內(nèi)蒙古大學(xué)傳感器與檢測(cè)技術(shù)講義第8章光電式傳感器

1、第8章 光電式傳感器光電式傳感器是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器，光電式傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)。由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，具有非接觸、高精度、高可靠性和反應(yīng)快等特點(diǎn)，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。8.1 光電器件光電器件是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。光電式傳感器的工作原理如圖8-1所示。被測(cè)量的變化被轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。圖中x1表示被測(cè)量能直接引起光量變化的檢測(cè)方式；x2表示被測(cè)量在光傳播過程中調(diào)制光量的檢測(cè)方式。圖8-1 光電式傳感器的工作原理1. 光電效應(yīng)光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)

2、和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。1）外光電效應(yīng) 在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管就屬于這類光電器件。我們知道，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的能量由式（8-1）確定 （8-1）式中，h為普朗克常數(shù)，6.6261034（Js）；為光的頻率（s1）。若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0時(shí)，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。因此，要使一個(gè)電子逸出，則光子能量hv必須超出逸出功A0，超過部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能，即 （8-2）式中，m為電子質(zhì)量；v0為電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。由式（8-2）可知，光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能

3、量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同物體具有不同的逸出功，這意味著每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線頻率小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電流產(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。2）內(nèi)光電效應(yīng) 受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或者產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)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。（1）光電導(dǎo)效

4、應(yīng)：在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從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。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)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(qiáng)，光電導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，如圖8-2所示，從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的導(dǎo)電率變大。為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即 （8-3）圖8-2 電子能級(jí)示意圖式中，、分別為入射光的頻率和波長(zhǎng)。也就是說，對(duì)于一種光電導(dǎo)體材料，總存在一個(gè)照射光波長(zhǎng)限c。只有波長(zhǎng)小于c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

5、光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。（2）光生伏特效應(yīng)：在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。 勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）：接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì) 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(shí)，由載流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電

6、子空穴對(duì)時(shí)，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，出現(xiàn)載流子濃度梯度，因而載流子要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射的部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電勢(shì)2光電管1）結(jié)構(gòu)與工作原理 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兩類，兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖8-3所示。在一個(gè)真空泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極，即光電陰極和光電陽(yáng)極。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對(duì)準(zhǔn)光的照射孔。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(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外

7、電路就產(chǎn)生電流。2）主要性能（1）伏安特性：在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陰極所加電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。真空光電管和充氣光電管的伏安特性如圖8-4所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。 圖8-3 光電管的結(jié)構(gòu) 圖8-4 光電管的伏安特性（2）光照特性：通常指當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間的所加電壓一定時(shí)，光通量和光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。光電管陰極材料不同，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之比）稱為光電管的靈敏度。（3）光譜特性：一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率v0，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使

8、照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率v0，并且強(qiáng)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(huì)不同，即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。3光電倍增管1）結(jié)構(gòu)與原理 光電倍增管也是基于外光電效應(yīng)的器件。由于真空光電管的靈敏度較低，因此人們便研制了光電倍增管，其工作原理如圖8-5所示。光電倍增管由光陰極、次陰極（倍增電極）及陽(yáng)極3部分組成，次陰極多的可達(dá)30級(jí)，通常為1214級(jí)。陽(yáng)極是最后用來收集電子的，它輸出的是電壓脈沖。圖8-5 光電倍增管的外形和工作原理光電倍增管在使用時(shí)，各個(gè)倍增電極上均加上電

9、壓。陰極電位最低，從陰極開始，各個(gè)倍增電極的電位依次升高，陽(yáng)極電位最高。同時(shí)，這些倍增電極用次級(jí)發(fā)射材料制成，這種材料在具有一定能量的電子轟擊下，能夠產(chǎn)生更多的“次級(jí)電子”。由于相鄰兩個(gè)倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場(chǎng)，對(duì)電子加速。每次電子發(fā)射打到下一級(jí)倍增電極上后，電子數(shù)都能增加36倍，如此不斷倍增，陽(yáng)極最后收集到的電子數(shù)將達(dá)到陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍，即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)到幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度比普通光電管高幾萬到幾百萬倍。因此，在很微弱的光照下，它就能產(chǎn)生很大的光電流。2）主要參數(shù)（1）倍增系數(shù)M：倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射電子i的乘積。如果n

10、個(gè)倍增電極的i都一樣，則M=in，因此，陽(yáng)極電流I為 （8-4）式中，i為光電陰極的光電流。光電倍增管的電流放大倍數(shù)為 M與所加電壓有關(guān)，一般在105108之間。如果電壓有波動(dòng)，倍增系數(shù)也要波動(dòng)，因此M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。一般陽(yáng)極和陰極的電壓為10002500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電壓差為50100V。（2）陰極靈敏度和總靈敏度：一個(gè)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(gè)光子在陽(yáng)極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。圖8-6 光電倍增管的特性曲線光電倍增管的放大倍數(shù)或總靈敏度如圖8-6所示。極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會(huì)使陽(yáng)極電流不穩(wěn)

11、。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。（3）光譜特性：光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的光譜特性很相似。（4）暗電流及本底電流：當(dāng)光電倍增管不受光照，但極間加入電壓時(shí)，在陽(yáng)極上會(huì)收集到電子，這時(shí)的電流稱為暗電流，這是熱發(fā)射所致或是場(chǎng)致發(fā)射造成的。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)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對(duì)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。本底電流具有脈沖形式，因此也稱為本底脈沖。4光敏電阻1）結(jié)構(gòu)與原理 光敏電阻又稱為光導(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

12、電器件。光敏電阻器由硫化隔制成，所以簡(jiǎn)稱為CDS。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值（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，亮電阻越小越好，此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí)，亮電阻在幾千歐以下。圖8-7所示為光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)。它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層

13、漆膜，漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。2）主要參數(shù)（1）暗電阻：光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流稱為暗電流。（2）亮電阻：光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。（3）光電流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。3）基本特性（1）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關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。圖8-8所示為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。由圖可見，光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其I-U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)。 圖8-7 光敏電阻結(jié)構(gòu) 圖8-8 硫化鎘光敏電阻的伏安特性在給定的偏壓

14、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，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)。（2）光譜特性：光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光譜特性，也稱為光譜響應(yīng)。圖8-9所示為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)，光敏電阻的靈敏度是不同的。從圖中可見，硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見光區(qū)域，常被用做光度量測(cè)量（照度計(jì)）的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū)，常用做火焰探測(cè)器的探頭。（3）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(qiáng)之間的關(guān)系，如圖8-10所示。 圖8-9

15、 光敏電阻的光譜特性 圖8-10 光敏電阻的光照特性由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測(cè)量元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用做開關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。（4）溫度特性：光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻和靈敏度都下降。溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)，尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。圖8-11所示為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線，它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。因此，硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對(duì)于可見光的光敏電阻，其溫度影響要小一些。（5）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性：實(shí)驗(yàn)證明，光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后，通常用時(shí)間常數(shù)t來

16、描述，這叫做光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象。所謂時(shí)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63%所需的時(shí)間，因此，t越小，響應(yīng)越迅速，但大多數(shù)光敏電阻的時(shí)間常數(shù)都較大，這是它的缺點(diǎn)之一。不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時(shí)間，所以它們的頻率特性也就不盡相同。圖8-12所示為硫化鎘和硫化鉛的光敏電阻的頻率特性，硫化鉛的使用頻率范圍大，其他都較差。 圖8-11 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線 圖8-12 光敏電阻的頻率特性圖8-13 CDS 實(shí)驗(yàn)電路4）基本應(yīng)用電路 在圖8-13所示的電路中，利用光敏電阻將光線的強(qiáng)弱變?yōu)殡娮柚档淖兓赃_(dá)到光控制電路的目的。此時(shí)CDS是在正常的光線照射下工作的，調(diào)整R1

17、使LED1 剛好由暗轉(zhuǎn)亮，因?yàn)镃DS的阻值不大，所以電源電壓經(jīng)過CDS、R1及R2 的分壓結(jié)果，使Ub1點(diǎn)有一個(gè)電位存在，此Ub1電壓足以使VT1導(dǎo)通，故Ub2點(diǎn)的電位必然下降，且VT2為PNP 晶體管，所以一旦其B極電壓（Ub）下降至低于射極電壓（UCC）一個(gè)UBE偏壓時(shí)，VT2便也導(dǎo)通，所以LED1點(diǎn)亮。反之，用手遮住CDS所受的光時(shí)，CDS 的阻值增加，促使Ub1電壓下降，當(dāng)Ub1小于0.7V時(shí)，VT1截止，Ub2電壓上升。VT2的基極電壓增加，使VT2也隨之截止，所以LED1熄滅。因此CDS受光時(shí)，LED1亮，若CDS沒有受光，則LED1熄滅。5光敏二極管和光敏晶體管1）結(jié)構(gòu)原理 光敏

18、二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射，如圖8-14（a）所示。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖8-14（b）所示。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。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)。它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此，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)。 圖8-14 光敏二極管的結(jié)構(gòu)原理光敏晶體管與一般晶體管很相似，有PNP、NPN型兩種，具有兩個(gè)PN結(jié)，只是它的發(fā)射極一

19、邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。圖8-15所示為NPN型光敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓；當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，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的倍，所以光敏晶體管有放大作用。光敏二極管和光敏晶體管的材料幾乎都是硅（Si）。在形態(tài)上，有單體型和集合型，集合型是在一塊基片上有兩個(gè)以上光敏二極管，比如在后面講到的CCD圖像傳感器中的光耦合器件，就是由光敏晶體管和其他發(fā)光元件組合而成的。2）基本特性（1）光譜特性：光敏二極

20、管和晶體管的光譜特性曲線如圖8-16所示。從曲線可以看出，硅的峰值波長(zhǎng)約為0.9m，鍺的峰值波長(zhǎng)約為1.5m，此時(shí)靈敏度最大，而當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加或縮短時(shí)，相對(duì)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(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。但對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，鍺管較為適宜。 圖8-15 NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路 圖8-16 光敏晶體（二極）管的光譜特性（2）伏安特性：圖8-17所示為硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲線。從圖中可見，光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。圖8-17 硅光敏管的伏安特性（3）溫度特性：光敏晶體管的溫度特性是指其暗電流及光電

21、流與溫度的關(guān)系。光敏晶體管的溫度特性曲線如圖8-18所示。從特性曲線可以看出，溫度變化對(duì)光電流影響很小，而對(duì)暗電流影響很大，所以在電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。圖8-18 光敏晶體管的溫度特性6光電池光電池是在光線照射下直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面（如P型面）時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴，電子空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，最后建

22、立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。圖8-19所示為光電池工作原理圖。1）基本特性（1）光譜特性：光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度是不同的。圖8-20所示為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從圖中可知，不同材料的光電池，光譜響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)是不同的，硅光電池在0.8m附近，硒光電池在0.5m附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為0.41.2m，而硒光電池的范圍只能為0.380.75m?？梢姽韫怆姵乜梢栽诤軐挼牟ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)得到應(yīng)用。（2）光照特性：光電池在不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。圖8-21所示為硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關(guān)系曲線。從圖中看出，短路

23、電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度成線性關(guān)系，開路電壓（負(fù)截電阻RL無限大時(shí)）與光照度的關(guān)系是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)就趨于飽和了。因此把光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用，不能用做電壓源。 圖8-19 光電池工作原理 圖8-20 光電池的光譜特性（3）溫度特性：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)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。光電池的溫度特性如圖8-22所示。從圖中看出，開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對(duì)光電池的

24、工作有很大影響，因此把它作為測(cè)量器件應(yīng)用時(shí)，最好能保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。圖8-21 硅光電池的光照特性（4）頻率特性：光電池的頻率特性就是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系，如圖8-23所示。從曲線可以看出，硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用于高速計(jì)數(shù)、有聲電影等方面。這就是硅光電池在所有光電元件中最為突出的優(yōu)點(diǎn)。 圖8-22 硅光電池的溫度特性 圖8-23 光電池的頻率特性2）應(yīng)用電路 光電池轉(zhuǎn)換電路如圖8-24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，其外形是由4個(gè)相同的光電池串聯(lián)而成，其開路電壓約為2V，短路電流約為0.08A/lx。圖8-24 光電池轉(zhuǎn)換電路

25、由光電池特性得知，光電池的開路電壓Uop與入射光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比，成非線性關(guān)系，而短路電流Ish則是與照度成正比，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。圖8-24中的U1為一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換電路，可將光電池的短路電流轉(zhuǎn)換成電壓。因運(yùn)算放大器有虛接地的特性，且光電池接在運(yùn)算放大器的正負(fù)兩端相當(dāng)于光電池短路。又因運(yùn)算放大器的輸入電流幾乎為零，所以全部的Ish流到R6與R7，使U1的輸出電壓Vl=Ish(R6+R7)。所以可調(diào)整R7的大小，使得輸出電壓為1mV/lx，這種調(diào)整方式，稱為擴(kuò)展率調(diào)整（Span adjust）。若現(xiàn)場(chǎng)含有AC110V，60Hz的交流成分存在。由R8（10

26、k），C1（10F）所組成的低通濾波器，可將120Hz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電壓信號(hào)。而U2是一個(gè)電壓跟隨器（AV1），作為緩沖器使用。7光耦合器件光耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件。光耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管，光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光晶閘硅等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光耦合器和用于檢測(cè)有無物體的光電開關(guān)。1）光耦合器 光耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。光耦合器常見的組合形式如圖8-25所示。圖8-25

27、光耦合器組合形式圖8-25（a）所示的組合形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，且輸出電流較大，可達(dá)100mA，響應(yīng)時(shí)間為34s。圖（b）形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低、響應(yīng)時(shí)間快，約為1s，但輸出電流小，在50300A之間。圖（c）形式傳輸效率高，但只適用于較低頻率的裝置中。圖（d）是一種高速、高傳輸效率的新穎器件。對(duì)圖中所示無論何種形式，為保證其有較佳的靈敏度，都考慮了發(fā)光與接收波長(zhǎng)的匹配。光耦合器實(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、噪聲抑制、無觸點(diǎn)開關(guān)及固態(tài)繼電器等場(chǎng)合。2）光電開關(guān) 光電開關(guān)是一種利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同

28、時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號(hào)的器件。圖8-26所示為典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖，圖（a）所示的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)不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時(shí)，會(huì)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(cè)作用；圖（b）所示的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，交點(diǎn)一般即為待測(cè)物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過時(shí)，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時(shí)則接收不到。光電開關(guān)的特點(diǎn)是小型、高速、非接觸，而且與TTL、MOS等電路容易結(jié)合。圖8-26 光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)用光電開關(guān)檢測(cè)物

29、體時(shí)，大部分只要求其輸出信號(hào)有“高”、“低”（“1”或“0”）之分即可。圖8-27是基本電路的示例。（a）、（b）表示負(fù)載為CMOS比較器等高輸入阻抗電路時(shí)的情況，（c）表示用晶體管放大光電流的情況。光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中，作為光控制和光探測(cè)裝置。可在自控系統(tǒng)中用做物體檢測(cè)，產(chǎn)品計(jì)數(shù)，料位檢測(cè)，尺寸控制，安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等用途。圖8-27 光電開關(guān)的基本電路8電荷耦合器件電荷耦合器件（Charge Couple Device，CCD）是一種金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路器件。它以電荷作為信號(hào)，基本功能是進(jìn)行電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。自1970年CCD問世

30、以來，由于其低噪聲等特點(diǎn)而發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于在微光電視攝像、信息存儲(chǔ)和信息處理等方面。1）CCD原理 構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器，如8-28所示。與其他電容器一樣，MOS電容器能夠存儲(chǔ)電荷。如果MOS電容器中的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓時(shí)，在其電極下形成耗盡層，由于電子在那里勢(shì)能較低，形成了電子的勢(shì)阱，如圖8-29所示，成為蓄積電荷的場(chǎng)所。CCD的最基本結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷腗OS電容器，這些電容器用同一半導(dǎo)體襯底制成，襯底上面覆蓋一層氧化層，并在其上制作許多金屬電極，各電極按三相（也有二相和四相）配線方式連接。CCD的基本功能是存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)

31、電荷的轉(zhuǎn)換，必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢(shì)阱相互溝通，即相互耦合；控制相鄰MOC電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢(shì)阱深淺，使信號(hào)電荷由勢(shì)阱淺的地方流向勢(shì)阱深處；在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰MOS電荷為一單元的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)。每一單元稱為一位，將每一位中對(duì)應(yīng)位置上的電容柵極分別連到各自共同電極上，此共同電極稱為相線。一位CCD中含的電容個(gè)數(shù)即為CCD的相數(shù)。每相電極連接的電容個(gè)數(shù)一般來說即為CCD的位數(shù)。通常CCD有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們所施加的時(shí)鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。當(dāng)這種時(shí)序脈沖加到CCD的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)上時(shí)

32、，將實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的定向轉(zhuǎn)移。圖8-30所示為三相CCD時(shí)鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系。當(dāng)電壓從1相移到2相時(shí)，1相電極下勢(shì)阱消失，2相電極下形成勢(shì)阱。這樣存儲(chǔ)于1相電極下勢(shì)阱中的電荷移到鄰近的2相電極下勢(shì)阱中，實(shí)現(xiàn)電荷的耦合與轉(zhuǎn)移。 圖8-28 MOS電容的結(jié)構(gòu) 圖8-29 勢(shì)阱的形成圖8-30 三相CCD信息電荷傳輸原理圖CCD的信號(hào)是電荷，那么信號(hào)電荷是怎樣產(chǎn)生的呢？CCD的信號(hào)電荷產(chǎn)生有兩種方式，即光信號(hào)注入和電信號(hào)注入。CCD用做固態(tài)圖像傳感器時(shí)，接收的是光信號(hào)，即光信號(hào)注入法。當(dāng)光信號(hào)照射到CCD硅片表面時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其多數(shù)載流子（空穴）被排斥進(jìn)入襯底，而少數(shù)

33、載流子（電子）則被收集在勢(shì)阱中，形成信號(hào)電荷，并存儲(chǔ)起來。存儲(chǔ)電荷的多少正比于照射的光強(qiáng)。CCD在用做信號(hào)處理或存儲(chǔ)器件時(shí)，電荷輸入采用電信號(hào)注入，也就是CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。CCD輸出端有浮置擴(kuò)散輸出端和浮置柵極輸出端兩種形式，如圖8-31所示。圖8-31 CCD的輸出端形式浮置擴(kuò)散輸出端是信號(hào)電荷注入末級(jí)浮置擴(kuò)散的PN結(jié)之后，所引起的電位改變作用于MOSFET的柵極。這一作用結(jié)果必然調(diào)制其源-漏極間電流，這個(gè)被調(diào)制的電流即可作為輸出。當(dāng)信號(hào)電荷在浮置柵極下方通過時(shí)，浮置柵極輸出端電位必然改變，檢測(cè)出此改變值即為輸出信號(hào)。由CCD工作原理

34、可以看出，CCD器件具有存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移電荷和逐一讀出信號(hào)電荷的功能。因此，CCD器件是固體自掃描半導(dǎo)體攝像器件，有效地應(yīng)用于圖像傳感器。2）CCD的應(yīng)用（CCD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件。CCD固態(tài)圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。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陣列元件，光敏單元簡(jiǎn)稱“像素”。固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)“圖像”，即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的、大小不等的電荷包空間分布，然后利用移位寄存器的移位功能將電信號(hào)“圖像”轉(zhuǎn)送，經(jīng)輸出放大器輸出。根據(jù)光敏元件

35、排列形式的不同，CCD固態(tài)圖像傳感器可分為線型和面型兩種。（1）線型CCD圖像傳感器：典型的線型CCD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(gè)轉(zhuǎn)移控制柵，如圖8-32所示。圖8-32 線型CCD圖像傳感器光敏元件在光照情況下產(chǎn)生電荷包，因此，此區(qū)域稱為光積分區(qū)，用來敏感輸入光的強(qiáng)度。其區(qū)域均勻布置了多個(gè)光敏元件，光敏元件的數(shù)量就是傳感器能夠達(dá)到的靈敏度，一般稱為像素?cái)?shù)。轉(zhuǎn)移控制柵將控制脈沖分配到光敏元件和電荷轉(zhuǎn)移部件，控制電荷包轉(zhuǎn)移到輸出寄存器。如果光敏元件按從左到右的順序編號(hào)，奇數(shù)號(hào)元件的電荷轉(zhuǎn)移到上面一列電荷轉(zhuǎn)移部件，偶數(shù)號(hào)元件的電荷則轉(zhuǎn)移到下面一列電荷轉(zhuǎn)移器件。

36、對(duì)傳遞到電荷轉(zhuǎn)移器件中的電荷進(jìn)行放大和量化處理后，通過寄存器可以輸出代表各像素光照強(qiáng)度的數(shù)字信號(hào)。在CCD移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖，將信號(hào)電荷從CCD中轉(zhuǎn)移，由輸出端逐行地輸出。線型CCD圖像傳感器可以直接接收一維光信息，不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)輸出，為了得到整個(gè)二維圖像的視頻信號(hào)，就必須用掃描的方法來實(shí)現(xiàn)。線型CCD圖像傳感器只能用于一維檢測(cè)系統(tǒng)，主要用于測(cè)試、傳真和光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)等方面。為了能傳送平面圖像信息，必須增加自動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)，或者直接使用面型CCD圖像傳感器。（2）面型CCD圖像傳感器：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，即可構(gòu)成面型CCD圖像傳感器。

37、面型CCD圖像傳感器有三種基本類型，即線轉(zhuǎn)移、幀轉(zhuǎn)移和隔列轉(zhuǎn)移，如圖8-33所示。圖8-33 面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)圖8-33（a）所示為線轉(zhuǎn)移面型CCD的結(jié)構(gòu)圖。它由行掃描發(fā)生器、感光區(qū)和輸出寄存器組成。行掃描發(fā)生器將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，驅(qū)動(dòng)脈沖將信號(hào)電荷一位位地按箭頭方向轉(zhuǎn)移，并移入輸出寄存器，輸出寄存器也在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下使信號(hào)電荷經(jīng)輸出端輸出。這種轉(zhuǎn)移方式具有有效光敏面積大、轉(zhuǎn)移速度快、轉(zhuǎn)移效率高等特點(diǎn)，但電路比較復(fù)雜，易引起圖像模糊。圖8-33（b）所示為幀轉(zhuǎn)移面型CCD的結(jié)構(gòu)圖。它由光敏區(qū)（感光區(qū)）、存儲(chǔ)區(qū)和水平讀出寄存器三部分構(gòu)成。圖像成像到光敏區(qū)，當(dāng)光敏區(qū)

38、的某一相電極（如P）加有適當(dāng)?shù)钠珘簳r(shí)，光生電荷將被收集到這些光敏單元的勢(shì)阱里，光學(xué)圖像變成電荷包圖像。當(dāng)光積分周期結(jié)束時(shí)，信號(hào)電荷迅速轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)中，經(jīng)輸出端輸出一幀信息。當(dāng)整幀視頻信號(hào)自存儲(chǔ)區(qū)移出后，就開始下一幀信號(hào)的形成。這種面型CCD的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光敏單元密度高，但增加了存儲(chǔ)區(qū)。圖8-33（c）所示的結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將一列光敏單元與一列存儲(chǔ)單元交替排列。在光積分期間，光生電荷存儲(chǔ)在感光區(qū)光敏單元的勢(shì)阱里；當(dāng)光積分時(shí)間結(jié)束，轉(zhuǎn)移柵的電位由低變高，電荷信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)。隨后，在每個(gè)水平回掃周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)中整個(gè)電荷圖像逐行地向上移到水平讀出移位寄存器中，然后移位到輸出器件，在

39、輸出端得到與光學(xué)圖像對(duì)應(yīng)的逐行的視頻信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)的感光單元面積減小，圖像清晰，但單元設(shè)計(jì)復(fù)雜。面型CCD圖像傳感器主要用于攝像機(jī)及測(cè)試技術(shù)。9光電傳感器的應(yīng)用1）基于光敏傳感器的便攜式照度計(jì)（1）簡(jiǎn)單照度計(jì)設(shè)計(jì)：光敏二極管的輸出電流與照度成正比。所謂照度，就是單位感光面積上的光通量的大小，單位是1lm/m2。因此，照度計(jì)是光敏二極管的最基本電路。除此之外的測(cè)光方法雖然還有很多，但都是首先將它們變換成感光面的照度進(jìn)行測(cè)量的。作為照度計(jì)使用的光敏二極管必須具備的條件包括： 分光靈敏度必須符合標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)可見度曲線 角度特性必須符合照度的余弦法則 與入射光相對(duì)應(yīng)的輸出電流必須具有良好的直線性和良好的

40、穩(wěn)定性等圖8-34 照度計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路所謂照度的余弦法則，就是當(dāng)光源與感光面相連接的直線同感光面的法線之間構(gòu)成角時(shí)，照度減少到入射光垂直照射時(shí)照度的cos倍。圖8-34所示的是一個(gè)照度計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，使用BS500B光敏二極管，用普通的運(yùn)算放大器構(gòu)成電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。BS500B的輸出電流是每100 lx為0.55A，也就是說為5.5nA/lx。因此，如果運(yùn)算放大器的反饋電阻RF取為180k，那么就可以得到1mV/lx的靈敏度，對(duì)于靈敏度的分散性，可以用電位器VR1進(jìn)行調(diào)整。BS500B的低照度特性由暗電流決定，暗電流的最大值為10pA，這個(gè)數(shù)值會(huì)給其低照度的測(cè)量帶來麻煩。因此，BS500B的低照

41、度測(cè)量只可以從0.0025lx開始，不過其動(dòng)態(tài)范圍可高達(dá)112dB以上。為了實(shí)現(xiàn)如此寬范圍的測(cè)量，通?？梢允褂脤?duì)數(shù)放大器。這種使用對(duì)數(shù)放大器的電路如圖8-35所示。圖8-35中的對(duì)數(shù)放大器使用的是ICL8048，就對(duì)數(shù)放大器而言，電流輸入型電路與電壓輸入型電路相比，具有不容易受到動(dòng)態(tài)電流影響的優(yōu)良特性。因此使用的是光敏二極管的短路電流。不過，ICL8048的輸入電流為1nA1mA。如果直接將光電流與之相連接，光電流有點(diǎn)過小了，性能不太好。ICL8048的輸入電流Iin可以表示為Iin=(R1/R2)ISC=100ISC。圖8-35 用對(duì)數(shù)放大器擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)驗(yàn)電路圖8-35的調(diào)整方法： 斷開

42、a處連接，輸入Iin=550A。用電位器VR1調(diào)整使輸出電壓Uout=5V。（在沒有電流源的情況下，可以將電阻連接到a處，使之接到電壓源上） 輸入電流Iin=55nA，用電位器VR2調(diào)整，使輸出電壓Uout=0V。 接上a處。有時(shí)會(huì)因?yàn)锽S500B靈敏度的分散性影響測(cè)量精度。在需要高精度測(cè)量時(shí)，必須用照度計(jì)校正。（2）基于集成傳感器的便攜式照度計(jì)：TFA1001W（西門子公司生產(chǎn)）是內(nèi)含光敏二極管與放大器的集成。由于具有5A/lx的靈敏度，因此通過連接200負(fù)載電阻的方法，可以得到5A200=1mV/lx的輸出電壓。于是，在5000 lx時(shí)可以得到500mV的輸出電壓。圖8-36所示的是照度計(jì)

43、電路圖，TFA1001W的驅(qū)動(dòng)電壓為2.515V，可以用干電池作為電源進(jìn)行工作。2）火焰探測(cè)報(bào)警器 圖8-37所示的是采用硫化鉛光敏電阻作為探測(cè)元件的火焰探測(cè)器電路圖。硫化鉛光敏電阻的暗電阻為1M，亮電阻為0.2M（光照度0.01W/m2下測(cè)試的），峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為2.2m。硫化鉛光敏電阻處于VT1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為6V，電流約為6A。VT1管集電極電阻兩端并聯(lián)68F的電容，可以抑制100Hz以上的高頻，使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器。VT2、VT3構(gòu)成二級(jí)負(fù)反饋互補(bǔ)放大器，火焰的閃動(dòng)信號(hào)經(jīng)二級(jí)放大后送給中心控制站進(jìn)行報(bào)警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長(zhǎng)時(shí)間使用

44、后，器件阻值的變化不至于影響輸出信號(hào)的幅度，保證火焰報(bào)警器能長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。圖8-36 照度計(jì)電路圖圖8-37 火焰探測(cè)報(bào)警器電路圖3）路燈自動(dòng)點(diǎn)滅器 圖8-38所示為由光電池轉(zhuǎn)換電路所組合而成的路燈自動(dòng)點(diǎn)滅器。燈泡代表一個(gè)路燈，當(dāng)感測(cè)的亮度太暗，路燈必須亮起；當(dāng)亮度超過設(shè)定值時(shí)，路燈必須熄滅，停止照明。當(dāng)光電池感測(cè)的照度低于VR2所設(shè)定的照度時(shí)（lx/mV），U3的U+電壓低于U電壓，使U3的輸出電壓為USAT，使VT1導(dǎo)通，燈泡點(diǎn)亮，表示路燈正在照明中，直至感測(cè)的照度高于設(shè)定照度，U3 的輸出電壓由USAT 轉(zhuǎn)為+USAT，VT1變?yōu)殛P(guān)斷，燈泡熄滅。4）CCD圖像傳感器應(yīng)用 CCD圖像傳感

45、器在許多領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛的應(yīng)用。前面介紹的電荷耦合器件（CCD）具有將光像轉(zhuǎn)換為電荷分布，以及電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移等功能，所以它是構(gòu)成CCD固態(tài)圖像傳感器的主要光敏器件，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)。圖8-38 路燈自動(dòng)點(diǎn)滅器CCD圖像傳感器具有高分辨力和高靈敏度，以及較寬的動(dòng)態(tài)范圍，這些特點(diǎn)決定了它可以廣泛用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量，尤其適用于圖像識(shí)別技術(shù)。CCD圖像傳感器在檢測(cè)物體的位置、工件尺寸的精確測(cè)量及工件缺陷的檢測(cè)方面有獨(dú)到之處。圖8-39所示為應(yīng)用線型CCD圖像傳感器測(cè)量物體尺寸系統(tǒng)。物體成像聚焦在圖像傳感器的光敏面上，視頻處理器對(duì)輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理，整個(gè)過

46、程由計(jì)算機(jī)控制完成。根據(jù)幾何光學(xué)原理，可以推導(dǎo)被測(cè)物體尺寸計(jì)算公式，即式中，n為覆蓋的光敏像素?cái)?shù)；p為像素間距；M為倍率。計(jì)算機(jī)可對(duì)多次測(cè)量求平均值，精確得到被測(cè)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，實(shí)現(xiàn)不接觸的在線自動(dòng)檢測(cè)的目的。圖8-39 CCD圖像傳感器工件尺寸檢測(cè)系統(tǒng)8.2 光纖傳感器1概述光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù)，現(xiàn)在它的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，不僅在通信方面，而且在其他方面如軍事、航天航空技術(shù)中也起著十分重要的作用。光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列優(yōu)點(diǎn)，如抗電磁干擾能力強(qiáng)，體積小，重量輕，可撓曲，靈敏度高，耐腐蝕，電絕緣、防爆性好，易與

47、計(jì)算機(jī)連接，便于遙測(cè)等。它能用于溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和pH值等各種物理量的測(cè)量，具有極為廣泛的應(yīng)用前景。光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能型（傳光型）傳感器。功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對(duì)被調(diào)制過的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。非功能型傳感器是利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為212m，很細(xì)的纖芯半徑接近于光源波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，僅能維

48、持一種模式傳播，一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強(qiáng)度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。為了滿足特殊要求，出現(xiàn)了保偏光纖、低雙折射光纖、高雙折射光纖等。所以采用新材料研制特殊結(jié)構(gòu)的專用光纖是光纖傳感技術(shù)發(fā)展的方向。2光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理1）光纖的結(jié)構(gòu) 光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱為光纖，目前基本上是采用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲所制成，其結(jié)構(gòu)如圖8-40所示。中心的圓柱體叫做纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層。纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2，在包層外面還常有一層保護(hù)套，多為尼龍材料。光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，而光纖的機(jī)械強(qiáng)度由

49、保護(hù)套維持。圖8-40 光纖的結(jié)構(gòu)圖2）光纖的傳輸原理 眾所周知，光在空間是沿直線傳播的。在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨光纖能傳送到很遠(yuǎn)的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。當(dāng)光纖的直徑比光的波長(zhǎng)大很多時(shí)，可以用幾何光學(xué)的方法來說明光在光纖內(nèi)的傳播。設(shè)有一段圓柱形光纖，如圖8-41所示，它的兩個(gè)端面均為光滑的平面。當(dāng)光線射入一個(gè)端面并與圓柱的軸線成i角時(shí)，根據(jù)斯涅耳（Snell）光的折射定律，在光纖內(nèi)折射成j，然后以k角入射至纖芯與包層的界面。若要在界面上發(fā)生全反射，則纖芯與界面的光線入射角k應(yīng)大于臨界角c（處于臨界狀態(tài)時(shí)，r=90），即 （8-5）且在光纖內(nèi)部以同樣的角度反復(fù)逐次反射，

50、直至傳播到另一端面。圖8-41 光纖的傳光原理為滿足光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射，光入射到光纖端面的臨界入射角c應(yīng)滿足下式：所以 （8-6）實(shí)際工作時(shí)需要光纖彎曲，但只要滿足全反射條件，光線仍繼續(xù)前進(jìn)?？梢娺@里的光線“轉(zhuǎn)彎”實(shí)際上是由光的全反射所形成的。一般光纖所處環(huán)境為空氣，則n0=1。這樣在界面上產(chǎn)生全反射，在光纖端面上的光線入射角為 （8-7）說明光纖集光本領(lǐng)的術(shù)語(yǔ)叫做數(shù)值孔徑NA，即 （8-8）數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少，其意義是，無論光源發(fā)射功率有多大，只有入射光處于2c的光錐內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。若入射角過大，經(jīng)折射后不能滿足式（8-5）的要求，光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。所以NA是光纖的

51、一個(gè)重要參數(shù)。一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于耦合效率的提高，但數(shù)值孔徑過大，會(huì)造成光信號(hào)畸變，所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值。3）光纖發(fā)射器 光纖發(fā)射器包括緩沖器、驅(qū)動(dòng)器和光源，本例用振蕩器產(chǎn)生光源信號(hào)，如圖8-42所示。發(fā)射光源是接近紅外線的LED，其波長(zhǎng)約為820nm。此光源人類眼睛能看到。LED 驅(qū)動(dòng)電路由U1-c，U1-d及晶體管VT1所組成。晶體管VT1用做開關(guān)，當(dāng)U1-c輸出高電平時(shí)，晶體管VT1飽和導(dǎo)通，因此流經(jīng)LED的電流為當(dāng)U1-c輸出低電平時(shí)，晶體管VT1截止，因此流經(jīng)LED的電流大約為零。R4限制流入晶體管VT1基極電流和從U1-c截入的最大電流，即圖8-42 光纖發(fā)射電

52、路U1-c，U1-d是輸入緩沖器和晶體管驅(qū)動(dòng)級(jí)；U1-a，U1-b組成一個(gè)弛緩振蕩器，當(dāng)2腳和6腳接低電位時(shí)，U1-a，U1-b變成高電位，振蕩被禁止。4）光纖接收器 光纖接收器含有3個(gè)單元，即檢測(cè)器/預(yù)放大、放大器及數(shù)字化。圖8-43所示為光纖接收電路。圖8-43 光纖接收電路光電二極管Rx為光纖檢測(cè)器，將光能轉(zhuǎn)變成電能。VT2是信號(hào)還原級(jí)，輸出電壓為 （8-9）式中，hfe為VT2電流增益；Ib2為VT2基極電流；R8為負(fù)載電阻。因?yàn)镽6很大，因此 （8-10） （8-11）式中，R為接收轉(zhuǎn)換函數(shù)代入；Pi為接收面照射功率。最后一級(jí)為數(shù)字化，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，使上升沿、下降沿變陡，

53、以增強(qiáng)抗干擾能力，保證輸出電壓能驅(qū)動(dòng)外部電路。它是由兩個(gè)與非門組成，提供同向和反向輸出。3光纖傳感器的調(diào)制原理光纖傳感器的核心就是光被外界參數(shù)調(diào)制的原理，調(diào)制的原理就能代表光纖傳感器的機(jī)理。研究光纖傳感器的調(diào)制器就是研究光在調(diào)制區(qū)與外界被測(cè)參數(shù)的相互作用，外界信號(hào)可能引起光的特性（強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）變化，從而構(gòu)成強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)調(diào)制原理。1）強(qiáng)度調(diào)制 光源發(fā)射的光經(jīng)入射光纖傳輸?shù)秸{(diào)制器（由可動(dòng)反射器等組成），經(jīng)反射器把光反射到出射光纖，通過出射光纖傳輸?shù)焦怆娊邮掌鳌６蓜?dòng)反射器的動(dòng)作受到被測(cè)信號(hào)的控制，因此反射器射出的光強(qiáng)是隨被測(cè)量變化的。光電接收器接收到光強(qiáng)變化

54、的信號(hào)，經(jīng)解調(diào)得到被測(cè)物理量的變化。當(dāng)然還可采用可動(dòng)透射調(diào)制器或內(nèi)調(diào)制型微彎調(diào)制等。圖8-44所示為三種強(qiáng)度調(diào)制原理示意圖?？蓜?dòng)反射調(diào)制器中出射光線能收到多少光強(qiáng)，由入射光纖射出的光斑在反射屏上形成的基圓大小決定，而圓半徑由反射面到入射光纖的距離決定，它又受待測(cè)物理量控制（如微位移、熱膨脹等），因此出射光纖收到的光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)代表了待測(cè)量的變化。2）相位調(diào)制原理 光纖相位調(diào)制是光纖比較容易實(shí)現(xiàn)的調(diào)制形式，所有能夠影響光纖長(zhǎng)度、折射率和內(nèi)部應(yīng)力的被測(cè)量都會(huì)引起相位變化，如壓力、應(yīng)變、溫度和磁場(chǎng)等。相位調(diào)制型光纖傳感器比強(qiáng)度型復(fù)雜一些，一般采用干涉儀檢測(cè)相位的變化，因此，這類傳感器靈敏度非常高。常用

55、的干涉儀有4種，即邁克爾遜（Mich1son）、馬赫琴特（Mach-Zehnder）、薩古納克（Sagnac）、法布里珀羅（Fabry-perot）。它們的共同點(diǎn)是，光源發(fā)出的光都要分成兩束或更多束的光，沿不同的路徑傳播后，分離的光束又組合在一起，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。圖8-45所示的是馬赫琴特干涉儀原理圖。 圖8-44 三種強(qiáng)度調(diào)制原理示意圖 圖8-45 馬赫琴特干涉儀原理圖立方棱鏡把激光束一分為二，一束經(jīng)參考臂用布拉格調(diào)制器產(chǎn)生頻移或用光纖延伸器和集成光學(xué)相移器來調(diào)制相位，另一束用暴露于被測(cè)場(chǎng)中的信號(hào)光纖（或叫做傳感光纖）來傳輸，兩束光在棱鏡處重新匯合，為光電器件接收。當(dāng)信號(hào)光纖周圍的溫度發(fā)生變化

56、時(shí)，信號(hào)光纖會(huì)產(chǎn)生一定量的相移，相移的大小與信號(hào)光纖的長(zhǎng)度L、折射率n和橫截面的變化有關(guān)，由于光纖直徑受溫度變化影響很小，可忽略。相移可以表示為 （8-12）式中，L=(L/T)T；n=(n/T)/T。對(duì)于玻璃光纖，(1/L) L/T=5107/，n/T= 105/，可見在此n起主要作用；在測(cè)量其他參數(shù)時(shí)可能L較大，為了提高靈敏度，可增加信號(hào)光纖的長(zhǎng)度。3）頻率調(diào)制原理 單色光照射到運(yùn)動(dòng)物體上后，反射回來時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，其移后的頻率為 f移后 （8-13）式中，f為單色光頻率；c為光速；v為運(yùn)動(dòng)物體的速度。將此頻率的光與參考光共同作用于光探測(cè)器上，并產(chǎn)生差拍，經(jīng)頻譜分析器處理求出頻率變化，

57、即可推知速度。4）偏振調(diào)制 外界因素作用下，使光的某一方向振動(dòng)比其他方向占優(yōu)勢(shì)。這種調(diào)制方式稱為偏振調(diào)制。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，光波是一種橫波；光振動(dòng)的電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量H始終與傳播方向垂直。當(dāng)光波的電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量H的振動(dòng)方向在傳播過程中保持不變，只是它的大小隨相位改變，這種光稱為線偏振光；在光的傳播過程中，如果E和H的大小不變，而振動(dòng)方向繞傳播軸均勻地轉(zhuǎn)動(dòng)，矢量端點(diǎn)軌跡為一個(gè)圓，這種光稱為圓偏振光；如果矢量軌跡為一個(gè)橢圓，這種光稱為橢圓偏振光；如果自然光在傳播過程中，受到外界的作用而造成各個(gè)振動(dòng)方向上強(qiáng)度不等，使某一個(gè)方向上的振動(dòng)比其他方向占優(yōu)勢(shì)，所造成的這種光稱為部分偏振光；如果外界作用

58、使自然光的振動(dòng)方向只有一個(gè)，造成的光稱為完全偏振光。偏振調(diào)制正是利用了光波的這些偏振性質(zhì)。光纖傳感器中的偏振調(diào)制器常用電光、磁光、光彈等物理效應(yīng)進(jìn)行調(diào)制。4光纖傳感器的應(yīng)用光纖微位移測(cè)量?jī)x是光纖傳感器的一個(gè)應(yīng)用。光纖和光纖傳感器其電絕緣性極好，抗電場(chǎng)和無線電波干擾，靈敏度高，利用光纖作為信號(hào)傳輸和敏感元件來測(cè)量微小位移或距離，其分辨率可達(dá)1m。光纖傳感器的反射光強(qiáng)I0與位移x的關(guān)系可分段線性化近似，在1.2mm的微位移范圍內(nèi)I0=kx（k大于0），在大于1.2mm且小于4mm的情況下，關(guān)系曲線又近似線性下降。給入射光纖輸入一個(gè)穩(wěn)定的光強(qiáng)I0，這就需要給發(fā)光器（如燈泡或激光）一個(gè)穩(wěn)定的電流或電壓

59、。將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，即光電轉(zhuǎn)換。將反射光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)用PIN光電二極管。受光照時(shí)，光電管根據(jù)光強(qiáng)的變化按比例地變換成電流的變化。圖8-46中的運(yùn)算放大器A1構(gòu)成I/U變換器，由于反射光強(qiáng)太小，故用兩級(jí)放大器，其中A2為電壓放大器。A1的輸出電流在1A之內(nèi)，故應(yīng)選擇輸入阻抗高的運(yùn)算放大器。A2之后接一個(gè)低通RC濾波器，然后將輸出送入A/D轉(zhuǎn)換器，可以顯示出被測(cè)位移或距離的數(shù)值。現(xiàn)在的問題是I0在位移x的范圍內(nèi)不是單值函數(shù)。因此，當(dāng)I0達(dá)到最大值時(shí)應(yīng)予以告示，故用由A3、A4組成的峰值保持電路和電壓比較器A5來報(bào)警，當(dāng)反射光強(qiáng)I0達(dá)到最大值時(shí)應(yīng)予以報(bào)警。當(dāng)A2輸出達(dá)到最大值Um時(shí)，由

60、A3所構(gòu)成的電壓跟隨器后的電容充電到Um，A4的輸出也為Um，它保持這個(gè)峰值，按鈕SW1是放電用的。IC5為一個(gè)電壓比較器，當(dāng)輸出電壓小于最大值Um時(shí)，發(fā)光二極管LED亮，測(cè)試處于近程；當(dāng)輸出電壓小于Um時(shí)，LED不亮，測(cè)試處于遠(yuǎn)程。圖8-46 光纖微位移測(cè)量電路8.3 紅外傳感器紅外技術(shù)是在最近幾十年中發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。它已在科技、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感器按其應(yīng)用可分為以下幾方面： 紅外輻射計(jì)，用于輻射和光譜輻射測(cè)量； 搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置，并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤； 熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像，如紅外圖像