第8章光電式傳感器2

1、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.1 8.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)8.2 8.2 光電器件光電器件8.3 8.3 光纖傳感器光纖傳感器 主要內(nèi)容主要內(nèi)容中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器概述概述中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光光 電電 鼠鼠 標(biāo)標(biāo)電電梯梯自自動(dòng)動(dòng)啟啟停停概述概述中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光電管光電管光敏電阻光敏電阻光敏二極管光敏二極管光電池光電池概述概述中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算

2、機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光電耦合器光電耦合器光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)光纖光纖光柵光柵概述概述中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光電效應(yīng)可分為：光電效應(yīng)可分為： 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) 8.1 8.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 光可以認(rèn)為是由具有一定能量的粒子所組成，而每一個(gè)光可以認(rèn)為是由具有一定能量的粒子所組成，而每一個(gè)粒子具有的能量粒子具有的能量E E與其頻率大小成正比，光照射就可看成是與其頻率大小成正比，光照射就可看成是一連串具有能量一連串具有能量E E的粒子轟擊在物體上，物體吸收了這些能的粒

3、子轟擊在物體上，物體吸收了這些能量為量為E E的粒子后產(chǎn)生的效應(yīng)為的粒子后產(chǎn)生的效應(yīng)為光電效應(yīng)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)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 在光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱在光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效外光電效應(yīng)應(yīng)。 光照射物體時(shí)，電子吸收入射光子的能量，每個(gè)光照射物體時(shí)，電子吸收入射光子的能量，每個(gè) 光子具有的能量是：光子具有的能量是： EhhJ S 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)( ) ( ) 光的頻率（光的頻率（HzHz），波長(zhǎng)短，頻率高，能量），波長(zhǎng)短，頻率高，能量大中國(guó)礦業(yè)

4、大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器能否產(chǎn)生外光電效應(yīng)，取決于光子的能量是否能否產(chǎn)生外光電效應(yīng)，取決于光子的能量是否大于物體表面的電子逸出功。大于物體表面的電子逸出功。 8.1 8.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 如果光子的能量如果光子的能量E E大于電子的逸出功大于電子的逸出功A A，這時(shí)逸，這時(shí)逸出物體表面的電子就具有動(dòng)能，產(chǎn)生光電子發(fā)射。出物體表面的電子就具有動(dòng)能，產(chǎn)生光電子發(fā)射。 2012EhmvA由能量守恒定律有由能量守恒定律有：常見(jiàn)的器件有常見(jiàn)的器件有光電管、光電光電管、光電倍增管等倍增管等中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光

5、電式傳感器光電式傳感器u光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)： 入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。 這種效應(yīng)幾乎所有高電阻這種效應(yīng)幾乎所有高電阻 率半導(dǎo)體都有，為使電子從率半導(dǎo)體都有，為使電子從 價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子 的能量的能量E0E0應(yīng)大于禁帶寬度應(yīng)大于禁帶寬度EgEg。 基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件常見(jiàn)的有常見(jiàn)的有光敏電阻光敏電阻。8.1 8.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)u在光線的作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或在光線的作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電勢(shì)的效應(yīng)稱為產(chǎn)生光生電勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)

6、光電效應(yīng)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器u光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)： 光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PNPN結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。 為什么為什么PNPN結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？ 有下面兩種情況：有下面兩種情況： 8.1 8.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 當(dāng)光照射在當(dāng)光照射在PNPN結(jié)時(shí)，如果電子能量大于半導(dǎo)體禁帶結(jié)時(shí)，如果電子能量大于半導(dǎo)體禁帶 寬度（寬度（E0

7、 E0 EgEg）, ,可激發(fā)出電子可激發(fā)出電子空穴對(duì)，在空穴對(duì)，在 PNPN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下空穴移向結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下空穴移向P P區(qū)，而電子移向區(qū)，而電子移向N N區(qū)，區(qū)， 使使P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，區(qū)之間產(chǎn)生電壓， 這個(gè)電壓就是光生電動(dòng)勢(shì)這個(gè)電壓就是光生電動(dòng)勢(shì). . 基于這種效應(yīng)的器件有基于這種效應(yīng)的器件有 光電池光電池8.1 8.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 處于反偏的處于反偏的PNPN結(jié)：結(jié)： 無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??；無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??； 有光照時(shí)，光子能量足夠大產(chǎn)生光

8、生電子有光照時(shí)，光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，空穴對(duì)， 在在PNPN結(jié)電場(chǎng)作用下，形成光電流，結(jié)電場(chǎng)作用下，形成光電流， 光照越大光電流越大。光照越大光電流越大。 具有這種性能的器件有：具有這種性能的器件有： 光敏二極管、光敏晶體管光敏二極管、光敏晶體管. .8.1 8.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光電器件是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件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。它是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。8.2 8.2 光電器件光電器件光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電器

9、件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)光電效應(yīng)：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件 1.1.光電管光電管RUI光強(qiáng) 當(dāng)光線照射在光敏材料上時(shí)，如果光子的能量當(dāng)光線照射在光敏材料上時(shí)，如果光子的能量E E大于電大于電子的逸出功子的逸出功A A（E EA A），會(huì)有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子），會(huì)有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽(yáng)極吸引，被帶有正電的陽(yáng)極吸引， 在光電管內(nèi)形成電子流，在光電管內(nèi)形成電子流， 電流在回路電阻電流在回路電阻R R上產(chǎn)生上產(chǎn)生 正比于電流大小的壓降。正比于電流大小的壓降。因此因此中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算

10、機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件 1. 1.光電管光電管中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件2.2.光電倍增管光電倍增管光電倍增管是利用二次電子釋放光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。放大。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)是在玻光敏電阻的

11、工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)是在玻璃底板上涂一層對(duì)光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有金屬電極，璃底板上涂一層對(duì)光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。 光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號(hào)光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號(hào) 8.2 8.2 光電器件光電器件 3.3.光敏電阻光敏電阻中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光敏電阻光照特性光敏電阻光照特性 無(wú)光照時(shí)，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；無(wú)光照時(shí)，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值； 有光照時(shí)，電阻值隨光強(qiáng)增加而降低；有光照時(shí)，電阻值隨光強(qiáng)增加而降低； 光照停止時(shí)，自由電

12、子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。光照停止時(shí)，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。 光敏電阻主要參數(shù)光敏電阻主要參數(shù) 暗電阻暗電阻無(wú)光照時(shí)的電阻；無(wú)光照時(shí)的電阻； 暗電流暗電流無(wú)光照時(shí)的電流；無(wú)光照時(shí)的電流； 亮電阻、亮電流亮電阻、亮電流受光照時(shí)的阻值、電流；受光照時(shí)的阻值、電流； 光電流光電流亮電流與暗電流之差稱光電流亮電流與暗電流之差稱光電流 。8.2 8.2 光電器件光電器件 3. 3.光敏電阻光敏電阻 光敏電阻具有光譜特性好、光敏電阻具有光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)、體積小的特點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)、體積小的特點(diǎn)，因此應(yīng)用廣泛。因此應(yīng)用廣泛。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)

13、算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 伏安特性伏安特性 給定偏壓給定偏壓 光照越大光電流越大；光照越大光電流越大； 給定光照度給定光照度 電壓越大光電流越大；電壓越大光電流越大； 光敏電阻的伏安特性光敏電阻的伏安特性 曲線不彎曲、無(wú)飽和，曲線不彎曲、無(wú)飽和， 但受最大功耗限制。但受最大功耗限制。 8.2 8.2 光電器件光電器件 3.3.光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性光敏電阻伏安特性光敏電阻伏安特性中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光譜特性光譜特性 光敏電阻靈敏度與入射波長(zhǎng)有關(guān)光敏電阻靈敏度與入射波長(zhǎng)有關(guān);

14、 ; 光敏電阻靈敏度與半導(dǎo)體摻雜的材料有關(guān)，光敏電阻靈敏度與半導(dǎo)體摻雜的材料有關(guān)， 例圖：例圖： 硫化鎘（硫化鎘（CdSCdS）0.30.30.8(m) 0.8(m) 硫化鉛（硫化鉛（PbSPbS）1.01.03.5(m) 3.5(m) 銻化銦（銻化銦（InSbInSb）1.01.07.3(m) 7.3(m) 8.2 8.2 光電器件光電器件 3.3.光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光敏電阻的頻率特性光敏電阻的頻率特性100806040200101001000100002硫化鉈硫化鉈1硫化鉛硫化鉛f / HzS

15、r / % 光電器件相對(duì)光譜靈敏光電器件相對(duì)光譜靈敏度度( (輸出端電壓輸出端電壓( (電流電流) )的振的振幅幅) )隨調(diào)制光頻率的變化關(guān)隨調(diào)制光頻率的變化關(guān)系稱為光電器件的頻率特性。系稱為光電器件的頻率特性。由于光電器件有一定的惰性由于光電器件有一定的惰性, ,在一定幅度的正弦調(diào)制光照在一定幅度的正弦調(diào)制光照射下射下, ,當(dāng)頻率較低時(shí)當(dāng)頻率較低時(shí), ,靈敏度靈敏度與頻率無(wú)關(guān)與頻率無(wú)關(guān); ;若頻率增高若頻率增高, ,靈靈敏度就會(huì)逐漸降低。敏度就會(huì)逐漸降低。頻率特性頻率特性8.2 8.2 光電器件光電器件 3.3.光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第

16、8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 溫度特性溫度特性 光敏電阻的靈敏度、光敏電阻的靈敏度、 暗電流與溫度的關(guān)系。暗電流與溫度的關(guān)系。 1008060402001.02.03.04.0入射光波長(zhǎng) /m相對(duì)靈敏度 / 20 208.2 8.2 光電器件光電器件 3.3.光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光敏電阻開(kāi)關(guān)電路光敏電阻開(kāi)關(guān)電路8.2 8.2 光電器件光電器件 3.3.光敏電阻光敏電阻應(yīng)用應(yīng)用( (測(cè)試電路測(cè)試電路) )中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 8.

17、2 8.2 光電器件光電器件 4. 4. 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏晶體管工作原理主要基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏晶體管工作原理主要基于內(nèi)光電效應(yīng)。 特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、 可靠性高可靠性高; ; 廣泛應(yīng)用于可見(jiàn)光和遠(yuǎn)紅外探測(cè)，以及自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)廣泛應(yīng)用于可見(jiàn)光和遠(yuǎn)紅外探測(cè)，以及自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件 4. 4. 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管

18、 光敏二極管光敏二極管 光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它們都有一個(gè)極管相似，它們都有一個(gè)P PN N結(jié)，并且都是單向?qū)щ娊Y(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)的非線性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，換效率大面積受光，PNPN結(jié)面結(jié)面積比一般二極管大。積比一般二極管大。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器工作原理：工作原理： 光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)， 無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大， 反向電流很小；反向電流很小； 有光照時(shí)，有光照時(shí)，PNPN結(jié)處

19、產(chǎn)生光生結(jié)處產(chǎn)生光生 電子空穴對(duì)；電子空穴對(duì)； 在電場(chǎng)作用下形成光電流，在電場(chǎng)作用下形成光電流， 光照越強(qiáng)光電流越大；光照越強(qiáng)光電流越大； 光電流方向與反向電流一致。光電流方向與反向電流一致。 8.2 8.2 光電器件光電器件 4.4.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏二極管光敏二極管 光敏二極管基本電路光敏二極管基本電路 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器v 基本特性：基本特性： （自學(xué)）（自學(xué)）P133 P133 光照特性，光照特性， 光譜特性光譜特性 伏伏安特性安特性 頻率特性頻率特性 溫度特性溫度特性8.2 8.2 光電

20、器件光電器件 4.4.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏二極管光敏二極管中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 伏安特性伏安特性 當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，光電當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，光電流隨電壓變化比較敏感，流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，光生隨反向偏壓的加大，光生電流趨于飽和，這時(shí)光生電流趨于飽和，這時(shí)光生電流與所加偏壓幾乎無(wú)關(guān)，電流與所加偏壓幾乎無(wú)關(guān)，只取決于光照強(qiáng)度。只取決于光照強(qiáng)度。光敏二極管的伏安特性光敏二極管的伏安特性8.2 8.2 光電器件光電器件 4.4.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏二極管光敏二極管

21、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 與普通晶體管不同的是，光敏晶與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極體管是將基極集電極結(jié)作為光敏集電極結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)做受光結(jié)。二極管，集電結(jié)做受光結(jié)。 大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引線，大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引線，集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個(gè)小集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個(gè)小孔，讓光照射到集電結(jié)?？?，讓光照射到集電結(jié)。8.2 8.2 光電器件光電器件 4.4.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管光敏三極管光敏三極管光敏晶極管結(jié)構(gòu)光敏晶極管結(jié)構(gòu) NNPb b ICOICN輸入光輸入光發(fā)射極發(fā)射極電

22、極電極基極電極基極電極ICO基極基極 B集電極集電極 C發(fā)射極發(fā)射極 E保護(hù)膜保護(hù)膜(SiO2)集電極電極集電極電極(a)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 硅（硅（SiSi）光敏晶體極管一般都是）光敏晶體極管一般都是NPNNPN結(jié)構(gòu)，光照射在集電結(jié)結(jié)構(gòu)，光照射在集電結(jié)的基區(qū)，產(chǎn)生電子、空穴，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下的基區(qū)，產(chǎn)生電子、空穴，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高，這樣，發(fā)正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高，這樣，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，射極便有大

23、量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流增益。在負(fù)載電阻使晶體管具有電流增益。在負(fù)載電阻RLRL上的上的輸出電壓為：輸出電壓為： 0pLViRbb晶體管電流放大系數(shù)晶體管電流放大系數(shù) 8.2 8.2 光電器件光電器件 4.4.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管光敏三極管光敏三極管中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器補(bǔ)應(yīng)用補(bǔ)應(yīng)用8.2 8.2 光電器件光電器件4.4.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光電池工作原理也是基于光

24、生伏特效應(yīng)，可以直接將光能光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)，可以直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時(shí)就是電源，廣泛用于宇航轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時(shí)就是電源，廣泛用于宇航電源，另一類用于檢測(cè)和自動(dòng)控制等。電源，另一類用于檢測(cè)和自動(dòng)控制等。 光電池種類很多，有硒光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化光電池種類很多，有硒光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等。銅等等。8.2 8.2 光電器件光電器件 5.5.光電池（有源器件）光電池（有源器件）光光 電電 池池 符符 號(hào)號(hào)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件5.5.光電

25、池（有源器件）結(jié)構(gòu)光電池（有源器件）結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積PNPN結(jié)，上電極為柵狀受光電結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。極，下電極是一層襯底鋁。 原理：當(dāng)光照射原理：當(dāng)光照射PNPN結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。一般可產(chǎn)在結(jié)電場(chǎng)作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。一般可產(chǎn)生生0.2V0.2V0.6V0.6V電壓電壓50mA50mA電流。電流。 光電池結(jié)構(gòu)光電池結(jié)構(gòu) 光電池工作原理圖光電池工作原理圖 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章

26、 光電式傳感器光電式傳感器光照特性光照特性 開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓短路電流短路電流光譜特性光譜特性頻率特性頻率特性溫度特性溫度特性8.2 8.2 光電器件光電器件5.5.光電池（有源器件）特性光電池（有源器件）特性中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器v 電路連接電路連接 光電池作為控制元件時(shí)通常接非線性負(fù)載，光電池作為控制元件時(shí)通常接非線性負(fù)載，控制晶體管工作?？刂凭w管工作。 光電池作為電源使用時(shí)，根據(jù)使用要求進(jìn)行光電池作為電源使用時(shí)，根據(jù)使用要求進(jìn)行連接。連接。 需要高電壓時(shí)應(yīng)將光電池串聯(lián)使用；需要高電壓時(shí)應(yīng)將光電池串聯(lián)使用； 需要大電流時(shí)應(yīng)將光電

27、池并聯(lián)使用。需要大電流時(shí)應(yīng)將光電池并聯(lián)使用。 8.2 8.2 光電器件光電器件 5.5.光電池（有源器件）光電池（有源器件）中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 硅管的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為硅管的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.6V0.6V0.7V0.7V，光電池的，光電池的 0.5V0.5V電壓起不到控制作用，可將兩個(gè)光電池串聯(lián)電壓起不到控制作用，可將兩個(gè)光電池串聯(lián) 后接入基極，或用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。后接入基極，或用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。 有光照度變化時(shí)，引起基極電流有光照度變化時(shí)，引起基極電流IbIb變化，集電極變化，集電極 電流發(fā)生電流發(fā)生倍的變化。電流

28、倍的變化。電流IcIc與光照近似線性關(guān)系。與光照近似線性關(guān)系。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件 6.6.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和光電接收元件合并使用, , 以光作為媒介傳遞信號(hào)以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)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)光二極管體的發(fā)光二極管, , 光電接收元件有光敏電阻、光敏光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。根

29、據(jù)其結(jié)構(gòu)和二極管、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(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器用途不同，又可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測(cè)有無(wú)物體的光電開(kāi)關(guān)。和用于檢測(cè)有無(wú)物體的光電開(kāi)關(guān)。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 又稱光電隔離器又稱光電隔離器: :“光耦光耦”器件由發(fā)光元件和接收光器件由發(fā)光元件和接收光敏元件（光敏電阻、光敏二極管、晶體管等）集成敏元件（光敏電阻、光敏二極管、晶體管等）集成在一起，發(fā)光管輻射可見(jiàn)光或紅外光，受光器件在在一起，發(fā)光管輻射可見(jiàn)光或紅外光，受光器件在光輻射作用下控制輸出電流大小。通過(guò)電光輻射作

30、用下控制輸出電流大小。通過(guò)電光、光、光光電，兩次轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸入輸出耦合。電，兩次轉(zhuǎn)換進(jìn)行輸入輸出耦合。8.2 8.2 光電器件光電器件6.6.光電耦合器件光電耦合器件( (光電耦合器光電耦合器) )中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)內(nèi), , 一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。 耦合器常見(jiàn)的耦合器常見(jiàn)的組合形式如下圖所示。組合形式如下圖所示。 光電耦合器實(shí)際上是一個(gè)電量隔離轉(zhuǎn)換器光電耦合器實(shí)際上是一個(gè)電量隔離轉(zhuǎn)換器, , 它具有抗干擾性

31、它具有抗干擾性能和單向信號(hào)傳輸功能能和單向信號(hào)傳輸功能, , 廣泛應(yīng)用在電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、廣泛應(yīng)用在電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等場(chǎng)合噪聲抑制、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等場(chǎng)合. . 8.2 8.2 光電器件光電器件6.6.光電耦合器件光電耦合器件( (光電耦合器光電耦合器) )中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光電耦合器用于光電耦合器用于天然氣點(diǎn)火器電路天然氣點(diǎn)火器電路8.2 8.2 光電器件光電器件6.6.光電耦合器件光電耦合器件( (光電耦合器光電耦合器) )中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感

32、器 透射式，當(dāng)不透明物質(zhì)位于中透射式，當(dāng)不透明物質(zhì)位于中間時(shí)會(huì)阻斷光路，接受器產(chǎn)生間時(shí)會(huì)阻斷光路，接受器產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。相應(yīng)的電信號(hào)。 反射式，光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射與接反射式，光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射與接受器件光軸在同一平面上，以受器件光軸在同一平面上，以某一角度相交，交點(diǎn)處為待測(cè)某一角度相交，交點(diǎn)處為待測(cè)點(diǎn)，當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)待測(cè)點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)，當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)待測(cè)點(diǎn)時(shí)，接受元件接收到物體表面反射接受元件接收到物體表面反射的光線。的光線。8.2 8.2 光電器件光電器件6.6.光電耦合器件光電耦合器件( (光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)) ) 光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)與外形光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)與外形中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章

33、章 光電式傳感器光電式傳感器6.6.應(yīng)用應(yīng)用( (鼠標(biāo)鼠標(biāo)) )電路板上的光電收發(fā)器（感應(yīng)垂電路板上的光電收發(fā)器（感應(yīng)垂直軌跡轉(zhuǎn)軸和水平軌跡轉(zhuǎn)軸上的直軌跡轉(zhuǎn)軸和水平軌跡轉(zhuǎn)軸上的圓盤(pán)光柵的移動(dòng)，光敏三極管在圓盤(pán)光柵的移動(dòng)，光敏三極管在接收發(fā)光二極管發(fā)出的光時(shí)被圓接收發(fā)光二極管發(fā)出的光時(shí)被圓盤(pán)光柵間斷地阻擋，產(chǎn)生與二維盤(pán)光柵間斷地阻擋，產(chǎn)生與二維空間位移相關(guān)的脈沖信號(hào)。空間位移相關(guān)的脈沖信號(hào)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 當(dāng)光電鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，其移動(dòng)軌跡便會(huì)被記錄為一組當(dāng)光電鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，其移動(dòng)軌跡便會(huì)被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。最后利用光電鼠

34、標(biāo)內(nèi)部的一塊專高速拍攝的連貫圖像。最后利用光電鼠標(biāo)內(nèi)部的一塊專用圖像分析芯片（用圖像分析芯片（DSPDSP，即數(shù)字微處理器）對(duì)移動(dòng)軌跡，即數(shù)字微處理器）對(duì)移動(dòng)軌跡上攝取的一系列圖像進(jìn)行分析處理，通過(guò)對(duì)這些圖像上上攝取的一系列圖像進(jìn)行分析處理，通過(guò)對(duì)這些圖像上特征點(diǎn)位置的變化進(jìn)行分析，來(lái)判斷鼠標(biāo)的移動(dòng)方向和特征點(diǎn)位置的變化進(jìn)行分析，來(lái)判斷鼠標(biāo)的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離。移動(dòng)距離。6.6.應(yīng)用應(yīng)用( (鼠標(biāo)鼠標(biāo)) )中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件6.6.應(yīng)用應(yīng)用討論：如何使用光電耦合器、電阻、討論：如何使用光電耦合器、

35、電阻、NPNNPN三極管搭建基三極管搭建基本邏輯電路（本邏輯電路（A A、B B為輸入信號(hào)，為輸入信號(hào)，C C為輸出信號(hào)）為輸出信號(hào)） BACBACC=A+B C=AB B 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器BACBAC8.2 8.2 光電器件光電器件6.6.應(yīng)用應(yīng)用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器C=A+BC=A+B C=AB 8.2 8.2 光電器件光電器件6.6.應(yīng)用應(yīng)用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 電荷耦合器件，又稱電荷耦合器件，

36、又稱CCDCCD圖象傳感器，是一種大規(guī)模集成電圖象傳感器，是一種大規(guī)模集成電路光電器件路光電器件, ,它以電荷為信號(hào)，具有具有光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，存它以電荷為信號(hào)，具有具有光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移并讀出信號(hào)電荷的功能儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移并讀出信號(hào)電荷的功能。 特點(diǎn)：集成度高、尺寸小、電壓低（特點(diǎn)：集成度高、尺寸小、電壓低（DC7DC712V12V）、功耗小。）、功耗小。 該技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了各種視頻裝置的普及和微型化，應(yīng)用遍該技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了各種視頻裝置的普及和微型化，應(yīng)用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個(gè)領(lǐng)域。及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個(gè)領(lǐng)域。8.2 8.2 光電器件光電器件

37、 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） ChargeChargeCoupled DevicesCoupled Devices 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件電荷耦合器件電荷耦合器件基于基于CCDCCD光電耦器件的輸入設(shè)備：光電耦器件的輸入設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字相機(jī)、平板掃數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字相機(jī)、平板掃描儀、指紋機(jī)描儀、指紋機(jī)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）CCDCCD基本結(jié)構(gòu)和工作

38、原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理 CCD CCD的基本單元是的基本單元是MOS MOS （金屬（金屬氧化氧化物物半導(dǎo)體半導(dǎo)體.）電容器，與其它電容器一）電容器，與其它電容器一樣，樣，MOSMOS電容器能夠存儲(chǔ)電荷。每一個(gè)電容器能夠存儲(chǔ)電荷。每一個(gè)MOSMOS結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)光敏元或像素。結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)光敏元或像素。 電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千（萬(wàn)）個(gè)光敏元，在半導(dǎo)體作成百上千（萬(wàn)）個(gè)光敏元，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。排列。CCDCCD結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 顯微鏡下的MOS元表面中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)

39、計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 在這種在這種P P型硅襯底中，在電極施加?xùn)艠O電壓型硅襯底中，在電極施加?xùn)艠O電壓VGVG之前，空之前，空穴的分布是均勻的，當(dāng)電極相對(duì)于襯底施加正柵壓穴的分布是均勻的，當(dāng)電極相對(duì)于襯底施加正柵壓VGVG時(shí)，時(shí)，在電極下的空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡層，當(dāng)柵壓繼續(xù)增加，在電極下的空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡層，當(dāng)柵壓繼續(xù)增加，耗盡層將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸。當(dāng)光信號(hào)照射到耗盡層將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸。當(dāng)光信號(hào)照射到CCDCCD硅片硅片表面時(shí)表面時(shí), , 在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)空穴對(duì), , 其多其多數(shù)載流子（空穴）被排

40、斥進(jìn)入襯底數(shù)載流子（空穴）被排斥進(jìn)入襯底, , 而少數(shù)載流子（電子）而少數(shù)載流子（電子）則被收集在勢(shì)阱中則被收集在勢(shì)阱中, , 形成信號(hào)電荷形成信號(hào)電荷, , 并存儲(chǔ)起來(lái)。存儲(chǔ)電并存儲(chǔ)起來(lái)。存儲(chǔ)電荷的多少正比于照射的光強(qiáng)。荷的多少正比于照射的光強(qiáng)。 如果照射在這些光敏元上是如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖像，那么一幅明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就感生出一幅與這些光敏元就感生出一幅與光照度響應(yīng)的光生電荷圖像。光照度響應(yīng)的光生電荷圖像。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件 7.7.電荷耦合器件（電荷耦合器件

41、（CCDCCD） 電荷的轉(zhuǎn)移電荷的轉(zhuǎn)移 要求要求CCDCCD是由一系列彼此非?？拷氖怯梢幌盗斜舜朔浅？拷腗OSMOS電容器組成，電容器組成，用同一半導(dǎo)體做襯底，其上有許多相互絕緣的金屬電極。用同一半導(dǎo)體做襯底，其上有許多相互絕緣的金屬電極。讀出移位寄存器也是讀出移位寄存器也是MOSMOS結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化物、半導(dǎo)體三由金屬電極、氧化物、半導(dǎo)體三部分組成部分組成中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件 7.7.電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） 讀出讀出中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第

42、第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 CCDCCD器件分為線陣器件分為線陣CCDCCD和面陣和面陣CCDCCD，面陣，面陣CCDCCD又可又可分為線轉(zhuǎn)移型、幀轉(zhuǎn)移型、行間轉(zhuǎn)移型。分為線轉(zhuǎn)移型、幀轉(zhuǎn)移型、行間轉(zhuǎn)移型。 線型線型CCDCCD圖像傳感器主要用在測(cè)試、傳真和光圖像傳感器主要用在測(cè)試、傳真和光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)等方面，面型學(xué)文字識(shí)別技術(shù)等方面，面型CCDCCD圖像傳感器主要圖像傳感器主要用于攝像機(jī)及測(cè)試技術(shù)。用于攝像機(jī)及測(cè)試技術(shù)。 電荷耦合器用于固態(tài)圖像傳感器，作為攝像或像電荷耦合器用于固態(tài)圖像傳感器，作為攝像或像敏的器件。敏的器件。CCDCCD固態(tài)圖像傳感器由感光部分和移位固態(tài)圖像傳感器

43、由感光部分和移位寄存器組成。寄存器組成。8.2 8.2 光電器件光電器件 7.7.電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）CCDCCD器件器件中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 CCDCCD傳感器應(yīng)用時(shí)是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導(dǎo)纖維、傳感器應(yīng)用時(shí)是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導(dǎo)纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學(xué)元件結(jié)合，主要用來(lái)裝配輕濾光鏡及反射鏡等各種光學(xué)元件結(jié)合，主要用來(lái)裝配輕型攝像機(jī)、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。型攝像機(jī)、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。 CCDCCD應(yīng)用技術(shù)是光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的高新技術(shù)，應(yīng)用技術(shù)是光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的高新技術(shù)，

44、作為一種非常有效的非接觸檢測(cè)方法，作為一種非常有效的非接觸檢測(cè)方法，CCDCCD被廣泛用于再被廣泛用于再線檢測(cè)尺寸、位移、速度、定位和自動(dòng)調(diào)焦等方面。線檢測(cè)尺寸、位移、速度、定位和自動(dòng)調(diào)焦等方面。8.2 8.2 光電器件光電器件 7.7.電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） CCD CCD傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件 7.7.電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） CCD CCD傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳

45、感器光電式傳感器光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱光纖簡(jiǎn)稱光纖 光纖傳感器是光纖傳感器是2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代中期發(fā)展起來(lái)的一門(mén)年代中期發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)新技術(shù)，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。與其它傳感器展，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點(diǎn)：相比較，光纖傳感器有如下特點(diǎn)： 不受電磁干擾，防爆性能好，不會(huì)漏電打火；不受電磁干擾，防爆性能好，不會(huì)漏電打火； 可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲；可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲； 可以用于高溫、高壓、絕緣性能好，耐腐蝕?？梢杂糜诟邷?、高壓、絕緣性能好，耐腐

46、蝕。8.3 8.3 光纖傳感器光纖傳感器中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.3 8.3 光纖傳感器光纖傳感器1.1.光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理 光纖結(jié)構(gòu)：光纖結(jié)構(gòu)：基本采用石英玻璃，基本采用石英玻璃， 有不同摻雜，主要有不同摻雜，主要 由三部分組成由三部分組成 中心中心纖芯；纖芯； 外層外層包層；包層； 護(hù)套護(hù)套尼龍料。尼龍料。 光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)， 纖芯折射率纖芯折射率N1N1略大于包層折射率略大于包層折射率N2N2（N1N1N2N2）。）。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

47、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.3 8.3 光纖傳感器光纖傳感器1.1.光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理 光纖的傳光原理：光纖的傳光原理： 光纖的傳播基于光的光纖的傳播基于光的全反射全反射。當(dāng)光線以不同角。當(dāng)光線以不同角 度入射到光纖端面時(shí)，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖；度入射到光纖端面時(shí)，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖； v 光線在光纖端面入射角光線在光纖端面入射角減小到某一角度減小到某一角度cc時(shí)，光線全時(shí)，光線全部反射。部反射。 v 只要只要cc，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。前傳播，

48、最后從另一端面射出。2211sinsinnn中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器為保證全反射，必須滿足全反射條件（即為保證全反射，必須滿足全反射條件（即cc） 實(shí)現(xiàn)全反射的臨界入射角為：實(shí)現(xiàn)全反射的臨界入射角為： 221201a rc s in ()cNNN空氣中空氣中01N 2212arcsin()cNNv 可見(jiàn)，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（可見(jiàn)，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（N1N1、N2N2）決定的，與光纖的幾何尺寸無(wú)關(guān)。）決定的，與光纖的幾何尺寸無(wú)關(guān)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式

49、傳感器光電式傳感器8.3 8.3 光纖傳感器光纖傳感器2.2.光纖的性能（幾個(gè)重要參數(shù)）光纖的性能（幾個(gè)重要參數(shù)） 數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NANA） 臨界入射角臨界入射角cc的正弦函數(shù)定義為光纖的數(shù)值孔徑的正弦函數(shù)定義為光纖的數(shù)值孔徑. . 221201sincNANNN空氣中：空氣中：2212NANN12()NN中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器NANA表示光纖的集光能力，無(wú)論光源的發(fā)射功率有多表示光纖的集光能力，無(wú)論光源的發(fā)射功率有多大，只要在大，只要在22c c張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超

50、出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏傳播。若入射角超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏光。光。 一般一般NANA越大集光能力越強(qiáng)，但越大集光能力越強(qiáng)，但NANA越大光信號(hào)畸變?cè)皆酱蠊庑盘?hào)畸變?cè)酱?，要選擇適當(dāng)。大，要選擇適當(dāng)。 產(chǎn)品光纖不給出折射率產(chǎn)品光纖不給出折射率N N，只給數(shù)值孔徑，只給數(shù)值孔徑NANA，石英光，石英光纖的數(shù)值孔徑一般為纖的數(shù)值孔徑一般為0.2-0.40.2-0.4。NANA意義討論：意義討論：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方式，不同入射光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方式，不同入射角度光線在界面上反射的次數(shù)不同，光波之間的干涉產(chǎn)角度光線在界面上反射的次數(shù)不同，光波之間的干涉產(chǎn)生的強(qiáng)度分布也不同?？煞譃閱文：投嗄?。生的強(qiáng)度分布也不同?？煞譃閱文：投嗄?。8.3 8.3 光纖傳感器光纖傳感器2.2.光纖的性能（幾個(gè)重要參數(shù)）光纖的性能（幾個(gè)重要參數(shù)） 光纖模式光纖模式模式值越大，允許傳播的模式值越多。在信息傳播中，模式值越大，允許傳播的模式值越多。在信息傳播中，若同一光信號(hào)采用多種模式會(huì)使光信號(hào)分不同時(shí)間到達(dá)若同一光信號(hào)采用多種模式會(huì)使光信號(hào)分不同時(shí)間到達(dá)多個(gè)信號(hào)，導(dǎo)致合成信