第8章光電式傳感器

1、 傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù) 朱啟兵朱啟兵2/74光電效應(yīng)和光電器件光電效應(yīng)和光電器件1.28.18.2電荷耦合器件、電荷耦合器件、第8章 光電式傳感器傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)3/74 光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。 光電式傳感器特點(diǎn)：非接觸、響應(yīng)快、使用范圍廣特點(diǎn)：非接觸、響應(yīng)快、使用范圍廣光電式傳感器的組成形式4/74光電式傳感器四種基本形式 透射式反射式輻射式開關(guān)式5/74 光電式傳感器光源的要求：光源的要求：1.光源必須有足夠的照度光源必須有足夠的照度2. 光源必須保證均勻、無遮擋或陰影光

2、源必須保證均勻、無遮擋或陰影3. 光源的照射方式應(yīng)符合傳感器的測(cè)量要求光源的照射方式應(yīng)符合傳感器的測(cè)量要求4. 光源的發(fā)熱量應(yīng)盡可能小光源的發(fā)熱量應(yīng)盡可能小5. 光源發(fā)出的光應(yīng)該有合適的光譜范圍光源發(fā)出的光應(yīng)該有合適的光譜范圍8.1光電效應(yīng)和光電器件光電效應(yīng)和光電器件一、光源一、光源6/74光波：光波： 波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為101010106 6nmnm的電磁波的電磁波 光電式傳感器頻率/Hz10157.9101410141.5101531016遠(yuǎn)紫外遠(yuǎn)紫外近紫外近紫外可見光可見光近紅外近紅外遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外極遠(yuǎn)紫外1010000波長(zhǎng)(nm)2001001000300 3807803000f=31

3、08m / s7/74 常用的光源（發(fā)光器件）常用的光源（發(fā)光器件）1、熱輻射光源 將一些物體加熱后產(chǎn)生熱輻射來實(shí)現(xiàn)照明的。 典型代表：白熾燈、鹵素?zé)舻?特點(diǎn)： 輻射光譜是連續(xù)的發(fā)光范圍：可見光外、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號(hào)。 壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特性差，光電式傳感器8/742、氣體放電燈定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。 氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，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大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。 低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞

4、燈的輻射波長(zhǎng)為254nm，鈉燈的輻射波長(zhǎng)為589nm，它們經(jīng)常用作光電檢測(cè)儀器的單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，通過對(duì)熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長(zhǎng)，如：照明日光燈。 氣體放電燈消耗的能量?jī)H為白熾燈1/21/3。光電式傳感器9/743、發(fā)光二極管發(fā)光二極管LEDLED（Light Emitting DiodeLight Emitting Diode） 由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。 在半導(dǎo)體PN結(jié)中，P區(qū)的空穴由于擴(kuò)散而移動(dòng)到N區(qū)，N區(qū)的電子則擴(kuò)散到P

5、區(qū)，在PN結(jié)處形成勢(shì)壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴(kuò)散。當(dāng)PN結(jié)上加有正向電壓時(shí)，勢(shì)壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時(shí)伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。光電式傳感器NP+-U UiD+_10/74 電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量Eg等于PN結(jié)的禁帶寬度。所放出的光子能量用h表示，h為普朗克常數(shù)，為光的頻率。則gEhcgEchgEh普朗克常數(shù)h = 6.610-34J.s；光速c = 3108m/s；Eg的單位為電子伏（eV），1eV=1.610-19J。 hc=19.810-26

6、mWs=12.410-7meV。可見光的波長(zhǎng)近似地認(rèn)為在710-7m以下，所以制作發(fā)光二極管的材料，其禁帶寬度至少應(yīng)大于h c /=1.8 eV 普通二極管是用鍺或硅制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為0.67eV和1.12eV，顯然不能使用。光電式傳感器11/74 發(fā)光二極管的光譜特性如圖所示。圖中砷磷化鎵的曲線有兩根，這是因?yàn)槠洳馁|(zhì)成分稍有差異而得到不同的峰值波長(zhǎng)p。除峰值波長(zhǎng)p決定發(fā)光顏色之外，峰的寬度（）決定光的色彩純度，越小，其光色越純。0.20.40.60.8 1.0 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950

7、nmGaAs發(fā)光二極管的光譜特性/nm相對(duì)靈敏度光電式傳感器12/744 4、激光器、激光器 激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個(gè)重要特性。激光波長(zhǎng)從0.24m到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。 激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：u 固體激光器（如紅寶石激光器）u 氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）u 半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）u 液體激光器。光電式傳感器13/74工作原理光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。1、外光電效應(yīng) 在

8、光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子。光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量：E=hh普朗克常數(shù)，6.62610-34Js；光的頻率（s-1）光電式傳感器二、光電效應(yīng)器件和特性二、光電效應(yīng)器件和特性14/74光電式傳感器根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個(gè)光子的能量只能給一個(gè)電子電子從物質(zhì)表面逸出，光子能量必須大于物質(zhì)表面的逸出功 A0逸出表面的電子具有動(dòng)能 Ek： 20012kEmvhvA=-式中： m電子質(zhì)量； v0 電子逸出時(shí)的初速度； h普朗克常數(shù)，h=6.2610-34js； v 光的頻率。 15/74n 光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能mv02

9、 /2 ，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(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。光電式傳感器光電子逸出時(shí)的初始動(dòng)能 Ek與光的頻率有關(guān) 頻率高，則動(dòng)能大逸出功因材料不同而異材料都有一個(gè)頻率限 入射光的頻率低于頻率限，不論光強(qiáng)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(huì)有光電子發(fā)射 該頻率限稱為“”20012kEmvhvA=-16/74光電式傳感器 基于外光電效應(yīng)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(gè)真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極： 光電陰極 光電陽極17/74光電式傳感器

10、 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(nèi)形成空間電子流 在外電路中產(chǎn)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(qiáng)成函數(shù)關(guān)系 從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換 18/74光電式傳感器 入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極 當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾A，很不容易探測(cè)。這時(shí)常用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大。次陰極多的可達(dá)30級(jí)收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬倍到幾百萬倍。19/74光電式傳感器 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或

11、產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：（1）光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻,光敏二極管，光敏三極管2、內(nèi)光電效應(yīng)20/74光電式傳感器過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。不存在電子所占能帶不存在電子所占能帶導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶自由電子所占能帶價(jià)電子

12、所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg Eg24. 1hch材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對(duì)于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個(gè)照射光波長(zhǎng)限0，只有波長(zhǎng)小于0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級(jí)間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。21/74光電式傳感器光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性， 使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。光敏電阻22/74光電式傳感器光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性1）暗電阻、亮電阻、光電流（反映靈敏度）暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)在給定電壓下流過的電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電

13、阻，此時(shí)流過的電流。光電流：亮電流與暗電流之差。 光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。 實(shí)用的光敏電阻的暗電阻往往超過1M,甚至高達(dá)100M，而亮電阻則在幾k以下，暗電阻與亮電阻之比在102106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。 23/74光電式傳感器2）光照特性下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測(cè)元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。012345I/mA L/lx1000

14、200024/74光電式傳感器3）光譜特性光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。204060801004080120160200240/m312相對(duì)靈敏度1硫化鎘2硒化鎘3硫化鉛25/74光電式傳感器4） 伏安特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時(shí)的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。5010015020

15、012U/V02040在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。但是電壓不能無限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。I/ A26/74光電式傳感器5）頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。由于不同材料的光敏，電阻時(shí)延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。20406080100I / %f

16、/ Hz010102103104硫化鉛硫化鎘27/74光電式傳感器6）溫度特性其性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系如圖所示。有時(shí)為了提高靈敏度，或?yàn)榱四軌蚪邮蛰^長(zhǎng)波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。I / A100150200-50-1030 5010-30T / C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C28/74光敏二極管和光敏三級(jí)管光敏二極管和光敏三級(jí)管 光電式傳感器 光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀

17、態(tài)。基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN結(jié)結(jié)在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流。受光照射時(shí)，受光照射時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從空穴對(duì)，從而使而使P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下，場(chǎng)的作用下， P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入?yún)^(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了結(jié)的反向電流大為增加，這

18、就形成了光電流光電流。光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。光敏二極管在不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。光敏二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光敏二極管等許多種。29/74光敏二極管接線光敏二極管接線 PN光光敏二極管符號(hào)光敏二極管符號(hào)RL 光PN光電式傳感器30/74光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，（1）基極不接引線。（2）當(dāng)集電極加上正電壓,基極開路時(shí),集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí),會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),在內(nèi)電場(chǎng)的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基

19、極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的倍。 PPNNNPe b bc RL Eec光電式傳感器31/74光敏二級(jí)管和三級(jí)管的主要特性：存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長(zhǎng)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降。因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子空穴對(duì)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)縮短時(shí)，相對(duì)靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對(duì)不能到達(dá)PN結(jié)，因而使相對(duì)靈敏度下降。1）光譜特性相對(duì)靈敏度/%硅鍺入射光/40008000120001600010080604020 0硅的峰值波長(zhǎng)為硅的峰值波長(zhǎng)為9000，鍺的峰值波長(zhǎng)為鍺的峰值波

20、長(zhǎng)為15000。由于鍺管的暗電流比硅管由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測(cè)赤熱狀故在可見光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí)但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí),則則采用鍺管較合適。采用鍺管較合適。光電式傳感器32/742）伏安特性光電式傳感器33/743）光照特性光電式傳感器光敏二級(jí)管的線性度好光敏二級(jí)管的線性度好34/74暗電流/mA光電流/mA10 20 30 40 50 60 70T /C25 050100 02003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏三級(jí)管的溫度特性4）溫度特性

21、 光電式傳感器溫度變化對(duì)光電流的影響很小，而對(duì)暗電流的影響很大35/745）光敏三極管的頻率特性 光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對(duì)于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光調(diào)制頻率 / HZ相對(duì)靈敏度/%光敏三級(jí)管的頻率特性光電式傳感器36/74光電式傳感器光敏二極管和三極管的主要差別 光電流n光敏二極管一般只有幾微安到幾百微安，而光敏三極管一般都

22、在幾毫安以上，至少也有幾百微安，兩者相差十倍至百倍。光敏二極管與光敏三極管的暗電流則相差不大，一般都不超過1uA。響應(yīng)時(shí)間n光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間在100ns以下，而光敏三極管為510us。因此，當(dāng)工作頻率較高時(shí)，應(yīng)選用光敏二極管；只有在工作頻率較低時(shí)，才選用光敏三極管。輸出特性n光敏二極管有很好的線性特性，而光敏三極管的線性較差。37/74光電式傳感器（2）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)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的光電器件有光電池。38/74光電式傳感器 在在N型襯底上制造一薄層型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最型層作為光照敏感面，

23、就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，簡(jiǎn)單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子空穴對(duì)，空穴對(duì)， 光生光生 電子電子空空穴對(duì)的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過漂移運(yùn)動(dòng)被拉到穴對(duì)的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，空穴型區(qū)，空穴留在留在P區(qū)，所以區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出。輸出。 39/74光電式傳感器 光電池的表示符號(hào)、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIR

24、LI(a)(b)(c)光電池符號(hào)和基本工作電路40/74光電式傳感器光電池的種類很多，有硅光電池、硒光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池等最受人們重視的是硅光電池。因?yàn)樗哂行阅芊€(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高、能耐高溫輻射、價(jià)格便宜、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。它不僅廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星和宇宙飛船作為太陽能電池，而且也廣泛應(yīng)用于自動(dòng)檢測(cè)和其它測(cè)試系統(tǒng)中硒光電池由于其光譜峰值位于人眼的視覺范圍，所以在很多分析儀器、測(cè)量?jī)x表中也常常用到。41/74光電式傳感器光電池光電池外形外形光敏面光敏面42/74光電式傳感器(a) 硅光電池硅光電池1）光照特性開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，

25、當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線L/klx L/klx5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓開路電壓Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(b)硒光電池硒光電池開路電壓開路電壓短路電流短路電流短路電流短路電流43/74光電式傳感器短路電流，指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。 下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，

26、且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx 50 10010005000RL=044/74光電式傳感器204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m2) 光譜特性1硒光電池2硅光電池45/74第4章 光電式傳感器3) 頻率特性 光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。204060801000I/ %1234512

27、f / kHz1硒光電池2硅光電池46/74第4章 光電式傳感器4）溫度特性 2004060904060UOC/ mVT/ CISCUOCISC / A600400200UOC開路電壓開路電壓ISC 短路電流短路電流硅光電池在硅光電池在1000lx照照度下的溫度特性曲線度下的溫度特性曲線47/74光電式傳感器 光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器 工作原理： 首先將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)變化 然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào) 可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如： 光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等 也可用于檢驗(yàn)?zāi)苻D(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如： 零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位

28、移、振動(dòng)、速度、加速度、物體形狀、工作狀態(tài)識(shí)別等 光電式傳感器的應(yīng)用48/74光電式傳感器 光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多 優(yōu)點(diǎn)： 非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快 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 49/74光電式傳感器50/74光電式傳感器51/74光電式傳感器52/74光電式傳感器53/74光電式傳感器54/74光電式傳感器55/74光電式傳感器56/74光電式傳感器8.2 電荷耦合器件電荷耦合器件電荷耦合器件（Charge Coupled Device， CCD）是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）電容器組成的陣列，它是在MOS集成

29、電路基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能進(jìn)行圖像信息光電轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、延時(shí)和按順序傳送等功能。57/74光電式傳感器CCD的基本單元：一個(gè)由金屬-氧化物-半導(dǎo)體組成的電容器（簡(jiǎn)稱MOS結(jié)構(gòu)）。CCD線陣：由多個(gè)像素（一個(gè)MOS單元稱為一個(gè)像素）組成。1.CCD的基本單元結(jié)構(gòu)的基本單元結(jié)構(gòu)58/74光電式傳感器2.MOS電容器的電學(xué)特性電容器的電學(xué)特性（1）柵極未加電壓時(shí)P型Si內(nèi)的多數(shù)載流子（空穴）均勻分布59/74光電式傳感器（2）柵極施加正電壓UG后在半導(dǎo)體上表面附近形成一層多子的耗盡區(qū)（勢(shì)阱）（3）電壓UG超過閾值電壓Uth時(shí)形成反型層（溝道）60/74光電式傳感器3.CCD的基本功能（1）電荷包的存儲(chǔ)：其存儲(chǔ)能力可通過調(diào)節(jié)UG而加以控制。存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷61/74光電式傳感器（2）電荷包的轉(zhuǎn)移：將電荷包從一個(gè)（因存儲(chǔ)了這些電荷而變淺的）勢(shì)阱轉(zhuǎn)入相鄰的深勢(shì)阱。為實(shí)現(xiàn)電荷包的轉(zhuǎn)移： 3、在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定