傳感器原理與應(yīng)用—光電式

1、2021-12-102( 光電式傳感器光電式傳感器( 光纖式傳感器光纖式傳感器( 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器( 波與射線傳感器波與射線傳感器( 其他新型傳感器其他新型傳感器2021-12-103應(yīng)用示例應(yīng)用示例：光電式煙霧報(bào)警器光電式煙霧報(bào)警器 圖圖5.1 光電煙塵濃度報(bào)警器光電煙塵濃度報(bào)警器(a) 透射式透射式(b) 反射式反射式2021-12-104( 概述概述( 光電傳感器的組成光電傳感器的組成( 光電傳感器及其應(yīng)用光電傳感器及其應(yīng)用( 新型光電器件新型光電器件2021-12-105& 光電式傳感器光電式傳感器(Photoelectric Sensor)是以是以光電器件光電器件作為

2、轉(zhuǎn)換元件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器的總稱。光電傳感器可以的傳感器的總稱。光電傳感器可以用來(lái)測(cè)量直接引起光量變化的其他非電量；也可用來(lái)測(cè)量直接引起光量變化的其他非電量；也可用來(lái)測(cè)量能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。用來(lái)測(cè)量能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。2021-12-106 電參量電參量/ /電量電量導(dǎo)線導(dǎo)線&傳統(tǒng)電測(cè)傳感器與光電式傳感器的區(qū)別：傳統(tǒng)電測(cè)傳感器與光電式傳感器的區(qū)別：&光電傳感器的光電傳感器的特征是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件特征是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件。因。因此，采用光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器就統(tǒng)稱為光此，采用光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器就統(tǒng)稱為光電式傳感器。電式傳感器。被測(cè)量

3、被測(cè)量敏感元件敏感元件電參量電參量/ /電量電量轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件導(dǎo)線導(dǎo)線實(shí)際物體實(shí)際物體或機(jī)械系統(tǒng)或機(jī)械系統(tǒng)非電物理量非電物理量被測(cè)量被測(cè)量被測(cè)對(duì)象被測(cè)對(duì)象/光調(diào)制器光調(diào)制器被測(cè)介質(zhì)、被測(cè)介質(zhì)、空氣或光導(dǎo)纖維空氣或光導(dǎo)纖維光信號(hào)光信號(hào)傳統(tǒng)電測(cè)傳感器：傳統(tǒng)電測(cè)傳感器：光電式傳感器：光電式傳感器：光電器件光電器件各種實(shí)現(xiàn)各種實(shí)現(xiàn)機(jī)機(jī)- -電電轉(zhuǎn)換傳感器轉(zhuǎn)換傳感器各種實(shí)現(xiàn)各種實(shí)現(xiàn)光光- -電電轉(zhuǎn)換傳感器轉(zhuǎn)換傳感器2021-12-107&調(diào)制調(diào)制(Modulation)：使一個(gè)信號(hào)（載波）的某些參數(shù)在另一：使一個(gè)信號(hào)（載波）的某些參數(shù)在另一信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）的控制下發(fā)生變化的過(guò)程，稱為調(diào)制。信號(hào)

4、（調(diào)制信號(hào)）的控制下發(fā)生變化的過(guò)程，稱為調(diào)制。光調(diào)制光調(diào)制：使載波光波的參數(shù)隨外加信號(hào)變化而變化的過(guò)：使載波光波的參數(shù)隨外加信號(hào)變化而變化的過(guò)程。光調(diào)制過(guò)程就是將一攜帶信息的信號(hào)疊加在載波光波程。光調(diào)制過(guò)程就是將一攜帶信息的信號(hào)疊加在載波光波上，完成這一過(guò)程的器件叫做上，完成這一過(guò)程的器件叫做調(diào)制器調(diào)制器。&解調(diào)解調(diào)(Demodulation)：從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過(guò)：從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程，稱為解調(diào)。程，稱為解調(diào)。光的解調(diào)光的解調(diào)：光的解調(diào)過(guò)程通常是將載波光攜帶的信號(hào)轉(zhuǎn)：光的解調(diào)過(guò)程通常是將載波光攜帶的信號(hào)轉(zhuǎn)換成換成光強(qiáng)度變化光強(qiáng)度變化，然后由光電器件進(jìn)行檢測(cè)。，然

5、后由光電器件進(jìn)行檢測(cè)。&光調(diào)制技術(shù)包括光調(diào)制技術(shù)包括光強(qiáng)度調(diào)制、光頻率或波長(zhǎng)調(diào)制、光相位調(diào)光強(qiáng)度調(diào)制、光頻率或波長(zhǎng)調(diào)制、光相位調(diào)制和光偏振態(tài)調(diào)制制和光偏振態(tài)調(diào)制。其中光強(qiáng)度調(diào)制是最常用的調(diào)制技術(shù)。其中光強(qiáng)度調(diào)制是最常用的調(diào)制技術(shù)。2021-12-108&光電式傳感器的一般主要包括：光電式傳感器的一般主要包括：光源、光通路、光電器件和測(cè)光源、光通路、光電器件和測(cè)量電路四個(gè)部分。量電路四個(gè)部分。 測(cè)量電路測(cè)量電路光源光源光通路光通路光電器件光電器件被測(cè)量被測(cè)量x1被測(cè)量被測(cè)量x2光量光量電參量電參量或電量或電量光量光量電量輸出電量輸出圖圖3.67 光電式傳感器的組成光電式傳感器的組

6、成被測(cè)體或被測(cè)體或人造光源人造光源各種光調(diào)制器各種光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光實(shí)現(xiàn)光-電電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換器件對(duì)光電器件輸出對(duì)光電器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行的電信號(hào)進(jìn)行放大或轉(zhuǎn)換放大或轉(zhuǎn)換2021-12-109一一光源光源 & 光是電磁波譜中的一員，不同波長(zhǎng)光的分布如圖所示。光是電磁波譜中的一員，不同波長(zhǎng)光的分布如圖所示。其中光電式傳感器主要使用的光的波長(zhǎng)范圍處在紫外至其中光電式傳感器主要使用的光的波長(zhǎng)范圍處在紫外至紅外之間的區(qū)域，一般為可見(jiàn)光和近紅外光。紅外之間的區(qū)域，一般為可見(jiàn)光和近紅外光。& 工程檢測(cè)中的光源，可以由各種發(fā)光器件產(chǎn)生產(chǎn)生，也工程檢測(cè)中的光源，可以由各種發(fā)光器件產(chǎn)生產(chǎn)生，也可以是物

7、體的輻射光。可以是物體的輻射光。 利用物體在不同溫度下的輻射光的強(qiáng)度和頻譜特性不利用物體在不同溫度下的輻射光的強(qiáng)度和頻譜特性不同進(jìn)行測(cè)溫的方法，稱為同進(jìn)行測(cè)溫的方法，稱為輻射測(cè)溫法輻射測(cè)溫法。 工程上常見(jiàn)的是工程上常見(jiàn)的是人造光源人造光源，人造光源按其工作原理不，人造光源按其工作原理不同，可分為熱輻射光源、氣體放電光源、電致發(fā)光光同，可分為熱輻射光源、氣體放電光源、電致發(fā)光光源和激光光源。源和激光光源。 2021-12-1010一一光源光源 1.1. 熱輻射光源熱輻射光源 利用物體升溫產(chǎn)生光輻射的原理制成的光源稱為熱輻射光源。利用物體升溫產(chǎn)生光輻射的原理制成的光源稱為熱輻射光源。例如鎢絲白熾燈

8、和鹵鎢燈。例如鎢絲白熾燈和鹵鎢燈。 特點(diǎn)特點(diǎn)：光譜線較豐富，包含可見(jiàn)光與紅外光；發(fā)光效率低；光譜線較豐富，包含可見(jiàn)光與紅外光；發(fā)光效率低；發(fā)熱大；壽命短；易碎，電壓高，使用有一定的危險(xiǎn)。發(fā)熱大；壽命短；易碎，電壓高，使用有一定的危險(xiǎn)。2.2. 氣體放電光源氣體放電光源 電流通過(guò)置于氣體中的兩個(gè)電極時(shí)，兩電極之間會(huì)放電發(fā)光，電流通過(guò)置于氣體中的兩個(gè)電極時(shí)，兩電極之間會(huì)放電發(fā)光，利用這種原理制成的光源稱為氣體放電光源。氣體放電光源利用這種原理制成的光源稱為氣體放電光源。氣體放電光源目前常用的有碳弧、低壓水銀弧、鈉弧、氙弧燈等。目前常用的有碳弧、低壓水銀弧、鈉弧、氙弧燈等。 氣體放電光源的光譜不連續(xù)

9、，光譜與氣體的種類及放電條件氣體放電光源的光譜不連續(xù)，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)，改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流的大小，有關(guān)，改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流的大小，可以得到主要在某一光譜范圍的輻射源。可以得到主要在某一光譜范圍的輻射源。 特點(diǎn)特點(diǎn)：效率高，省電，功率大；含有豐富的紫外線和頻譜；：效率高，省電，功率大；含有豐富的紫外線和頻譜；容易污染環(huán)境，玻璃易碎，發(fā)光調(diào)制頻率較低。容易污染環(huán)境，玻璃易碎，發(fā)光調(diào)制頻率較低。2021-12-1011一一光源光源 3.3. 電致發(fā)光光源電致發(fā)光光源 固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光，固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下

10、產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光，如發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和電致發(fā)光屏等。如發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和電致發(fā)光屏等。 特點(diǎn)特點(diǎn)：體積小，屬固體光源，耐振動(dòng)；無(wú)輻射，無(wú)污染；功體積小，屬固體光源，耐振動(dòng)；無(wú)輻射，無(wú)污染；功耗低；壽命長(zhǎng)；響應(yīng)快；供電電壓低；成本低。耗低；壽命長(zhǎng)；響應(yīng)快；供電電壓低；成本低。4.4. 激光光源激光光源 某些物質(zhì)的分子、原子、離子在特定頻率的光子激發(fā)下，高某些物質(zhì)的分子、原子、離子在特定頻率的光子激發(fā)下，高能粒子集中地躍遷到低能級(jí)上，發(fā)射出與激發(fā)光子頻率相同能粒子集中地躍遷到低能級(jí)上，發(fā)射出與激發(fā)光子頻率相同的光子的光子( (受激發(fā)射受激發(fā)射) )。具有光的受激輻射放大功

11、能的器件稱為。具有光的受激輻射放大功能的器件稱為激光器。如各種固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、激光器。如各種固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、液體激光器等。液體激光器等。 特點(diǎn)特點(diǎn)：激光是頻率單純、能量高度集中的光，激光具有單色激光是頻率單純、能量高度集中的光，激光具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高、相干性好等特點(diǎn)。性好、方向性強(qiáng)、亮度高、相干性好等特點(diǎn)。 2021-12-1012二二光電器件光電器件& 光電器件的作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。光電器件的光電器件的作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。光電器件的基于光電效應(yīng)工作的?；诠怆娦?yīng)工作的。1. 光電效應(yīng)及其典型器件光電效應(yīng)及其典型

12、器件 所謂光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后產(chǎn)生的電效應(yīng)。所謂光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后產(chǎn)生的電效應(yīng)。 光電效應(yīng)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)2021-12-1013二二光電器件光電器件1. 光電效應(yīng)及其典型器件光電效應(yīng)及其典型器件(1) 外光電效應(yīng)（外光電效應(yīng)（ Photoemissive Effect ）及器件）及器件 外光電效應(yīng)：在光的照射下，使電子逸出物體表外光電效應(yīng)：在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象。面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象。量愈大。量愈大。波長(zhǎng)越短），光子的能波長(zhǎng)越短），光子的能可見(jiàn)光的頻率愈高（即可見(jiàn)

13、光的頻率愈高（即頻率頻率普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)每個(gè)光子的能量為每個(gè)光子的能量為f)sJ.(hfh:34626610逸出功逸出功光速，光速，普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，；紅限波長(zhǎng)：；紅限波長(zhǎng)：紅限頻率：紅限頻率：AchAchhA00 “紅限紅限”： 光子能量：光子能量：2021-12-1014二二光電器件光電器件1.光電效應(yīng)及其典型器件光電效應(yīng)及其典型器件(1) 外光電效應(yīng)及器件外光電效應(yīng)及器件b.光電倍增管（光電倍增管（ Photoemissive Multiplier ） 基于外光電效應(yīng)的光電器件有基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管光電管和和光電倍增管光電倍增管。a. 光電管（光電管（ Photoe

14、missive Cell ）2021-12-1015二二光電器件光電器件(2) 內(nèi)光電效應(yīng)及器件內(nèi)光電效應(yīng)及器件 內(nèi)光電效應(yīng)：在光線照射下，物體內(nèi)的電子不能逸出內(nèi)光電效應(yīng)：在光線照射下，物體內(nèi)的電子不能逸出物體表面，而使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電物體表面，而使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為兩種：理可分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和和光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)。 光電導(dǎo)效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)（ Photoconduction Effect ）及器件）及器件 這種光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)

15、這種光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng) 。2021-12-1016二二光電器件光電器件(2) 內(nèi)光電效應(yīng)及器件內(nèi)光電效應(yīng)及器件 光電導(dǎo)效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)（ Photoconduction Effect ）及器件）及器件 基于這種效應(yīng)的光電器件有基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻、光敏二極光敏電阻、光敏二極管管和和光敏三極管光敏三極管。a. 光敏電阻（光敏電阻（ Photoresistor ）2021-12-1017圖圖5.8 光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻的結(jié)構(gòu) 2021-12-1018 當(dāng)光敏電阻受到光當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，照時(shí)，阻值減小。阻值減小。2021-12-1019二二光電器件光電器件(2)

16、內(nèi)光電效應(yīng)及器件內(nèi)光電效應(yīng)及器件 光電導(dǎo)效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)（ Photoconduction Effect ）及器件）及器件b. 光敏二極管（光敏二極管（反向偏置反向偏置PN結(jié)結(jié)）2021-12-1020圖圖5.10 光敏二極管的結(jié)構(gòu)光敏二極管的結(jié)構(gòu) 2021-12-1021二二光電器件光電器件(2) 內(nèi)光電效應(yīng)及器件內(nèi)光電效應(yīng)及器件 光電導(dǎo)效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)（ Photoconduction Effect ）及器件）及器件c. 光敏三極管光敏三極管2021-12-1022 圖圖5.12 光敏三極管的結(jié)構(gòu)光敏三極管的結(jié)構(gòu)2021-12-1023 2021-12-1024二二光電器件光電器件(2)

17、內(nèi)光電效應(yīng)及器件內(nèi)光電效應(yīng)及器件 光生伏特效應(yīng)（光生伏特效應(yīng)（ Photovoltaic Effect ）及器件）及器件 光生伏特效應(yīng)是光照引起光生伏特效應(yīng)是光照引起PN結(jié)（結(jié)（正向偏置正向偏置PN結(jié)結(jié)）兩端）兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。 基于這種效應(yīng)的光電器件是基于這種效應(yīng)的光電器件是光電池光電池。光電池是自發(fā)電。光電池是自發(fā)電式有源器件，屬于能量轉(zhuǎn)換型、電壓輸出型傳感器。式有源器件，屬于能量轉(zhuǎn)換型、電壓輸出型傳感器。PN結(jié)電場(chǎng)結(jié)電場(chǎng)光生電子光生電子- -空穴對(duì)空穴對(duì)圖圖5.13 PN PN結(jié)光生伏特效應(yīng)原理圖結(jié)光生伏特效應(yīng)原理圖2021-12-1025二二光電器件光電器件(2)

18、 內(nèi)光電效應(yīng)及器件內(nèi)光電效應(yīng)及器件 光生伏特效應(yīng)（光生伏特效應(yīng)（ Photovoltaic Effect ）及器件）及器件 光電池與外電路的兩種連接方式：光電池與外電路的兩種連接方式：a.a. 開路電壓輸出：開路電壓輸出：照度 /lx0200040000.10.20.30.20.40.6光光生生電電壓壓/V光光生生電電流流/mA硅光電池的光照特性硅光電池的光照特性開路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系，靈敏度高，宜開路電壓與光照度之間呈非線性關(guān)系，靈敏度高，宜作開關(guān)元件。作開關(guān)元件。短路電流短路電流開路電壓開路電壓短路電流大小與光照成短路電流大小與光照成正比，可作線性檢測(cè)元正比，可作線性檢測(cè)元件使用

19、。件使用。b.b.短路電流輸出短路電流輸出：2021-12-1026光敏面光敏面2021-12-10272021-12-1028太陽(yáng)能賽車太陽(yáng)能賽車太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)模型太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)模型太陽(yáng)能太陽(yáng)能 硅光電池板硅光電池板2021-12-1029太陽(yáng)能發(fā)電太陽(yáng)能發(fā)電2021-12-1030光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用2021-12-1031： 光生伏特效應(yīng)：光電池光生伏特效應(yīng)：光電池光敏三極管光敏三極管光敏二極管光敏二極管光電導(dǎo)效應(yīng)：光敏電阻光電導(dǎo)效應(yīng)：光敏電阻內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電倍增管光電倍增管外光電效應(yīng)：光電管和外光電效應(yīng)：光電管和光電效應(yīng)光電效應(yīng)2021-12-1032二

20、二光電器件光電器件2.光電器件的性能參數(shù)光電器件的性能參數(shù)(1) 光照特性光照特性 光照特性是光電器件靈敏度的表征，它反映了光電器件光照特性是光電器件靈敏度的表征，它反映了光電器件輸入光量與輸出光電流輸入光量與輸出光電流( (光電壓光電壓) )之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 光照特性常用光照特性常用響應(yīng)率響應(yīng)率（Response Rate）R來(lái)描述：來(lái)描述：光輸入功率光輸入功率輸出電壓輸出電壓電壓響應(yīng)率，電壓響應(yīng)率，輸出電流輸出電流電流響應(yīng)率，電流響應(yīng)率，對(duì)光生伏特器件：對(duì)光生伏特器件：對(duì)光生電流器件：對(duì)光生電流器件：iPVPIiPViPIPVRIRP/VRP/IR2021-12-1033二二光電器

21、件光電器件2.光電器件的性能參數(shù)光電器件的性能參數(shù)(2) 光譜特性光譜特性 光電器件光譜特性是指相對(duì)靈敏度光電器件光譜特性是指相對(duì)靈敏度K與入射光波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系，之間的關(guān)系，又稱為光譜響應(yīng)。又稱為光譜響應(yīng)。 探測(cè)器件的性能常用峰值探測(cè)率探測(cè)器件的性能常用峰值探測(cè)率D D* *表征，表征，D D* *值大，噪聲等效功率小，值大，噪聲等效功率小，光電器件性能好。光電器件性能好。 (3) 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 光電器件的響應(yīng)時(shí)間反映它的動(dòng)態(tài)特性。時(shí)間響應(yīng)小，表示動(dòng)光電器件的響應(yīng)時(shí)間反映它的動(dòng)態(tài)特性。時(shí)間響應(yīng)小，表示動(dòng)態(tài)特性好。對(duì)于采用調(diào)制光的光電傳感器，調(diào)制頻率上限受響態(tài)特性好。對(duì)于采用調(diào)制

22、光的光電傳感器，調(diào)制頻率上限受響應(yīng)時(shí)間的限制。應(yīng)時(shí)間的限制。 (4) 峰值探測(cè)率峰值探測(cè)率 峰值探測(cè)率是表征光電器件噪聲水平的性能參數(shù)。峰值探測(cè)率是表征光電器件噪聲水平的性能參數(shù)。探測(cè)系數(shù)帶寬探測(cè)系數(shù)帶寬積積光敏器件的有效光敏面光敏器件的有效光敏面 fAPfAfAPDNENE/1*2021-12-1034二二光電器件光電器件2.光電器件的性能參數(shù)光電器件的性能參數(shù)(5) 溫度特性溫度特性 溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時(shí)對(duì)光譜特性也有很溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時(shí)對(duì)光譜特性也有很大影響。在室溫條件下工作的光電器件由于靈敏度隨溫度而變，大影響。在室溫條件下工作的光電器件由于靈敏度

23、隨溫度而變，因此高精度檢測(cè)時(shí)有必要進(jìn)行溫度補(bǔ)償或使它在恒溫條件下工因此高精度檢測(cè)時(shí)有必要進(jìn)行溫度補(bǔ)償或使它在恒溫條件下工作。作。(6) 伏安特性伏安特性 在一定光照下，對(duì)光電器件所加端電壓與光電流之間的關(guān)系為在一定光照下，對(duì)光電器件所加端電壓與光電流之間的關(guān)系為伏安特性。伏安特性。 2021-12-1035& 光電傳感器是非接觸式測(cè)量，根據(jù)輸出量的性質(zhì)可以將光光電傳感器是非接觸式測(cè)量，根據(jù)輸出量的性質(zhì)可以將光電傳感器分成模擬式和脈沖式兩大類。電傳感器分成模擬式和脈沖式兩大類。一一模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器1.1.測(cè)量原理測(cè)量原理模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光模擬式光

24、電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性，其光子通量是隨著被測(cè)量而變，光電流就電特性，其光子通量是隨著被測(cè)量而變，光電流就成為被測(cè)量的函數(shù)，故傳感器的輸出為連續(xù)變化的成為被測(cè)量的函數(shù)，故傳感器的輸出為連續(xù)變化的光電流。光電流。模擬式光電傳感器有透射式、反射式、遮光式和輻模擬式光電傳感器有透射式、反射式、遮光式和輻射式等幾種工作方式。射式等幾種工作方式。2021-12-1036一一模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器(a) 吸收式吸收式(c)光電器件光電器件光源光源 工件工件光源光源(b)光電器件光電器件 工件工件光電器件光電器件被測(cè)物被測(cè)物(d)光源光源煙筒煙筒(a)光電器件光電器件(b) 反射

25、式反射式(c) 遮光式遮光式(d) 輻射式輻射式2021-12-1037圖圖5.19 光電式邊緣位置檢測(cè)糾偏裝置光電式邊緣位置檢測(cè)糾偏裝置2021-12-1038二二脈沖式光電傳感器脈沖式光電傳感器1.1.測(cè)量原理測(cè)量原理脈沖式光電傳感器利用光電器件受光照的脈沖式光電傳感器利用光電器件受光照的“有有”、“無(wú)無(wú)”的兩種不同狀態(tài)，經(jīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)理電路輸出的兩種不同狀態(tài)，經(jīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)理電路輸出“通通”、“斷斷”的開關(guān)信號(hào)。即將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成斷的開關(guān)信號(hào)。即將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的開關(guān)信號(hào)，又稱為開關(guān)式光電傳感器。續(xù)變化的開關(guān)信號(hào)，又稱為開關(guān)式光電傳感器?？卓讛?shù)數(shù)或或黑黑白白條條紋紋數(shù)數(shù)目目。的的關(guān)關(guān)系系：秒

26、秒個(gè)個(gè)分分）與與頻頻率率（轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速NNfn)/(f/n602021-12-1039圖圖5.20 光電開關(guān)的類型及應(yīng)用光電開關(guān)的類型及應(yīng)用2021-12-10402021-12-1041圖圖5.22 反射式光電轉(zhuǎn)速表結(jié)構(gòu)及原理示意圖反射式光電轉(zhuǎn)速表結(jié)構(gòu)及原理示意圖2021-12-1042圖圖5.23 光電式物體運(yùn)動(dòng)速度檢測(cè)原理圖光電式物體運(yùn)動(dòng)速度檢測(cè)原理圖速度速度v2021-12-1043一一位置敏感器件位置敏感器件& 光位置敏感器件是利用光線檢測(cè)位置的光敏器件。當(dāng)光位置敏感器件是利用光線檢測(cè)位置的光敏器件。當(dāng)光照射到硅光電二極管的某一位置時(shí)，則光電流光照射到硅光電二極管的某一位置時(shí)

27、，則光電流I1/I2= =R2/R1=x2/x1，故只要測(cè)出，故只要測(cè)出I1和和I2便可求得光照射的便可求得光照射的位置。位置。 (a)原理原理(b)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖圖3.83 光平面位置檢測(cè)器光平面位置檢測(cè)器圖圖3.82 光位置敏感器件原理圖光位置敏感器件原理圖x1x212R2R1 I1I2PN2021-12-1044二二固態(tài)圖像傳感器（固態(tài)圖像傳感器（solid image sensor ）& 圖像傳感器是電荷轉(zhuǎn)移器件與光敏陣列元件集為一體圖像傳感器是電荷轉(zhuǎn)移器件與光敏陣列元件集為一體構(gòu)成的，具有自掃描功能的攝像器件。構(gòu)成的，具有自掃描功能的攝像器件。& 圖像傳感器圖像傳感器從功

28、能上說(shuō)從功能上說(shuō)，它是一個(gè)能把受光面的光像，它是一個(gè)能把受光面的光像分成許多小單元分成許多小單元( (稱為像元稱為像元) )，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后順序地輸送出去的器件。然后順序地輸送出去的器件。2021-12-1045二二固態(tài)圖像傳感器（固態(tài)圖像傳感器（ solid image sensor ）& 從構(gòu)造上說(shuō)從構(gòu)造上說(shuō)，圖像傳感器是一種小型固態(tài)集成元件，圖像傳感器是一種小型固態(tài)集成元件，其核心是其核心是電荷轉(zhuǎn)移器件電荷轉(zhuǎn)移器件(Charge Transfer Device，CTD)，其中最常用的是電荷耦合器件其中最常用的是電荷耦合器件(Charge Coup

29、led Device，CCD)。CCD由陣列式排列在襯底上的金屬由陣列式排列在襯底上的金屬- -氧化物氧化物- -硅硅(Metal Oxide Semi-Conductor，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱MOS) )電容器組成，電容器組成，它具有它具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷的功能光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷的功能。2021-12-1046二二固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器& 信號(hào)電荷的產(chǎn)生信號(hào)電荷的產(chǎn)生& 信號(hào)電荷的存儲(chǔ)信號(hào)電荷的存儲(chǔ) 當(dāng)金屬電極上加正電壓時(shí)，由于電場(chǎng)作用，電極下當(dāng)金屬電極上加正電壓時(shí)，由于電場(chǎng)作用，電極下P P型硅區(qū)里型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對(duì)電子而言，是一勢(shì)能很低的區(qū)域，空

30、穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對(duì)電子而言，是一勢(shì)能很低的區(qū)域，稱稱“勢(shì)阱勢(shì)阱”。當(dāng)有光線入射到硅片上時(shí)，光子作用下產(chǎn)生電。當(dāng)有光線入射到硅片上時(shí)，光子作用下產(chǎn)生電子子空穴對(duì)，空穴被電場(chǎng)作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢(shì)空穴對(duì)，空穴被電場(chǎng)作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢(shì)阱（俘獲），此時(shí)勢(shì)阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。阱（俘獲），此時(shí)勢(shì)阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。& 信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移三相三相CCDCCD的電荷在三相交疊驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，能以一定的方向的電荷在三相交疊驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，能以一定的方向逐單元地轉(zhuǎn)移；逐單元地轉(zhuǎn)移；CCDCCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地從一個(gè)電極下轉(zhuǎn)

31、移電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地從一個(gè)電極下轉(zhuǎn)移到相鄰電極下。到相鄰電極下。2021-12-1047二二固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器& 典型一維圖像傳感器由一列光敏單元和一列典型一維圖像傳感器由一列光敏單元和一列CCD(CCD(電荷電荷轉(zhuǎn)移器件轉(zhuǎn)移器件) )并行構(gòu)成。并行構(gòu)成。光敏元與光敏元與CCD之間有一轉(zhuǎn)移控制柵，其中之間有一轉(zhuǎn)移控制柵，其中CCD作為讀出移位寄存器。在光照作為讀出移位寄存器。在光照射下，光生少數(shù)載流子在光敏元（射下，光生少數(shù)載流子在光敏元（MOS電容）中積蓄。每個(gè)單元所積蓄的電荷量電容）中積蓄。每個(gè)單元所積蓄的電荷量與該單元所接受到的光照度、電荷積蓄時(shí)間成正

32、比。在光敏元接受光照一定時(shí)間與該單元所接受到的光照度、電荷積蓄時(shí)間成正比。在光敏元接受光照一定時(shí)間之后，轉(zhuǎn)移控制柵打開，各光敏元所積蓄的電荷就并行地轉(zhuǎn)移到之后，轉(zhuǎn)移控制柵打開，各光敏元所積蓄的電荷就并行地轉(zhuǎn)移到CCD讀出移位寄讀出移位寄存器上，隨后控制柵關(guān)閉，光敏元立即開始下一次的光電荷積蓄。與此同時(shí)，上存器上，隨后控制柵關(guān)閉，光敏元立即開始下一次的光電荷積蓄。與此同時(shí)，上一次的一串電荷信號(hào)沿移位寄存器順序地轉(zhuǎn)移并在輸出端串行輸出。一次的一串電荷信號(hào)沿移位寄存器順序地轉(zhuǎn)移并在輸出端串行輸出。光敏元光敏元CCD轉(zhuǎn)移控制柵轉(zhuǎn)移控制柵2021-12-1048二二固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器& 每個(gè)光敏元的光電荷量不僅含有光照度信息，而且還每個(gè)光敏元的光電荷量不僅含有光照度信息，而且還含