第11章 光電式傳感器

1、第第十一十一章章 光電式傳感器光電式傳感器11.1 11.1 光電器件光電器件111.2 11.2 電耦合器件電耦合器件11.3 11.3 紅外傳感器紅外傳感器32概概 述述 光電式傳感器是將光電式傳感器是將光通量光通量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電電量量的一種傳感器，光電式傳感器的基礎(chǔ)的一種傳感器，光電式傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)光電效應(yīng)。由于光電。由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，具測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，具有非接觸、高精度、高可靠性和反應(yīng)快有非接觸、高精度、高可靠性和反應(yīng)快等特點，使得光電傳感器在檢測和控制等特點，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。領(lǐng)

2、域獲得了廣泛的應(yīng)用。11.1 光電器件 光電器件是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。光電器件是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。光電式傳感器的工作原理如圖所示：首先把被光電式傳感器的工作原理如圖所示：首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。 圖中圖中x1表示被測量能直接引起光量變化的檢表示被測量能直接引起光量變化的檢測方式；測方式；x2表示被測量在光傳播過程中調(diào)制光量表示被測量在光傳播過程中調(diào)制光量的檢測方式的檢測方式。 圖圖 光電式傳感器的工作原理光電式傳感器的工作原理11.1 光電器件11.1.1 光電

3、效應(yīng)光電效應(yīng)光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為應(yīng)分為外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)和和內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。兩大類。 1外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管就屬稱為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管就屬于這類光電器件。于這類光電器件。我們知道，光子是具有能量的粒子，每個光子我們知道，光子是具有能量的粒子，每個光子具有的能量由下式確定：具有的能量由下式確定： Ehv式中：式中：h h普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.6266.62610 10 （JsJs）；

4、）； 光的頻率（光的頻率（s s ）。）。34111.1 光電器件若物體中電子吸收的入射光的能量足以克若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服服逸出功逸出功A0時，電子就逸出物體表面，產(chǎn)時，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。故要使一個電子逸出，則生電子發(fā)射。故要使一個電子逸出，則光光子能量子能量h必須超出必須超出逸出功逸出功A0，超過部分的，超過部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動能。即能量，表現(xiàn)為逸出電子的動能。即 式中：式中：m電子質(zhì)量；電子質(zhì)量；v0電子電子逸出速度。逸出速度。該方程稱為該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程愛因斯坦光電效應(yīng)方程。 20012hvmvA11.1 光電器件由式可知：光電子能

5、否產(chǎn)生，取決于由式可知：光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是光子的能量是否大于否大于該物體的表面該物體的表面電子逸出功電子逸出功A0。不同物體具有。不同物體具有不同的逸出功，這意味著每一個物體都有一個對應(yīng)不同的逸出功，這意味著每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閥值，稱為的光頻閥值，稱為紅限頻率紅限頻率或或波長限波長限。光線頻率小。光線頻率小于于紅限頻率紅限頻率的入射光，光強再大也不會逸出光電子。的入射光，光強再大也不會逸出光電子。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強光電流與光強成正比成正比。光電子逸出物體表面具有初始動能，因此外光電效光電子逸出物體表面具有初始動

6、能，因此外光電效應(yīng)器件，如光電管即使沒有加陽極電壓，也會有光應(yīng)器件，如光電管即使沒有加陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生。電流產(chǎn)生。11.1 光電器件2內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)受受光照光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。動勢的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類。光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下，電子吸收光子能：在光線作用下，電子吸收光子能量而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱為光電量而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的器件有光敏電阻等。導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的器件有光敏電阻等。11.

7、1 光電器件當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若這個光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若這個光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強，光電導(dǎo)材料價帶體材料，而且光輻射能量又足夠強，光電導(dǎo)材料價帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，如圖所示：上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，如圖所示： 圖：電子能級示意圖圖：電子能級示意圖從而使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的導(dǎo)電從而使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的導(dǎo)電率變大。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光率變大。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的電導(dǎo)材料的禁帶寬度禁帶寬度E Eg g，即：，即：1.24ghchvE11.

8、1 光電器件光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)：在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生：在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。基于該效應(yīng)的器件有一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。光電池和光敏晶體管等。 勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） 接觸的半導(dǎo)體和接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。 側(cè)向光電效應(yīng)側(cè)向光電效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，由載流子當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，由載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。 11.

9、1 光電器件11.1.2 光電管光電管1結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 光電管是外光電效應(yīng)的器件，光電管是外光電效應(yīng)的器件，有真空光電管和充氣光電管有真空光電管和充氣光電管兩類。兩類。光電陰極通常是用逸出功小光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對準(zhǔn)光壁上做成，其感光面對準(zhǔn)光 圖圖 光電管的結(jié)構(gòu)光電管的結(jié)構(gòu)的照射孔。當(dāng)光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些的照射孔。當(dāng)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(nèi)形成空間電子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，在外電路就產(chǎn)生電流。流，在外電

10、路就產(chǎn)生電流。 11.1 光電器件2主要性能主要性能（1）光電管的伏安特性）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對光電器件的在一定的光照射下，對光電器件的陽極所加電壓陽極所加電壓與與陰極所產(chǎn)生的陰極所產(chǎn)生的電流電流之間的之間的關(guān)系關(guān)系稱為稱為光電管的伏安特性光電管的伏安特性。真空光電管真空光電管和和充氣光電管充氣光電管的伏安特性分別如圖（的伏安特性分別如圖（a） 和（和（b）所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。）所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。 圖圖 光電管的伏安特性光電管的伏安特性11.1 光電器件（2）光電管的光照特性：通常指當(dāng)光電管的）光電管的光照特性：通常指當(dāng)光電管的陽極和陰

11、極之間的所加電壓一定時，光通量陽極和陰極之間的所加電壓一定時，光通量和光電流之間的關(guān)系為和光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性光電管的光照特性。光電管光電管陰極材料不同，其光照特性也不同陰極材料不同，其光照特性也不同。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光通量光照特性曲線的斜率（光電流與入射光通量之比稱為光電管的靈敏度。之比稱為光電管的靈敏度。11.1 光電器件（3）光電管光譜特性）光電管光譜特性一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率紅限頻率v0，因此它們可用于不同的光譜范圍。，因此它們可用于不同的光譜范圍。即使照射在陰極上的入射光的頻率

12、高于紅限頻率即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率v0，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，光電子的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻率即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。光電陰極。11.1 光電器件11.1.3 光電倍增管光電倍增管1結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)與原理 光電倍增管也是基于光電倍增管也是基于外光電效應(yīng)的器件。外光電效應(yīng)的器件。由于真空光電

13、管的靈由于真空光電管的靈敏度較低，因此人們敏度較低，因此人們便研制了光電倍增管，便研制了光電倍增管，其工作原理如圖所其工作原理如圖所示。示。 圖：光電倍增管的外型和工作原理圖：光電倍增管的外型和工作原理11.1 光電器件2主要參數(shù)主要參數(shù)（1）倍增系數(shù)倍增系數(shù)M倍增系數(shù)倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射電子等于各倍增電極的二次電子發(fā)射電子i的乘積。如的乘積。如果果n個倍增電極的個倍增電極的i都一樣，則都一樣，則M=i ，因此，陽極電流，因此，陽極電流I為：為： M與所加電壓有關(guān)，一般在與所加電壓有關(guān)，一般在10 10 之間。如果電壓有波動，之間。如果電壓有波動，倍增系數(shù)也要波動，因此倍增系

14、數(shù)也要波動，因此M具有一定的統(tǒng)計漲落。一般陽極和具有一定的統(tǒng)計漲落。一般陽極和陰極的電壓為陰極的電壓為1000V2500V，兩個相鄰的倍增電極的電壓差，兩個相鄰的倍增電極的電壓差為為50V100V。niIin5811.1 光電器件（2）陰極靈敏度和總靈敏度）陰極靈敏度和總靈敏度一個光子在陰極上能夠打出一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。而一個光子在陽極上的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。 光電倍增管的放大倍數(shù)或總光電倍增管的放大倍數(shù)或總 靈敏度如圖所示。極間電壓靈敏度如圖

15、所示。極間電壓 越高，靈敏度越高；但極間越高，靈敏度越高；但極間 電壓也不能太高，太高反而電壓也不能太高，太高反而 會使陽極電流不穩(wěn)。另外，會使陽極電流不穩(wěn)。另外， 由于光電倍增管的靈敏很高，由于光電倍增管的靈敏很高， 所以不能受強光照射，否則所以不能受強光照射，否則 將會損壞。將會損壞。圖圖 光電倍增管的特性曲線光電倍增管的特性曲線11.1 光電器件（3）光譜特性）光譜特性光電倍增管的光譜特性與相同材料光電管的光譜特性光電倍增管的光譜特性與相同材料光電管的光譜特性很相似。很相似。（4）暗電流及本底電流）暗電流及本底電流當(dāng)管子不受光照，但極間加入電壓時在陽極上會收集當(dāng)管子不受光照，但極間加入電

16、壓時在陽極上會收集到電子，這時的電流稱為暗電流，。到電子，這時的電流稱為暗電流，。如果光電倍增管與閃爍體放在一起，在完全避光情況如果光電倍增管與閃爍體放在一起，在完全避光情況下，出現(xiàn)的電流稱本底電流，其值大于暗電流。增加下，出現(xiàn)的電流稱本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的。本底電流發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的。本底電流具有脈沖形式，因此也成為本底脈沖。具有脈沖形式，因此也成為本底脈沖。11.1 光電器件11.1.4 光敏電阻光敏電阻1光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻

17、的結(jié)構(gòu)與工作原理 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是內(nèi)光電效應(yīng)器件，光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是內(nèi)光電效應(yīng)器件，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻器以硫化隔制成，所以簡稱為敏電阻器以硫化隔制成，所以簡稱為CDS。 光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，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。使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。中電流（暗電流）很小。11.1 光電器件 當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值當(dāng)光敏電

18、阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大。一般希（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時光敏電阻的靈越好，此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級，暗電阻值一般在兆歐級，亮電阻在幾千歐以下。亮電阻在幾千歐以下。 圖為光敏電阻的原理圖為光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 圖圖 光敏電阻結(jié)構(gòu)光敏電阻結(jié)構(gòu)11.1 光電器件2光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù)（1）暗電阻暗電阻光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻，光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱

19、為暗電流。此時流過的電流稱為暗電流。（2）亮電阻）亮電阻光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。此時流過的電流稱為亮電流。（3）光電流）光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。11.1 光電器件3光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性（1） 伏安特性伏安特性 在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。 圖為硫化鎘光敏電阻的伏安圖為硫化鎘光敏電阻的伏安 特性曲線。由圖可見，光敏特性曲線。由圖可

20、見，光敏 電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，電阻在一定的電壓范圍內(nèi)， 其其I-U曲線為直線，說明其曲線為直線，說明其 阻值與入射光量有關(guān)，而與阻值與入射光量有關(guān)，而與 電壓、電流無關(guān)。電壓、電流無關(guān)。 圖：硫化鎘光敏電阻的伏安特性圖：硫化鎘光敏電阻的伏安特性11.1 光電器件（2）光譜特性）光譜特性光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。為光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。 圖為幾種不同材料圖為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。光敏電阻的光譜特性。對應(yīng)于不同波長，光對應(yīng)于不同波長，光敏電阻的靈敏度是不敏電阻的靈敏度是不同的。同的。 圖：光敏電

21、阻的光譜特圖：光敏電阻的光譜特性性11.1 光電器件（3）光照特性）光照特性光敏電阻的光照特性是光敏電阻的光電流與光強光敏電阻的光照特性是光敏電阻的光電流與光強之間的關(guān)系，如圖所示。之間的關(guān)系，如圖所示。由于光敏電阻的光照由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，不宜作為測量元件，一般在自動控制系統(tǒng)一般在自動控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電中常用作開關(guān)式光電信號傳感元件。信號傳感元件。 圖：光敏電阻的光照特性圖：光敏電阻的光照特性11.1 光電器件（4）溫度特性）溫度特性光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時，它的光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時，它的暗電阻和靈敏

22、度都下降。暗電阻和靈敏度都下降。溫度變化影響光敏電溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)，尤其阻的光譜響應(yīng)，尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度化鉛光敏電阻受溫度影響更大。圖為硫化影響更大。圖為硫化 鉛光敏電阻的光譜溫鉛光敏電阻的光譜溫 度特性曲線。度特性曲線。圖圖 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線 11.1 光電器件（5）光敏電阻的響應(yīng)時間和頻率特性）光敏電阻的響應(yīng)時間和頻率特性實驗證明，光電流的變化對于光的變化，在時間上有實驗證明，光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后，通常用時間常數(shù)一個滯后，通常用時間常數(shù)t來描述，這叫做光電導(dǎo)的來描述

23、，這叫做光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象。所謂時間常數(shù)即為光敏電阻自停弛豫現(xiàn)象。所謂時間常數(shù)即為光敏電阻自停 止光照起到電流下降到原來的止光照起到電流下降到原來的 63%所需的時間，因此，所需的時間，因此，t越小，越小， 響應(yīng)越迅速，但大多數(shù)光敏電響應(yīng)越迅速，但大多數(shù)光敏電 阻的時間常數(shù)都較大，這是它阻的時間常數(shù)都較大，這是它 的缺點之一。圖所示為硫化鎘的缺點之一。圖所示為硫化鎘 和硫化鉛的光敏電阻的頻率特性。和硫化鉛的光敏電阻的頻率特性。 圖圖 光敏電阻的頻率特性光敏電阻的頻率特性11.1 光電器件4光敏電阻基本應(yīng)用電路光敏電阻基本應(yīng)用電路 在圖所示的電路中，在圖所示的電路中， 我們利用光敏電阻將我們利用光

24、敏電阻將 光線的強弱變?yōu)殡娮韫饩€的強弱變?yōu)殡娮?值的變化，以達(dá)到光值的變化，以達(dá)到光 控制電路的目的?？刂齐娐返哪康摹?圖：圖：CDS 實驗電路實驗電路11.1 光電器件11.1.5 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管1結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理光敏二極管的結(jié)光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透相似。它裝在透明玻璃外殼中，明玻璃外殼中， 圖：光敏二極管的結(jié)構(gòu)原理圖：光敏二極管的結(jié)構(gòu)原理 其其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射（見圖結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射（見圖a）。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)）。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)（見圖（見圖

25、b所示），在沒有光照射時，反向電阻很大，所示），在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流。反向電流很小，這反向電流稱為暗電流。 11.1 光電器件 如如圖所示為圖所示為NPN型光型光敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路。大圖和基本電路。大多數(shù)光敏晶體管的多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當(dāng)基極無引出線，當(dāng)集電極加上相對于集電極加上相對于 圖：圖：NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓；當(dāng)光照射在集電結(jié)上時，就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子壓；當(dāng)光照射在集電結(jié)

26、上時，就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對，從而形成光電流，相當(dāng)于三極管的基極電空穴對，從而形成光電流，相當(dāng)于三極管的基極電流。由于基極電流的增加，因此集電極電流是光生電流。由于基極電流的增加，因此集電極電流是光生電流的流的倍，所以光敏晶體管有放大作用。倍，所以光敏晶體管有放大作用。11.1 光電器件2基本特性基本特性（1）光譜特性）光譜特性 光敏二極管和晶體管的光光敏二極管和晶體管的光譜特性曲線如圖譜特性曲線如圖所示。所示。從曲線可以看出，硅的峰從曲線可以看出，硅的峰值波長約為值波長約為0.9m，鍺的，鍺的峰值波長約為峰值波長約為1.5m，此此 特性時靈敏度最大，而當(dāng)入射光的波長增加或縮短特性時靈敏

27、度最大，而當(dāng)入射光的波長增加或縮短 時，相對靈敏度也下降。一般來講，鍺管的暗電流較時，相對靈敏度也下降。一般來講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體大，因此性能較差，故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。但對紅外光進行探測時，鍺管較時，一般都用硅管。但對紅外光進行探測時，鍺管較為適宜。為適宜。 圖：光敏晶體（二）級管的光譜圖：光敏晶體（二）級管的光譜11.1 光電器件（2）伏安特性）伏安特性圖為硅光敏管在圖為硅光敏管在 不同照度下的伏不同照度下的伏 安特性曲線。從安特性曲線。從 圖中可見，光敏圖中可見，光敏 晶體管的光電流晶體管的光電流 比相同管型的二比相同管

28、型的二 極管大上百倍。極管大上百倍。 圖：硅光敏管的伏安特性圖：硅光敏管的伏安特性11.1 光電器件（3）溫度特性）溫度特性 光敏晶體管的光敏晶體管的溫度特性是指溫度特性是指其暗電流及光其暗電流及光電流與溫度的電流與溫度的關(guān)系。光敏晶關(guān)系。光敏晶體管的溫度特體管的溫度特 圖：光敏晶體管的溫度特性圖：光敏晶體管的溫度特性性曲線如圖所示。從特性曲線可以看出，溫度變化對光性曲線如圖所示。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大，所以在電子線路電流影響很小，而對暗電流影響很大，所以在電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償，否則將會導(dǎo)

29、致輸出誤差。11.1 光電器件圖：光電池工作原理圖：光電池工作原理11.1 光電器件1基本特性基本特性（1）光譜特性）光譜特性 光電池對不同波長的光的靈敏度光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。是不同的。圖為硅光電池和圖為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從圖硒光電池的光譜特性曲線。從圖中可知，不同材料的光電池，光中可知，不同材料的光電池，光 響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長是響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長是 不同的，硅光電池在不同的，硅光電池在0.8m附近，硒光電池在附近，硒光電池在0.5m附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長范圍為附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長范圍為0.41.2m，而硒光電池的范圍只能為而硒光

30、電池的范圍只能為0.380.75m?？梢姽韫怆?。可見硅光電池可以在很寬的波長范圍內(nèi)得到應(yīng)用。池可以在很寬的波長范圍內(nèi)得到應(yīng)用。圖：光電池的光譜特性譜圖：光電池的光譜特性譜11.1 光電器件（2）光照特性）光照特性 光電池在不同光照度下，光電池在不同光照度下，光電流和光生電動勢是光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關(guān)不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。圖系就是光照特性。圖為硅光電池的開路為硅光電池的開路電壓和短路電流與光照電壓和短路電流與光照的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。 圖：硅光電池的光照特性圖：硅光電池的光照特性11.1 光電器件（3）溫度特性）溫度特性 光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和

31、短路電光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，器或設(shè)備的溫度漂移，影響到測量精度或控影響到測量精度或控制精度等重要指標(biāo)，制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電因此溫度特性是光電池的重要特性之一。池的重要特性之一。光電池的溫度特性如光電池的溫度特性如圖所示。圖所示。 圖：硅光電池的溫度特性圖：硅光電池的溫度特性11.1 光電器件（4）頻率特性）頻率特性光電池的頻率特性就是反光電池的頻率特性就是反映光的交變頻率和光電池映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系，如圖輸出電流的關(guān)系，如圖所示

32、。從曲線可以看所示。從曲線可以看出，硅光電池有很高的頻出，硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用在高速計率響應(yīng)，可用在高速計數(shù)、有聲電影等方面。這數(shù)、有聲電影等方面。這就是硅光電池在所以光電就是硅光電池在所以光電元件中最為突出的優(yōu)點。元件中最為突出的優(yōu)點。圖：光電池的頻率特性圖：光電池的頻率特性 11.1 光電器件 2應(yīng)用電路應(yīng)用電路光電池轉(zhuǎn)換電路如圖所示，能將光的照度轉(zhuǎn)換為電光電池轉(zhuǎn)換電路如圖所示，能將光的照度轉(zhuǎn)換為電壓形式輸出，本電路所使用的光電池，其外型是由壓形式輸出，本電路所使用的光電池，其外型是由四個相同四個相同的光電池的光電池串聯(lián)而成，串聯(lián)而成，其開路電其開路電壓約為壓約為2V，短路電流短

33、路電流約為約為0.08Al x。 圖：光電池轉(zhuǎn)換電路圖：光電池轉(zhuǎn)換電路11.1 光電器件 由光電池特性得知，光電池的由光電池特性得知，光電池的開路電壓開路電壓Vop與入與入射光強度的對數(shù)成正比，成非線性關(guān)系，而短路射光強度的對數(shù)成正比，成非線性關(guān)系，而短路電流電流Ish卻是與照度成正比，所以一般轉(zhuǎn)換電路卻是與照度成正比，所以一般轉(zhuǎn)換電路大都采用短路電流做轉(zhuǎn)換，而不采用開路電壓。大都采用短路電流做轉(zhuǎn)換，而不采用開路電壓。圖的圖的U1為一個電流為一個電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，可將光電池電壓轉(zhuǎn)換電路，可將光電池的短路電流轉(zhuǎn)換成電壓。因運算放大器有虛接地的短路電流轉(zhuǎn)換成電壓。因運算放大器有虛接地的特性，且光

34、電池接在運算放大器的正負(fù)兩端相的特性，且光電池接在運算放大器的正負(fù)兩端相當(dāng)于光電池短路。又因運算放大器的輸入電流幾當(dāng)于光電池短路。又因運算放大器的輸入電流幾乎為零，所以全部的乎為零，所以全部的Ish流到流到R6與與R7，使，使U1的輸?shù)妮敵鲭妷撼鲭妷篤1=Ish(R6+R7)。所以可調(diào)整。所以可調(diào)整R7的大小，的大小，使得輸出電壓為使得輸出電壓為1mVl x，這種調(diào)整方式，稱為，這種調(diào)整方式，稱為擴展率調(diào)整擴展率調(diào)整( Span adjust)。11.1 光電器件若現(xiàn)場含有若現(xiàn)場含有AC110V，60Hz的交流成分的交流成分存在。由存在。由R8(10K)，C1(10F)所組成的低所組成的低通濾

35、波器，可將通濾波器，可將120Hz的交流成分濾除，的交流成分濾除，使得轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓為平均照度的使得轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓為平均照度的電壓信號。而電壓信號。而U2為一電壓跟隨器為一電壓跟隨器（AV1），作為緩沖器。），作為緩沖器。11.1 光電器件11.1.7 光電耦合器件光電耦合器件光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通信號的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管，光電接收元件有光常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管，光電接收元

36、件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關(guān)。光電開關(guān)。 11.1 光電器件圖：光電耦合器組合形式圖：光電耦合器組合形式11.1 光電器件2光電開關(guān)光電開關(guān)光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某光加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出得最終的控制輸

37、出“開開”、“關(guān)關(guān)”信號的器信號的器件。件。 圖：光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖：光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)11.1 光電器件 圖（圖（a）是一種透射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元）是一種透射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。當(dāng)不透明的物體位件和接收元件的光軸是重合的。當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時，會阻斷光路，使接收元件接于或經(jīng)過它們之間時，會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，這樣起到檢測作用。收不到來自發(fā)光元件的光，這樣起到檢測作用。 圖（圖（b）是一種反射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元）是一種反射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，件和接收元件的光軸在同一平

38、面且以某一角度相交，交點一般即為待測物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過時，接交點一般即為待測物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過時，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時則接收不到。光電開關(guān)的特點是小型、高速、非接則接收不到。光電開關(guān)的特點是小型、高速、非接觸，而且與觸，而且與TTL、MOS等電路容易結(jié)合。等電路容易結(jié)合。11.1 光電器件用光電開關(guān)檢測物體時，大部分只要求其輸出用光電開關(guān)檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有信號有“高高-低低”（1-0）之分即可。圖是基本）之分即可。圖是基本電路的示例。（電路的示例。（a）、（）、（b）表示負(fù)載為）表示負(fù)載為CMOS比

39、較器等高輸入阻抗電路時的情況，（比較器等高輸入阻抗電路時的情況，（c）表）表示用晶體管放大光電流的情況。示用晶體管放大光電流的情況。圖：光電開關(guān)的基本電路圖：光電開關(guān)的基本電路光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置。中作光控制和光探測裝置。11.2 電偶合器件11.2電荷耦合器件電荷耦合器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（Charge Couple Device，簡，簡稱稱CCD）是一種金屬氧化物半導(dǎo)體（）是一種金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成）集成電路器件。電路器件。 它以它以電荷電荷作為信號，基本功能是進行作為

40、信號，基本功能是進行電荷的存電荷的存儲儲和和電荷的轉(zhuǎn)移電荷的轉(zhuǎn)移。 CCD自自1970年問世以來，由于其低噪聲等特年問世以來，由于其低噪聲等特點而發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于在微光電視攝像、信息點而發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于在微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面。存儲和信息處理等方面。一、一、 CCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)構(gòu)成構(gòu)成CCD的基本單元是的基本單元是MOS電容器電容器，如圖所示。，如圖所示。與其它電容器一樣，與其它電容器一樣，MOS電容器能夠存儲電荷電容器能夠存儲電荷 。 MOS基本單元是在基本單元是在P型或型或N型的硅半導(dǎo)體襯底上覆型的硅半導(dǎo)體襯底上覆蓋一層約蓋一層約120nm的的SiO2，在其表面依次沉積

41、一層，在其表面依次沉積一層金屬金屬電極電極構(gòu)成。這樣的一個構(gòu)成。這樣的一個MOS結(jié)構(gòu)稱為一個結(jié)構(gòu)稱為一個光光敏元敏元或一個或一個像素像素。圖：圖：MOSMOS電容器的結(jié)構(gòu)電容器的結(jié)構(gòu)11.2 電偶合器件一、一、CCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 根據(jù)不同要求將根據(jù)不同要求將MOS陣列加上陣列加上輸入輸入、輸出輸出結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了就構(gòu)成了CCD器件。器件。 如果如果MOS電容器中的半導(dǎo)體是電容器中的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金型硅，當(dāng)在金屬電極上施加一個正電壓時，在其電極下形成帶負(fù)屬電極上施加一個正電壓時，在其電極下形成帶負(fù)電荷的所謂電荷的所謂耗盡層耗盡層，由于那里的，由于那里的電子勢能很低電子勢能很低，形，形成了成了表

42、面勢阱表面勢阱，如圖所示，成為蓄積電荷的場所。，如圖所示，成為蓄積電荷的場所。圖：勢阱的形成圖：勢阱的形成11.2 電偶合器件 對于對于P型硅襯底的型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，耗盡區(qū)的器件，電極加正偏壓時，耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子少數(shù)載流子（電子）被吸收（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)形成電荷包形成電荷包（勢阱勢阱）。）。 對于對于N型硅襯底的型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，少數(shù)載流器件，電極加正偏壓時，少數(shù)載流子為子為空穴空穴。 CCD電荷的產(chǎn)生有兩種方式：電荷的產(chǎn)生有兩種方式：電注入電注

43、入和和光注入光注入。 CCD用作光學(xué)圖像傳感器時，采用光注入。用作光學(xué)圖像傳感器時，采用光注入。即光信號照在即光信號照在CCD硅片上，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子空穴對，硅片上，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子空穴對，多數(shù)空穴流入襯底，少數(shù)電子被收集在勢阱中，形成儲存電荷。多數(shù)空穴流入襯底，少數(shù)電子被收集在勢阱中，形成儲存電荷。儲存電荷正比于照射的光強；儲存電荷正比于照射的光強； CCD用作信號處理或儲存器件時，采用電注入。用作信號處理或儲存器件時，采用電注入。即即CCD通過通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電流采樣，并轉(zhuǎn)換為電荷信號。注入電荷輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電流采樣，并轉(zhuǎn)換為電荷信號。注入

44、電荷量量QIDt （ t 正脈沖的寬度正脈沖的寬度） 二、二、CCD電荷的產(chǎn)生電荷的產(chǎn)生11.2 電偶合器件三、三、CCD電荷的轉(zhuǎn)移電荷的轉(zhuǎn)移 外加在外加在MOS電容器上的電壓越高，產(chǎn)生的勢阱越深電容器上的電壓越高，產(chǎn)生的勢阱越深；外加電外加電壓一定，勢阱深度隨勢阱中電荷量的增加而線性下降壓一定，勢阱深度隨勢阱中電荷量的增加而線性下降。 利用此特性，通過控制相鄰的利用此特性，通過控制相鄰的MOS電容柵極電壓的高低來調(diào)電容柵極電壓的高低來調(diào)節(jié)勢阱的深淺，讓節(jié)勢阱的深淺，讓MOS電容間排列足夠緊密，使相鄰電容間排列足夠緊密，使相鄰MOS電容電容的勢阱相互溝通，即相互耦合，就可以使的勢阱相互溝通，即

45、相互耦合，就可以使電荷由勢阱淺處流向勢電荷由勢阱淺處流向勢阱深處，實現(xiàn)信號電荷的轉(zhuǎn)移阱深處，實現(xiàn)信號電荷的轉(zhuǎn)移。 電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進電極的步進控制方式。電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進電極的步進控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程，見下圖?？刂齐姾啥ㄏ蜣D(zhuǎn)移的過程，見下圖。11.2 電偶合器件11.2 電偶合器件電荷轉(zhuǎn)移過程電荷轉(zhuǎn)移過程四、四、CCDCCD電荷的輸出電荷的輸出 輸出端被讀出有兩種方式：利用二極管的輸出結(jié)輸出端被讀出有兩種方式：利用二極管的輸出結(jié)構(gòu)和浮置柵構(gòu)

46、和浮置柵MOSMOS管輸出，如書管輸出，如書P204P204圖圖10107 7所示。所示。11.2 電偶合器件五、五、CCD固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器電荷耦合器件用于固態(tài)圖像傳感器中，作為攝像或像敏的器電荷耦合器件用于固態(tài)圖像傳感器中，作為攝像或像敏的器件。件。CCD固態(tài)圖像傳感器由固態(tài)圖像傳感器由感光部分感光部分和和移位寄存器移位寄存器組成。感組成。感光部分是指在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干光敏單元組成的光部分是指在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干光敏單元組成的陣列元件，光敏單元簡稱陣列元件，光敏單元簡稱“像素像素”。固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電光電轉(zhuǎn)換功能將投射到

47、光敏轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元的單元的光學(xué)圖像光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成電信號電信號“圖像圖像”，即將光強的即將光強的空間分空間分布布轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)換為與光強光強成比例的、大小不等的成比例的、大小不等的電荷包電荷包空間分布，然空間分布，然后利用后利用移位寄存器移位寄存器的移位功能將電信號的移位功能將電信號“圖像圖像”轉(zhuǎn)送，經(jīng)輸轉(zhuǎn)送，經(jīng)輸出放大器輸出。出放大器輸出。 11.2 電偶合器件根據(jù)光敏元件排列形式的不同，根據(jù)光敏元件排列形式的不同，CCD固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器可分為可分為線型線型和和面型面型兩種。兩種。（1） 線型線型CCD圖像傳感器獲取線圖像圖像傳感器獲取線圖像典型的線型典型的線型CCD圖

48、像傳感器由一列光敏元件和兩列電圖像傳感器由一列光敏元件和兩列電荷轉(zhuǎn)移部件組成，在它們之間設(shè)置一個轉(zhuǎn)移控制柵，荷轉(zhuǎn)移部件組成，在它們之間設(shè)置一個轉(zhuǎn)移控制柵，如圖所示。如圖所示。 圖：線型圖：線型CCDCCD圖像傳感器圖像傳感器11.2 電偶合器件（2）面型）面型CCD圖像傳感器獲取面圖像圖像傳感器獲取面圖像按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構(gòu)按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構(gòu)成面型成面型CCD圖像傳感器。圖像傳感器。 面型面型CCD圖像傳感器有三種基本類型：線轉(zhuǎn)移、幀轉(zhuǎn)移和隔列轉(zhuǎn)移。如圖。圖像傳感器有三種基本類型：線轉(zhuǎn)移、幀轉(zhuǎn)移和隔列

49、轉(zhuǎn)移。如圖。 圖：線轉(zhuǎn)移面型圖：線轉(zhuǎn)移面型CCD的結(jié)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)圖 11.2 電偶合器件圖圖a：幀轉(zhuǎn)移面型：幀轉(zhuǎn)移面型CCD的結(jié)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)圖 圖圖b：隔離轉(zhuǎn)移型：隔離轉(zhuǎn)移型 CCD的結(jié)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)圖 11.2 電偶合器件六、固態(tài)圖像傳感器的主要特性參數(shù)（書六、固態(tài)圖像傳感器的主要特性參數(shù)（書P214）光電轉(zhuǎn)換特性光電轉(zhuǎn)換特性分辨率分辨率輸出飽和特性輸出飽和特性暗電流暗電流 靈敏度靈敏度光譜響應(yīng)及背面照光光譜響應(yīng)及背面照光11.2 電偶合器件七、七、CCD圖像傳感器應(yīng)用圖像傳感器應(yīng)用前面介紹的前面介紹的CCD具有將具有將光像光像轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電荷分布電荷分布，以及，以及電荷的電荷的存儲存儲和和轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移

50、等功能，所以它是構(gòu)成等功能，所以它是構(gòu)成CCD固態(tài)固態(tài)圖像傳感器的主要圖像傳感器的主要光敏器件光敏器件，取代了攝像裝置中的，取代了攝像裝置中的光學(xué)掃描系統(tǒng)或電子束掃描系統(tǒng)。光學(xué)掃描系統(tǒng)或電子束掃描系統(tǒng)。CCD圖像傳感器具有高分辨力和高靈敏度，具有較圖像傳感器具有高分辨力和高靈敏度，具有較寬的動態(tài)范圍，這些特點決定了它可以廣泛用于自寬的動態(tài)范圍，這些特點決定了它可以廣泛用于自動控制和自動測量，尤其適用于圖像識別技術(shù)。動控制和自動測量，尤其適用于圖像識別技術(shù)。11.2 電偶合器件CCD圖像傳感器在檢測物體的位置、工件尺寸的精圖像傳感器在檢測物體的位置、工件尺寸的精確測量及工件缺陷的檢測方面有獨到之

51、處。確測量及工件缺陷的檢測方面有獨到之處。 圖為應(yīng)用線型圖為應(yīng)用線型CCD圖像傳感器測量物體尺寸系統(tǒng)。圖像傳感器測量物體尺寸系統(tǒng)。圖：圖：CCDCCD圖像傳感器工件尺寸檢測系統(tǒng)圖像傳感器工件尺寸檢測系統(tǒng)11.2 電偶合器件物體成像聚焦在圖像傳感器的光敏面上，視頻處理器物體成像聚焦在圖像傳感器的光敏面上，視頻處理器對輸出的視頻信號進行存儲和數(shù)據(jù)處理，整個過程由對輸出的視頻信號進行存儲和數(shù)據(jù)處理，整個過程由微機控制完成。根據(jù)幾何光學(xué)原理，可以推導(dǎo)被測物微機控制完成。根據(jù)幾何光學(xué)原理，可以推導(dǎo)被測物體尺寸體尺寸D計算公式，即：計算公式，即： 式中：式中：n-覆蓋的光敏像素數(shù)；覆蓋的光敏像素數(shù)；P-像

52、素間距；像素間距；M-倍率。倍率。微機可對多次測量求平均值，精確得到被測物體的尺微機可對多次測量求平均值，精確得到被測物體的尺寸。任何能夠用光學(xué)成像的零件都可以用這種方法，寸。任何能夠用光學(xué)成像的零件都可以用這種方法，實現(xiàn)不接觸的在線自動檢測的目的。實現(xiàn)不接觸的在線自動檢測的目的。npDM11.2 電偶合器件11.3 紅外傳感器 11.3 紅外傳感器紅外傳感器 紅外傳感器按其應(yīng)用可分為以下幾方面：紅外傳感器按其應(yīng)用可分為以下幾方面： 紅外輻射計，用于輻射和光譜輻射測量；紅外輻射計，用于輻射和光譜輻射測量； 搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確 定

53、其空間位置并對它的運動進行跟蹤；定其空間位置并對它的運動進行跟蹤； 熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖 像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等；像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等； 紅外測距和通信系統(tǒng)；紅外測距和通信系統(tǒng)； 混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或多個的混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或多個的 組合。組合。 11.3 紅外傳感器圖：電磁波譜圖圖：電磁波譜圖11.3.111.3.1紅外輻射紅外輻射紅外輻射俗稱紅外輻射俗稱紅外線紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長

54、范圍大致在光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.75m0.75m 1000m1000m，紅外線在電磁波譜中的位置如圖所示。，紅外線在電磁波譜中的位置如圖所示。11.3 紅外傳感器工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分， 即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。紅外線的最大特點是具有紅外線的最大特點是具有光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)，可以輻射，可以輻射熱量熱量，它是光，它是光譜中的最大光熱效應(yīng)區(qū)。一個熾熱物體向外輻射的能量大部譜中的最大光熱效應(yīng)區(qū)。一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過分是通過紅外線紅外線輻射出來的。輻

55、射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強強。而且，紅外線被物體吸收時，可以顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。而且，紅外線被物體吸收時，可以顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芗t外輻射和所有電磁波一樣，是以紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波波的形式在空間直線傳播的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時，大氣層對不同波長的紅外線存在不的。它在大氣中傳播時，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的。同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的。11.3 紅外傳感器 11.3.2紅外探測器（傳感器）紅外探測器（傳感器）能將

56、能將紅外輻射能紅外輻射能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電能電能的裝置稱為紅外探測器或紅的裝置稱為紅外探測器或紅外傳感器。外傳感器。紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示系統(tǒng)等組成。顯示系統(tǒng)等組成。紅外探測器種類很多，紅外探測器種類很多， 根據(jù)溫度可分為：低溫、中溫、室溫；根據(jù)溫度可分為：低溫、中溫、室溫； 根據(jù)響應(yīng)波長可分為：近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外；根據(jù)響應(yīng)波長可分為：近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外； 根據(jù)用途分為：單元型、多元陣列、成像傳感器；根據(jù)用途分為：單元型、多元陣列、成像傳感器； 根據(jù)探測機理可分為兩大類：根據(jù)探測機理可分為兩大類：熱傳感器熱傳感器

57、和和光子傳感器光子傳感器。11.3 紅外傳感器 11.3.2 紅外傳感器的性能參數(shù)（書紅外傳感器的性能參數(shù)（書P188）電壓響應(yīng)率；電壓響應(yīng)率；響應(yīng)波長范圍；響應(yīng)波長范圍；噪聲等效功率；噪聲等效功率； 探測率與比探測率探測率與比探測率 時間常數(shù)時間常數(shù)11.3 紅外傳感器11.3.3熱傳感器熱傳感器熱傳感器對入射的各種波長的輻射能量全波吸收，它熱傳感器對入射的各種波長的輻射能量全波吸收，它是一種對紅外光波無選擇的紅外傳感器。是一種對紅外光波無選擇的紅外傳感器。傳感器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而傳感器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量物理參數(shù)

58、的使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量物理參數(shù)的變化，便可確定傳感器所吸收的紅外輻射。變化，便可確定傳感器所吸收的紅外輻射。與光子傳感器相比，熱傳感器的探測率比光子傳感器與光子傳感器相比，熱傳感器的探測率比光子傳感器的峰值探測率低，響應(yīng)時間長。但熱傳感器主要優(yōu)點的峰值探測率低，響應(yīng)時間長。但熱傳感器主要優(yōu)點是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴展到整個紅外區(qū)域，可是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴展到整個紅外區(qū)域，可以在室溫下工作，使用方便，應(yīng)用仍相當(dāng)廣泛。以在室溫下工作，使用方便，應(yīng)用仍相當(dāng)廣泛。 11.3 紅外傳感器熱傳感器定義：利用輻射熱效應(yīng)，使探測器吸收紅外輻射后溫度熱傳感器定義：利用輻射熱效應(yīng)，使探測器

59、吸收紅外輻射后溫度升高，進而使傳感器中依賴于溫度的某些物理性質(zhì)發(fā)生變化，這升高，進而使傳感器中依賴于溫度的某些物理性質(zhì)發(fā)生變化，這種變化與吸收的紅外輻射能成一定關(guān)系。種變化與吸收的紅外輻射能成一定關(guān)系。熱傳感器主要類型有熱敏電阻型、熱傳感器主要類型有熱敏電阻型、 熱電偶型和高萊氣體型、熱釋熱電偶型和高萊氣體型、熱釋電型傳感器。電型傳感器。1、熱敏電阻型紅外傳感器、熱敏電阻型紅外傳感器原理：利用固體材料的電阻率隨溫度變化的特性原理：利用固體材料的電阻率隨溫度變化的特性特性：熱敏電阻一般制成薄片狀，紅外輻射照射在熱敏電阻上使其特性：熱敏電阻一般制成薄片狀，紅外輻射照射在熱敏電阻上使其 溫度升高，電

60、阻值減小，測量電阻值的變化就可知入射的紅溫度升高，電阻值減小，測量電阻值的變化就可知入射的紅 外輻射的強弱，從而判斷產(chǎn)生紅外輻射的物體的溫度。外輻射的強弱，從而判斷產(chǎn)生紅外輻射的物體的溫度。2、熱電偶型紅外傳感器、熱電偶型紅外傳感器原理：利用熱電效應(yīng)，當(dāng)紅外輻射照射到熱電偶的熱端時，該端溫度升高，而冷端溫原理：利用熱電效應(yīng)，當(dāng)紅外輻射照射到熱電偶的熱端時，該端溫度升高，而冷端溫 度保持不變。此時，在熱電偶回路中將產(chǎn)生感生熱電勢，熱電勢的大小反映了度保持不變。此時，在熱電偶回路中將產(chǎn)生感生熱電勢，熱電勢的大小反映了 熱端吸收紅外輻射的強弱。熱端吸收紅外輻射的強弱。特性：響應(yīng)時間長，動態(tài)特性差，實