線的作用下其阻值往往變小，這種現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)。因此，光敏電阻又稱光導(dǎo)管。,1、工作原理,光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。,靈敏度高。,光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級，亮電阻在幾千歐以下。,2、光敏電阻的結(jié)構(gòu),3、光敏電阻的主要參數(shù),暗電阻和暗電流：光敏電阻在

9、室溫和全暗條件下，經(jīng)過一定時間測得的穩(wěn)定電阻值，稱為暗電阻。此時流過的電流，稱為暗電流。,亮電阻和亮電流：光敏電阻在室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值，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，稱為光電流。顯然，光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。,（1）伏安特性:在一定的照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與光電流之間的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的伏安特性曲線。,圖 光敏電阻的伏安特性曲線,4、光敏電阻的基本特性,可見：,在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；,在一定光照度下，加的電壓越大，

10、光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象。,光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積及散熱條件等因素有關(guān)。,電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其IU曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關(guān)，而與電壓、電流無關(guān)。,（2）光照特性：在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的光照特性 。如右圖所示。,（3）光譜特性：光敏電阻對于不同波長l 的入射光，其相對靈敏度Kr是不同的。如右圖所示。,光敏電阻的光電特性呈非線性，因此不適宜做連續(xù)量的檢測元件。,（4）頻率特性：相對靈敏度Kr與光強(qiáng)度變化頻率f之間的關(guān)系曲線 。,圖 光敏電阻的頻率特性,光電導(dǎo)的馳豫現(xiàn)象：光電流的變化對于光的變化，在時

11、間上有一個滯后，光敏電阻有時延特性。,圖 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性,（5）溫度特性,溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)特性，隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動。,圖 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性,光敏二極管是基于半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)的原理制成的光敏元件。在不受光照射時，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；受光照射時，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。,6.7.2 光敏晶體管,1、光敏二極管,定義：,是一種利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件。,結(jié)構(gòu)：,原理：,2、光敏三極管,結(jié)構(gòu)：與一般三極管很相似，具有兩個PN結(jié)，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。,原理：光照射在集電結(jié)上時，形成光電流，相當(dāng)于三極

12、管的基極電流。因而集電極電流是光生電流的倍，所以光敏三極管有放大作用。,3、基本特性, 光譜特性,應(yīng)用：光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。但對紅外光進(jìn)行探測時，鍺管較為適宜。, 伏安特性,結(jié)論：光敏晶體管的光電流比相同管型二極管大上百倍。, 光照特性, 溫度特性,結(jié)論：光敏二極管的光照特性曲線的線性較好。,結(jié)論：在電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。,頻率響應(yīng),具有一定頻率的調(diào)制光照射時，光敏管輸出的光電流（或負(fù)載上的電壓）隨頻率的變化關(guān)系。,硅光敏晶體管的頻率響應(yīng),6.7.3 光電傳感器的類型及其應(yīng)用,1、光電傳感器的組成,2、光電傳感器的應(yīng)用形式,按其輸出量性質(zhì)可

13、分為：模擬輸出型光電傳感和數(shù)字輸出型光電傳感器兩大類。,光電式傳感器的測量應(yīng)用可分為以下四種基本形式。,光電傳感器的測量形式,1-被測量，2-光電元件，3-恒光源,3、光電轉(zhuǎn)換電路,（1）光敏電阻測量電路 （2）光敏二極管測量電路,（3）光電池測量電路,（4）光電元件集成運(yùn)放電路,4、光電傳感器的應(yīng)用,（1）光電式帶材跑偏檢測器,該檢測器是用來檢測帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向，從而為糾偏控制電路提供糾偏信號。,主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過程中。,（2）煙塵源監(jiān)測系統(tǒng),煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道內(nèi)傳輸過程中的變化大小來檢測的。,光檢測器輸出信號的強(qiáng)弱可反映煙道濁度的變化。

14、,（3）包裝填充物高度檢測,（4）光電耦合器,（5）脈沖編碼器,（6）光電轉(zhuǎn)速傳感器,圖 光電轉(zhuǎn)速表原理圖,圖 光電脈沖轉(zhuǎn)換電路,轉(zhuǎn)速n與脈沖頻 率 f 的關(guān)系式為： n = 60 f / N,（6）太陽能電池電源,（7）光電報警電路,（8）光電開關(guān),光電開關(guān)器件是以光電元件、三極管為核心，配以繼電器組成的一種電子開關(guān)。當(dāng)開關(guān)中的光敏元件受到一定強(qiáng)度的光照射時就會產(chǎn)生開關(guān)動作。,光電開關(guān)可分為兩類：遮斷型和反射型。如下圖（a）所示為遮斷型；反射型分為兩種情況：反射鏡反射型和被測物體反射型（簡稱散射型），如下圖（b）、（c）所示。,1發(fā)射器；2接收器；3被測物；4反射鏡 圖 光電開關(guān)類型及應(yīng)用,

15、（9） 光電斷續(xù)器 光電斷續(xù)器的工作原理與光電開關(guān)的相同，但其光電發(fā)射器、接收器放置于一個體積很小的塑料殼體中，所以兩者能可靠地對準(zhǔn)，其外形如下圖所示。光電斷續(xù)器也可分為遮斷型和反射型兩種。,1發(fā)光二極管；2紅外光；3光電元件；4槽；5被測物 圖 光電斷續(xù)器,小 結(jié) 光電式傳感器是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器，它的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)。光電測量方法一般具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。光電效應(yīng)可分為內(nèi)光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)和光生電動勢效應(yīng)等。 本節(jié)還詳細(xì)介紹了光電管、光敏電阻、光電池等光電元件的工作原理及其基本特性，以及光電式傳感器的一些典型應(yīng)用。,光敏元

16、件特性比較,CCD傳感器,CCD：電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)，并借助于計算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。,CMOS：互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體CMOS（Complementary Metal

17、-Oxide Semiconductor）和CCD一樣同為在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。CMOS的制造技術(shù)和一般計算機(jī)芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N（帶電） 和 P（帶+電）級的半導(dǎo)體，這兩個互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。然而，CMOS的缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn), 這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計使CMOS在處理快速變化的影像時，由于電流變化過于頻繁而會產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。,CCD的優(yōu)勢在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所以導(dǎo)致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價格非常高昂。在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，但是CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。到目前為止，市面上絕大多數(shù)的消費(fèi)級別以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用CCD作為感應(yīng)器；CMOS感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上，若有哪家攝像頭廠商生