光電式傳感器原理和應(yīng)用

第8章光電式傳感器8.1光電器件18.2光纖傳感器8.3紅外傳感器32概述

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。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：首先把被測量的變化轉(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。圖中x1表示被測量能直接引起光量變化的檢測方式；x2表示被測量在光傳播過程中調(diào)制光量的檢測方式。圖8-1光電式傳感器的工作原理8.1光電器件8.1.1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)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，每個光子具有的能力由下式確定：

式中：h——普朗克常數(shù)，6.626×10（J?s）；υ——光的頻率（s）。8.1光電器件◆若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0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，則光子能量hυ必須超出逸出功A0，超過部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動能。即 （8-2）式中：m－電子質(zhì)量；v0－電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。

8.1光電器件◆由式（8-2）可知：光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能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，這意味著每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閥值，成為紅限頻率或波長限。光線頻率小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射。◆當入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比?！艄怆娮右莩鑫矬w表面具有初始動能，因此外光電效應(yīng)器件，如光電管即使沒有加陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生。8.1光電器件2．內(nèi)光電效應(yīng)◆受光照的物體導(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)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類?！窆怆妼?dǎo)效應(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)，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。8.1光電器件◆當光照射到光電導(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)材料價帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，如圖8-2所示：圖8-2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)材料的禁帶寬度Eg，即：8.1光電器件●光生伏特效應(yīng)：在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。①勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。②側(cè)向光電效應(yīng)當半導(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)。8.1光電器件8.1.2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?！艄怆婈帢O通常是用逸出功小

的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)

壁上做成，其感光面對準光圖8-3光電管的結(jié)構(gòu)

的照射孔。當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)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。8.1光電器件2．主要性能（1）光電管的伏安特性◆在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性?！粽婵展怆姽芎统錃夤怆姽艿姆蔡匦苑謩e如同8-4（a）和（b）所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。圖8-4光電管的伏安特性8.1光電器件（2）光電管的光照特性：通常指當光電管的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)系為光電管的光照特性?！艄怆姽荜帢O材料不同，其光照特性也不同?！艄庹仗匦郧€的斜率（光電流與入射光通量之比稱為光電管的靈敏度。8.1光電器件（3）光電管光譜特性◆一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率v0，因此它們可用于不同的光譜范圍?！艏词拐丈湓陉帢O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)射的光電子的數(shù)量還會不同，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?！羲裕瑢Ω鞣N不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。8.1光電器件8.1.3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。圖8-5光電倍增管的外型和工作原理8.1光電器件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δi的乘積。如果n個倍增電極的δi都一樣，則M=δi，因此，陽極電流I為：◆M與所加電壓有關(guān)，一般在10~10之間。如果電壓有波動，倍增系數(shù)也要波動，因此M具有一定的統(tǒng)計漲落。一般陽極和陰極的電壓為1000V－2500V，兩個相鄰的倍增電極的電壓差為50V－100V。8.1光電器件（2）陰極靈敏度和總靈敏度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

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

反而會使陽極電流不穩(wěn)。另

外，由于光電倍增管的靈敏

度很高，所以不能受強光照

射，否則將會損壞。圖8-6光電倍增管的特性曲線8.1光電器件（3）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。（4）暗電流及本底電流◆當管子不受光照，但極間加入電壓時在陽極上會收集到電子，這時的電流稱為暗電流，?！羧绻怆姳对龉芘c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。本底電流具有脈沖形式，因此也成為本底脈沖。8.1光電器件8.1.4光敏電阻1．光敏電阻的結(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，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CDS。◆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。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。8.1光電器件◆當光敏電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。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小

越好，此時光敏電阻的靈

敏度高。實際光敏電阻的

暗電阻值一般在兆歐級，

亮電阻在幾千歐以下。◆圖8-7為光敏電阻的原理

結(jié)構(gòu)。圖8-7光敏電阻結(jié)構(gòu)8.1光電器件2．光敏電阻的主要參數(shù)（1）暗電阻◆光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。（2）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。（3）光電流◆亮電流與暗電流之差稱為光電流。8.1光電器件3．光敏電阻的基本特性（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8-8硫化鎘光敏電阻的伏安特性8.1光電器件（2）光譜特性◆光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。圖8-9為幾種不同材料

光敏電阻的光譜特性。

對應(yīng)于不同波長，光

敏電阻的靈敏度是不

同的。圖8-9光敏電阻的光譜特性8.1光電器件（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之間的關(guān)系，如圖8-10所示?！粲捎诠饷綦娮璧墓庹?/p>

特性呈非線性，因此

不宜作為測量元件，

一般在自動控制系統(tǒng)

中常用作開關(guān)式光電

信號傳感元件。圖8-10光敏電阻的光照特性8.1光電器件（4）溫度特性◆光敏電阻受溫度的影響較大。當溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降?！魷囟茸兓绊懝饷綦?/p>

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為

硫化鉛光敏電阻的光

譜溫度特性曲線。圖8-11硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線

8.1光電器件（5）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，在時間上有一個滯后，通常用時間常數(shù)t來描述，這叫做光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象。所謂時間常數(shù)即為光敏電阻自停止光照起到電流下降到原來的63%所需的時間，因此，t越小，響應(yīng)越迅速，但大多數(shù)光敏電阻的時間常數(shù)都較大，這是它的缺點之一。圖8-12所示為硫化鎘和硫化鉛的光敏電阻的頻率特性。圖8-12光敏電阻的頻率特性8.1光電器件4．光敏電阻基本應(yīng)用電路

◆在圖8-13所示的電

路中，我們利用光

敏電阻將光線的強

弱變?yōu)殡娮柚档淖?/p>

化，以達到光控制

電路的目的。圖8-13CDS實驗電路8.1光電器件8.1.5光敏二極管和光敏晶體管1．結(jié)構(gòu)原理◆光敏二極管的結(jié)

構(gòu)與一般二極管

相似。它裝在透

明玻璃外殼中，圖8-14光敏二極管的結(jié)構(gòu)原理

其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射（見圖8–14（a））。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)（見圖8-14（b）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。8.1光電器件◆圖8-15為NPN型光

敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡

圖和基本電路。大

多數(shù)光敏晶體管的

基極無引出線，當

集電極加上相對于圖8-15NPN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)就是反向偏壓；當光照射在集電結(jié)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β倍，所以光敏晶體管有放大作用。8.1光電器件2．基本特性（1）光譜特性◆光敏二極管和晶體管的光

譜特性曲線如圖8-16所示。

從曲線可以看出，硅的峰

值波長約為0.9μm，鍺的

峰值波長約為1.5μm，此圖8-16光敏晶體（二極）管的光譜

特性時靈敏度最大，而當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，鍺管較為適宜。8.1光電器件（2）伏安特性◆圖8-17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8.1光電器件（3）溫度特性◆光敏晶體管的

溫度特性是指

其暗電流及光

電流與溫度的

關(guān)系。光敏晶

體管的溫度特圖8-18光敏晶體管的溫度特性

性曲線如圖8-18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。8.1光電器件8.1.6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)”。圖8-19為光電池的工作原理圖。圖8-19光電池工作原理8.1光電器件1．基本特性（1）光譜特性◆光電池對不同波長的光的靈敏度

是不同的。圖8-20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，光圖8-20光電池的光譜特性譜

響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長是不同的，硅光電池在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長范圍為0.4~1.2μm，而硒光電池的范圍只能為0.38~0.75μm?？梢姽韫怆姵乜梢栽诤軐挼牟ㄩL范圍內(nèi)得到應(yīng)用。8.1光電器件（2）光照特性

◆光電池在不同光照度下，

光電流和光生電動勢是

不同的，它們之間的關(guān)

系就是光照特性。圖

8-21為硅光電池的開路

電壓和短路電流與光照

的關(guān)系曲線。圖8-21硅光電池的光照特性8.1光電器件（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，

影響到測量精度或控

制精度等重要指標，

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。圖8-22硅光電池的溫度特性8.1光電器件（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)，可用在高速計

數(shù)、有聲電影等方面。這

就是硅光電池在所以光電

元件中最為突出的優(yōu)點。圖8-23光電池的頻率特性8.1光電器件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，其外型是由四個相同

的光電池

串聯(lián)而成，

其開路電

壓約為2V，

短路電流

約為0.08μA／lx。

圖8-24光電池轉(zhuǎn)換電路8.1光電器件◆由光電池特性得知，光電池的開路電壓Vop與入射光強度的對數(shù)成正比，成非線性關(guān)系，而短路電流Ish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。圖8-24的U1為一個電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，可將光電池的短路電流轉(zhuǎn)換成電壓。因運算放大器有虛接地的特性，且光電池接在運算放大器的正負兩端相當于光電池短路。又因運算放大器的輸入電流幾乎為零，所以全部的Ish流到R6與R7，使U1的輸出電壓V1=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，稱為擴展率調(diào)整(Spanadjust)。8.1光電器件◆若現(xiàn)場含有AC110V，60Hz的交流成分存在。由R8(10K)，C1(10μF)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。而U2為一電壓跟隨器（AV≈1），作為緩沖器。8.1光電器件8.1.7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）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、光敏三極管或光可控硅等。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光電開關(guān)。

8.1光電器件1．光電耦合器◆光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi)，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。耦合器常見的組合形式如圖8-25所示。圖8-25光電耦合器組合形式8.1光電器件2．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

得最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號的器件。

圖8-26光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)8.1光電器件◆圖（a）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，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，這樣起到檢測作用。圖（b）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，交點一般即為待測物所在處。當有物體經(jīng)過時，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時則接收不到。光電開關(guān)的特點是小型、高速、非接觸，而且與TTL、MOS等電路容易結(jié)合。8.1光電器件◆用光電開關(guān)檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有“高-低”（1-0）之分即可。圖8-27是基本電路的示例。（a）、（b）表示負載為CMOS比較器等高輸入阻抗電路時的情況，（c）表示用晶體管放大光電流的情況。圖8-27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中作光控制和光探測裝置。8.1光電器件8.1.8電荷耦合器件◆電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，簡稱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，基本功能是進行電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。CCD自1970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、信息存儲和信息處理等方面。8.1光電器件１.CCD原理◆構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器，如8-26所示。與其它電容器一樣，MOS電容器能夠存儲電荷。圖8-26MOS電容的結(jié)構(gòu)圖8-28MOS電容的結(jié)構(gòu)8.1光電器件◆如果MOS電容器中的半導(dǎo)體是P型硅，當在金屬電極上施加一個正電壓時，在其電極下形成所謂耗盡層，由于電子在那里勢能較低，形成了電子的勢阱，如圖8-29所示，成為蓄積電荷的場所。圖8-29勢阱的形成8.1光電器件◆圖8-30為三相CCD時鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系。

圖8-30三相CCD信息電荷傳輸原理圖8.1光電器件◆CCD輸出端有浮置擴散輸出端和浮置柵極輸出端兩種形式，如圖8-31所示。圖8-31CCD的輸出端形式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，光敏單元簡稱“像素”?！艄虘B(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的光學圖像轉(zhuǎn)換成電信號“圖像”，即將光強的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強成比例的、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“圖像”轉(zhuǎn)送，經(jīng)輸出放大器輸出。8.1光電器件◆根據(jù)光敏元件排列形式的不同，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)置一個轉(zhuǎn)移控制柵，如圖8-32所示。

圖8-32線型CCD圖像傳感器8.1光電器件8.1光電器件（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，即可以構(gòu)成面型CCD圖像傳感器。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8-33。圖8-33線轉(zhuǎn)移面型CCD的結(jié)構(gòu)圖

8.1光電器件圖8-33幀轉(zhuǎn)移面型CCD的結(jié)構(gòu)圖圖8-33隔離轉(zhuǎn)移型CCD的結(jié)構(gòu)圖8.1光電器件8.1.9光電傳感器的應(yīng)用1．基于光敏傳感器的便攜式照度計1)簡單照度計設(shè)計◆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1m/m。因此，照度計是光敏二極管的最基本電路。除此之外的測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行測量的。8.1光電器件◆作為照度計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準的相對可見度曲線;●角度特性必須符合照度的余弦法則;●與入射光相對應(yīng)的輸出電流必須具有良好的直線

性好的穩(wěn)定性等。◆所謂照度的余弦法則，就是當光源與感光面相連接的直線同感光面的法線之間構(gòu)成θ角時，照度減少到入射光垂直照射時照度的cosθ倍。8.1光電器件◆圖8-34是一個照度

計實驗電路，使用

BS500B光敏二極管，

用普通的運算放大

器構(gòu)成電流-電壓轉(zhuǎn)

換電路。圖8-34照度計的實驗電路8.1光電器件◆BS500B的輸出電流是每1001x為0.55uA，也就是說5.5nA/1x。因此，如果運算放大器的反饋電阻RF取為180kΩ，那么就可以得到1mV/lx的靈敏度，對于靈敏度的分散性，可以用電位器VR1進行調(diào)整?！鬊S500B的低照度特性由暗電流決定，暗電流的最大值為10pA，這個數(shù)值會給其低照度的測量帶來麻煩。因此，BS500B的低照度測量只可以從0.0025lx開始，不過其動態(tài)范圍可高達112dB以上?！魹榱藢崿F(xiàn)如此寬范圍的測量，通?？梢允褂脤?shù)放大器。這種使用對數(shù)放大器的電路如圖8-35所示。8.1光電器件圖8-35用對數(shù)放大器擴大動態(tài)范圍的實驗電路8.1光電器件2)基于集成傳感器的便攜式照度計◆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5uA/lx的靈敏度，因此通過連接200Ω負載電阻的方法，可以得到5uA×200Ω=1mV/lx的輸出電壓。于是，在5000lx時可以得到500mV的輸出電壓?！魣D8-36是照度計電路圖，TFA1001W的驅(qū)動電壓為2.5~15V，可以用干電池作為電源進行工作。圖8-36照度計電路圖8.1光電器件2．火焰探測報警器圖8-37是采用硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測器電路圖。圖8-37火焰探測報警器電路圖8.1光電器件3．路燈自動點滅器◆圖8-38電路為光電池轉(zhuǎn)換電路所組合而成的路燈自動點滅器。燈泡代表一個路燈，當感測的亮度太暗，路燈必須亮起，但當亮度超過設(shè)定時，路燈必須熄滅，停止照明。圖8-38路燈自動點滅器8.1光電器件4．CCD圖像傳感器應(yīng)用◆前面介紹的CCD具有將光像轉(zhuǎn)換為電荷分布，以及電荷的存儲和轉(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)。8.1光電器件◆CCD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處?！魣D8-39為應(yīng)用線型CCD圖像傳感器測量物體尺寸系統(tǒng)。圖8-39CCD圖像傳感器工件尺寸檢測系統(tǒng)8.1光電器件◆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，整個過程由微機控制完成。根據(jù)幾何光學原理，可以推導(dǎo)被測物體尺寸計算公式，即：式中：n-覆蓋的光敏像素數(shù)；P-像素間距；M-倍率?！粑C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。8.2光纖傳感器8.2.1概述

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?！艄δ苄蛡鞲衅魇抢霉饫w本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹姸?、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對被調(diào)制過的信號進行解調(diào)，從而得出被測信號?！舴枪δ苄蛡鞲衅魇抢闷渌舾性惺鼙粶y量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。8.2光纖傳感器◆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2~12μm，很細的纖芯半徑接近于光源波長的長度，僅能維持一種模式傳播，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；光強度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖?！魹榱藵M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。8.2光纖傳感器8.2.2光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理1．光纖的結(jié)構(gòu)◆光導(dǎo)纖維簡稱為光纖，目前基本上是采用比頭發(fā)絲還細的石英玻璃絲所制成的，其結(jié)構(gòu)示于圖8-40。圖8-40光纖的結(jié)構(gòu)圖8.2光纖傳感器2．光纖的傳輸原理◆

眾所周知，光在空

間是直線傳播的。

在光纖中，光的傳

輸限制在光纖中，

并隨光纖能傳送到

很遠的距離，光纖

的傳輸是基于光的

全內(nèi)反射。圖8-41光纖的傳光原理◆當光纖的直徑比光的波長大很多時，可以用幾何光學的方法來說明光在光纖內(nèi)的傳播。如圖8－41所示。8.2光纖傳感器圖8-42光纖發(fā)射電路3．光纖發(fā)射器◆光纖發(fā)射器包括緩沖器，驅(qū)動器和光源，本例用振蕩器產(chǎn)生光源信號，如圖8-42所示。發(fā)射光源是接近紅外線的LED，其波長約為820nm。此光源人類眼睛能看到。8.2光纖傳感器圖8-43光纖接收電路4．光纖接收器◆光纖接收器含有三個單元：檢測器/預(yù)放大，放大器及數(shù)字化。圖8-43為光纖接收電路。8.2光纖傳感器8.2.3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)與外界被測參數(shù)的相互作用，外界信號可能引起光的特性（強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）變化，從而構(gòu)成強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)調(diào)制原理。下面將介紹幾種常用的調(diào)制原理。