第11章 光电式传感器

1、第第十一十一章章 光电式传感器光电式传感器11.1 11.1 光电器件光电器件111.2 11.2 电耦合器件电耦合器件11.3 11.3 红外传感器红外传感器32概概 述述 光电式传感器是将光电式传感器是将光通量光通量转换为转换为电电量量的一种传感器，光电式传感器的基础的一种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的是光电转换元件的光电效应光电效应。由于光电。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特点，使得光电传感器在检测和控制等特点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。领

2、域获得了广泛的应用。11.1 光电器件 光电器件是构成光电式传感器最主要的部件。光电器件是构成光电式传感器最主要的部件。光电式传感器的工作原理如图所示：首先把被光电式传感器的工作原理如图所示：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。电转换元件变换成电信号。 图中图中x1表示被测量能直接引起光量变化的检表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；测方式；x2表示被测量在光传播过程中调制光量表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式的检测方式。 图图 光电式传感器的工作原理光电式传感器的工作原理11.1 光电器件11.1.1 光电

3、效应光电效应光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为应分为外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应两大类。两大类。 1外光电效应外光电效应在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管就属称为外光电效应，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。于这类光电器件。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量由下式确定：具有的能量由下式确定： Ehv式中：式中：h h普朗克常数，普朗克常数，6.6266.62610 10 （JsJs）；

4、）； 光的频率（光的频率（s s ）。）。34111.1 光电器件若物体中电子吸收的入射光的能量足以克若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服服逸出功逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则生电子发射。故要使一个电子逸出，则光光子能量子能量h必须超出必须超出逸出功逸出功A0，超过部分的，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即能量，表现为逸出电子的动能。即 式中：式中：m电子质量；电子质量；v0电子电子逸出速度。逸出速度。该方程称为该方程称为爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程。 20012hvmvA11.1 光电器件由式可知：光电子能

5、否产生，取决于由式可知：光电子能否产生，取决于光子的能量是光子的能量是否大于否大于该物体的表面该物体的表面电子逸出功电子逸出功A0。不同物体具有。不同物体具有不同的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应不同的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值，称为的光频阀值，称为红限频率红限频率或或波长限波长限。光线频率小。光线频率小于于红限频率红限频率的入射光，光强再大也不会逸出光电子。的入射光，光强再大也不会逸出光电子。当入射光的频谱成分不变时，产生的当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强光电流与光强成正比成正比。光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效光电子逸出物体表面具有初始动

6、能，因此外光电效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。电流产生。11.1 光电器件2内光电效应内光电效应受受光照光照的物体导电率发生变化，或产生光生电的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。动势的效应叫内光电效应。 内光电效应又可分为以下两大类。内光电效应又可分为以下两大类。光电导效应光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能：在光线作用下，电子吸收光子能量而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电量而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。11.

7、1 光电器件当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，如图所示：上的电子将被激发到导带上去，如图所示： 图：电子能级示意图图：电子能级示意图从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的电导材料的禁带宽度禁带宽度E Eg g，即：，即：1.24ghchvE11.

8、1 光电器件光生伏特效应光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生：在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。光电池和光敏晶体管等。 势垒效应（结光电效应）势垒效应（结光电效应） 接触的半导体和接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。 侧向光电效应侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。浓度梯度将会产生侧向光电效应。 11.

9、1 光电器件11.1.2 光电管光电管1结构与工作原理结构与工作原理 光电管是外光电效应的器件，光电管是外光电效应的器件，有真空光电管和充气光电管有真空光电管和充气光电管两类。两类。光电阴极通常是用逸出功小光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光壁上做成，其感光面对准光 图图 光电管的结构光电管的结构的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。流，在外电

10、路就产生电流。 11.1 光电器件2主要性能主要性能（1）光电管的伏安特性）光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的在一定的光照射下，对光电器件的阳极所加电压阳极所加电压与与阴极所产生的阴极所产生的电流电流之间的之间的关系关系称为称为光电管的伏安特性光电管的伏安特性。真空光电管真空光电管和和充气光电管充气光电管的伏安特性分别如图（的伏安特性分别如图（a） 和（和（b）所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。）所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。 图图 光电管的伏安特性光电管的伏安特性11.1 光电器件（2）光电管的光照特性：通常指当光电管的）光电管的光照特性：通常指当光电管的阳极和阴

11、极之间的所加电压一定时，光通量阳极和阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间的关系为和光电流之间的关系为光电管的光照特性光电管的光照特性。光电管光电管阴极材料不同，其光照特性也不同阴极材料不同，其光照特性也不同。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比称为光电管的灵敏度。之比称为光电管的灵敏度。11.1 光电器件（3）光电管光谱特性）光电管光谱特性一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率红限频率v0，因此它们可用于不同的光谱范围。，因此它们可用于不同的光谱范围。即使照射在阴极上的入射光的频率

12、高于红限频率即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。光电阴极。11.1 光电器件11.1.3 光电倍增管光电倍增管1结构与原理结构与原理 光电倍增管也是基于光电倍增管也是基于外光电效应的器件。外光电效应的器件。由于真空光电

13、管的灵由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，便研制了光电倍增管，其工作原理如图所其工作原理如图所示。示。 图：光电倍增管的外型和工作原理图：光电倍增管的外型和工作原理11.1 光电器件2主要参数主要参数（1）倍增系数倍增系数M倍增系数倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射电子等于各倍增电极的二次电子发射电子i的乘积。如的乘积。如果果n个倍增电极的个倍增电极的i都一样，则都一样，则M=i ，因此，阳极电流，因此，阳极电流I为：为： M与所加电压有关，一般在与所加电压有关，一般在10 10 之间。如果电压有波动，之间。如果电压有波动，倍增系数也要波动，因此倍增系

14、数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极的电压为阴极的电压为1000V2500V，两个相邻的倍增电极的电压差，两个相邻的倍增电极的电压差为为50V100V。niIin5811.1 光电器件（2）阴极灵敏度和总灵敏度）阴极灵敏度和总灵敏度一个光子在阴极上能够打出一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的放大倍数或总光电倍增管的放大倍数或总 灵敏度如图所示。极间电压灵敏度如图

15、所示。极间电压 越高，灵敏度越高；但极间越高，灵敏度越高；但极间 电压也不能太高，太高反而电压也不能太高，太高反而 会使阳极电流不稳。另外，会使阳极电流不稳。另外， 由于光电倍增管的灵敏很高，由于光电倍增管的灵敏很高， 所以不能受强光照射，否则所以不能受强光照射，否则 将会损坏。将会损坏。图图 光电倍增管的特性曲线光电倍增管的特性曲线11.1 光电器件（3）光谱特性）光谱特性光电倍增管的光谱特性与相同材料光电管的光谱特性光电倍增管的光谱特性与相同材料光电管的光谱特性很相似。很相似。（4）暗电流及本底电流）暗电流及本底电流当管子不受光照，但极间加入电压时在阳极上会收集当管子不受光照，但极间加入电

16、压时在阳极上会收集到电子，这时的电流称为暗电流，。到电子，这时的电流称为暗电流，。如果光电倍增管与闪烁体放在一起，在完全避光情况如果光电倍增管与闪烁体放在一起，在完全避光情况下，出现的电流称本底电流，其值大于暗电流。增加下，出现的电流称本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的。本底电流发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的。本底电流具有脉冲形式，因此也成为本底脉冲。具有脉冲形式，因此也成为本底脉冲。11.1 光电器件11.1.4 光敏电阻光敏电阻1光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻

17、的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管，是内光电效应器件，光敏电阻又称光导管，是内光电效应器件，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻器以硫化隔制成，所以简称为敏电阻器以硫化隔制成，所以简称为CDS。 光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。中电流（暗电流）很小。11.1 光电器件 当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值当光敏电

18、阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。一般希（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。亮电阻在几千欧以下。 图为光敏电阻的原理图为光敏电阻的原理结构。结构。 图图 光敏电阻结构光敏电阻结构11.1 光电器件2光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数（1）暗电阻暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称

19、为暗电流。此时流过的电流称为暗电流。（2）亮电阻）亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。此时流过的电流称为亮电流。（3）光电流）光电流亮电流与暗电流之差称为光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。11.1 光电器件3光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性（1） 伏安特性伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。关系称为光敏电阻的伏安特性。 图为硫化镉光敏电阻的伏安图为硫化镉光敏电阻的伏安 特性曲线。由图可见，光敏特性曲线。由图可

20、见，光敏 电阻在一定的电压范围内，电阻在一定的电压范围内， 其其I-U曲线为直线，说明其曲线为直线，说明其 阻值与入射光量有关，而与阻值与入射光量有关，而与 电压、电流无关。电压、电流无关。 图：硫化镉光敏电阻的伏安特性图：硫化镉光敏电阻的伏安特性11.1 光电器件（2）光谱特性）光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。为光谱特性，亦称为光谱响应。 图为几种不同材料图为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长，光对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不敏电阻的灵敏度是不同的。同的。 图：光敏电

21、阻的光谱特图：光敏电阻的光谱特性性11.1 光电器件（3）光照特性）光照特性光敏电阻的光照特性是光敏电阻的光电流与光强光敏电阻的光照特性是光敏电阻的光电流与光强之间的关系，如图所示。之间的关系，如图所示。由于光敏电阻的光照由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，不宜作为测量元件，一般在自动控制系统一般在自动控制系统中常用作开关式光电中常用作开关式光电信号传感元件。信号传感元件。 图：光敏电阻的光照特性图：光敏电阻的光照特性11.1 光电器件（4）温度特性）温度特性光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏

22、度都下降。暗电阻和灵敏度都下降。温度变化影响光敏电温度变化影响光敏电阻的光谱响应，尤其阻的光谱响应，尤其是响应于红外区的硫是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度化铅光敏电阻受温度影响更大。图为硫化影响更大。图为硫化 铅光敏电阻的光谱温铅光敏电阻的光谱温 度特性曲线。度特性曲线。图图 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线 11.1 光电器件（5）光敏电阻的响应时间和频率特性）光敏电阻的响应时间和频率特性实验证明，光电流的变化对于光的变化，在时间上有实验证明，光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，通常用时间常数一个滞后，通常用时间常数t来描述，这叫做光电导的来描述

23、，这叫做光电导的弛豫现象。所谓时间常数即为光敏电阻自停弛豫现象。所谓时间常数即为光敏电阻自停 止光照起到电流下降到原来的止光照起到电流下降到原来的 63%所需的时间，因此，所需的时间，因此，t越小，越小， 响应越迅速，但大多数光敏电响应越迅速，但大多数光敏电 阻的时间常数都较大，这是它阻的时间常数都较大，这是它 的缺点之一。图所示为硫化镉的缺点之一。图所示为硫化镉 和硫化铅的光敏电阻的频率特性。和硫化铅的光敏电阻的频率特性。 图图 光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性11.1 光电器件4光敏电阻基本应用电路光敏电阻基本应用电路 在图所示的电路中，在图所示的电路中， 我们利用光敏电阻将我们利用光

24、敏电阻将 光线的强弱变为电阻光线的强弱变为电阻 值的变化，以达到光值的变化，以达到光 控制电路的目的。控制电路的目的。 图：图：CDS 实验电路实验电路11.1 光电器件11.1.5 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管1结构原理结构原理光敏二极管的结光敏二极管的结构与一般二极管构与一般二极管相似。它装在透相似。它装在透明玻璃外壳中，明玻璃外壳中， 图：光敏二极管的结构原理图：光敏二极管的结构原理 其其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图a）。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态）。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图（见图

25、b所示），在没有光照射时，反向电阻很大，所示），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流。反向电流很小，这反向电流称为暗电流。 11.1 光电器件 如如图所示为图所示为NPN型光型光敏晶体管的结构简敏晶体管的结构简图和基本电路。大图和基本电路。大多数光敏晶体管的多数光敏晶体管的基极无引出线，当基极无引出线，当集电极加上相对于集电极加上相对于 图：图：NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路型光敏晶体管结构简图和基本电路发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压；当光照射在集电结上时，就会在结附近产生电子压；当光照射在集电结

26、上时，就会在结附近产生电子-空穴对，从而形成光电流，相当于三极管的基极电空穴对，从而形成光电流，相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增加，因此集电极电流是光生电流。由于基极电流的增加，因此集电极电流是光生电流的流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。倍，所以光敏晶体管有放大作用。11.1 光电器件2基本特性基本特性（1）光谱特性）光谱特性 光敏二极管和晶体管的光光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图谱特性曲线如图所示。所示。从曲线可以看出，硅的峰从曲线可以看出，硅的峰值波长约为值波长约为0.9m，锗的，锗的峰值波长约为峰值波长约为1.5m，此此 特性时灵敏度最大，而当入射光的波长增加或缩短特性时灵敏

27、度最大，而当入射光的波长增加或缩短 时，相对灵敏度也下降。一般来讲，锗管的暗电流较时，相对灵敏度也下降。一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测时，锗管较时，一般都用硅管。但对红外光进行探测时，锗管较为适宜。为适宜。 图：光敏晶体（二）级管的光谱图：光敏晶体（二）级管的光谱11.1 光电器件（2）伏安特性）伏安特性图为硅光敏管在图为硅光敏管在 不同照度下的伏不同照度下的伏 安特性曲线。从安特性曲线。从 图中可见，光敏图中可见，光敏 晶体管的光电流晶体管的光电流 比相同管型的二比相同管

28、型的二 极管大上百倍。极管大上百倍。 图：硅光敏管的伏安特性图：硅光敏管的伏安特性11.1 光电器件（3）温度特性）温度特性 光敏晶体管的光敏晶体管的温度特性是指温度特性是指其暗电流及光其暗电流及光电流与温度的电流与温度的关系。光敏晶关系。光敏晶体管的温度特体管的温度特 图：光敏晶体管的温度特性图：光敏晶体管的温度特性性曲线如图所示。从特性曲线可以看出，温度变化对光性曲线如图所示。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大，所以在电子线路电流影响很小，而对暗电流影响很大，所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导

29、致输出误差。11.1 光电器件图：光电池工作原理图：光电池工作原理11.1 光电器件1基本特性基本特性（1）光谱特性）光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。是不同的。图为硅光电池和图为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知，不同材料的光电池，光中可知，不同材料的光电池，光 响应峰值所对应的入射光波长是响应峰值所对应的入射光波长是 不同的，硅光电池在不同的，硅光电池在0.8m附近，硒光电池在附近，硒光电池在0.5m附近。硅光电池的光谱响应波长范围为附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.41.2m，而硒光电池的范围只能为而硒光

30、电池的范围只能为0.380.75m。可见硅光电。可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。池可以在很宽的波长范围内得到应用。图：光电池的光谱特性谱图：光电池的光谱特性谱11.1 光电器件（2）光照特性）光照特性 光电池在不同光照度下，光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关不同的，它们之间的关系就是光照特性。图系就是光照特性。图为硅光电池的开路为硅光电池的开路电压和短路电流与光照电压和短路电流与光照的关系曲线。的关系曲线。 图：硅光电池的光照特性图：硅光电池的光照特性11.1 光电器件（3）温度特性）温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和

31、短路电光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控影响到测量精度或控制精度等重要指标，制精度等重要指标，因此温度特性是光电因此温度特性是光电池的重要特性之一。池的重要特性之一。光电池的温度特性如光电池的温度特性如图所示。图所示。 图：硅光电池的温度特性图：硅光电池的温度特性11.1 光电器件（4）频率特性）频率特性光电池的频率特性就是反光电池的频率特性就是反映光的交变频率和光电池映光的交变频率和光电池输出电流的关系，如图输出电流的关系，如图所示

32、。从曲线可以看所示。从曲线可以看出，硅光电池有很高的频出，硅光电池有很高的频率响应，可用在高速计率响应，可用在高速计数、有声电影等方面。这数、有声电影等方面。这就是硅光电池在所以光电就是硅光电池在所以光电元件中最为突出的优点。元件中最为突出的优点。图：光电池的频率特性图：光电池的频率特性 11.1 光电器件 2应用电路应用电路光电池转换电路如图所示，能将光的照度转换为电光电池转换电路如图所示，能将光的照度转换为电压形式输出，本电路所使用的光电池，其外型是由压形式输出，本电路所使用的光电池，其外型是由四个相同四个相同的光电池的光电池串联而成，串联而成，其开路电其开路电压约为压约为2V，短路电流短

33、路电流约为约为0.08Al x。 图：光电池转换电路图：光电池转换电路11.1 光电器件 由光电池特性得知，光电池的由光电池特性得知，光电池的开路电压开路电压Vop与入与入射光强度的对数成正比，成非线性关系，而短路射光强度的对数成正比，成非线性关系，而短路电流电流Ish却是与照度成正比，所以一般转换电路却是与照度成正比，所以一般转换电路大都采用短路电流做转换，而不采用开路电压。大都采用短路电流做转换，而不采用开路电压。图的图的U1为一个电流为一个电流-电压转换电路，可将光电池电压转换电路，可将光电池的短路电流转换成电压。因运算放大器有虚接地的短路电流转换成电压。因运算放大器有虚接地的特性，且光

34、电池接在运算放大器的正负两端相的特性，且光电池接在运算放大器的正负两端相当于光电池短路。又因运算放大器的输入电流几当于光电池短路。又因运算放大器的输入电流几乎为零，所以全部的乎为零，所以全部的Ish流到流到R6与与R7，使，使U1的输的输出电压出电压V1=Ish(R6+R7)。所以可调整。所以可调整R7的大小，的大小，使得输出电压为使得输出电压为1mVl x，这种调整方式，称为，这种调整方式，称为扩展率调整扩展率调整( Span adjust)。11.1 光电器件若现场含有若现场含有AC110V，60Hz的交流成分的交流成分存在。由存在。由R8(10K)，C1(10F)所组成的低所组成的低通滤

35、波器，可将通滤波器，可将120Hz的交流成分滤除，的交流成分滤除，使得转换电路的输出电压为平均照度的使得转换电路的输出电压为平均照度的电压信号。而电压信号。而U2为一电压跟随器为一电压跟随器（AV1），作为缓冲器。），作为缓冲器。11.1 光电器件11.1.7 光电耦合器件光电耦合器件光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光常是半导体的发光二极管，光电接收元

36、件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。光电开关。 11.1 光电器件图：光电耦合器组合形式图：光电耦合器组合形式11.1 光电器件2光电开关光电开关光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出得最终的控制输

37、出“开开”、“关关”信号的器信号的器件。件。 图：光电开关的结构图：光电开关的结构11.1 光电器件 图（图（a）是一种透射式的光电开关，它的发光元）是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样起到检测作用。收不到来自发光元件的光，这样起到检测作用。 图（图（b）是一种反射式的光电开关，它的发光元）是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，件和接收元件的光轴在同一平

38、面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接则接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与触，而且与TTL、MOS等电路容易结合。等电路容易结合。11.1 光电器件用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有信号有“高高-低低”（1-0）之分即可。图是基本）之分即可。图是基本电路的示例。（电路的示例。（a）、（）、（b）表示负载为）表示负载为CMOS比

39、较器等高输入阻抗电路时的情况，（比较器等高输入阻抗电路时的情况，（c）表）表示用晶体管放大光电流的情况。示用晶体管放大光电流的情况。图：光电开关的基本电路图：光电开关的基本电路光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。中作光控制和光探测装置。11.2 电偶合器件11.2电荷耦合器件电荷耦合器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge Couple Device，简，简称称CCD）是一种金属氧化物半导体（）是一种金属氧化物半导体（MOS）集成）集成电路器件。电路器件。 它以它以电荷电荷作为信号，基本功能是进行作为

40、信号，基本功能是进行电荷的存电荷的存储储和和电荷的转移电荷的转移。 CCD自自1970年问世以来，由于其低噪声等特年问世以来，由于其低噪声等特点而发展迅速，广泛应用于在微光电视摄像、信息点而发展迅速，广泛应用于在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面。存储和信息处理等方面。一、一、 CCD结构结构构成构成CCD的基本单元是的基本单元是MOS电容器电容器，如图所示。，如图所示。与其它电容器一样，与其它电容器一样，MOS电容器能够存储电荷电容器能够存储电荷 。 MOS基本单元是在基本单元是在P型或型或N型的硅半导体衬底上覆型的硅半导体衬底上覆盖一层约盖一层约120nm的的SiO2，在其表面依次沉积

41、一层，在其表面依次沉积一层金属金属电极电极构成。这样的一个构成。这样的一个MOS结构称为一个结构称为一个光光敏元敏元或一个或一个像素像素。图：图：MOSMOS电容器的结构电容器的结构11.2 电偶合器件一、一、CCD结构结构 根据不同要求将根据不同要求将MOS阵列加上阵列加上输入输入、输出输出结构结构就构成了就构成了CCD器件。器件。 如果如果MOS电容器中的半导体是电容器中的半导体是P型硅，当在金型硅，当在金属电极上施加一个正电压时，在其电极下形成带负属电极上施加一个正电压时，在其电极下形成带负电荷的所谓电荷的所谓耗尽层耗尽层，由于那里的，由于那里的电子势能很低电子势能很低，形，形成了成了表

42、面势阱表面势阱，如图所示，成为蓄积电荷的场所。，如图所示，成为蓄积电荷的场所。图：势阱的形成图：势阱的形成11.2 电偶合器件 对于对于P型硅衬底的型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，耗尽区的器件，电极加正偏压时，耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子少数载流子（电子）被吸收（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内到最高正偏压电极下的区域内形成电荷包形成电荷包（势阱势阱）。）。 对于对于N型硅衬底的型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流器件，电极加正偏压时，少数载流子为子为空穴空穴。 CCD电荷的产生有两种方式：电荷的产生有两种方式：电注入电注

43、入和和光注入光注入。 CCD用作光学图像传感器时，采用光注入。用作光学图像传感器时，采用光注入。即光信号照在即光信号照在CCD硅片上，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子空穴对，硅片上，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子空穴对，多数空穴流入衬底，少数电子被收集在势阱中，形成储存电荷。多数空穴流入衬底，少数电子被收集在势阱中，形成储存电荷。储存电荷正比于照射的光强；储存电荷正比于照射的光强； CCD用作信号处理或储存器件时，采用电注入。用作信号处理或储存器件时，采用电注入。即即CCD通过通过输入结构对信号电压或电流采样，并转换为电荷信号。注入电荷输入结构对信号电压或电流采样，并转换为电荷信号。注入

44、电荷量量QIDt （ t 正脉冲的宽度正脉冲的宽度） 二、二、CCD电荷的产生电荷的产生11.2 电偶合器件三、三、CCD电荷的转移电荷的转移 外加在外加在MOS电容器上的电压越高，产生的势阱越深电容器上的电压越高，产生的势阱越深；外加电外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。 利用此特性，通过控制相邻的利用此特性，通过控制相邻的MOS电容栅极电压的高低来调电容栅极电压的高低来调节势阱的深浅，让节势阱的深浅，让MOS电容间排列足够紧密，使相邻电容间排列足够紧密，使相邻MOS电容电容的势阱相互沟通，即相互耦合，就可以使的势阱相互沟通，即

45、相互耦合，就可以使电荷由势阱浅处流向势电荷由势阱浅处流向势阱深处，实现信号电荷的转移阱深处，实现信号电荷的转移。 电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程，见下图。控制电荷定向转移的过程，见下图。11.2 电偶合器件11.2 电偶合器件电荷转移过程电荷转移过程四、四、CCDCCD电荷的输出电荷的输出 输出端被读出有两种方式：利用二极管的输出结输出端被读出有两种方式：利用二极管的输出结构和浮置栅构

46、和浮置栅MOSMOS管输出，如书管输出，如书P204P204图图10107 7所示。所示。11.2 电偶合器件五、五、CCD固态图像传感器固态图像传感器电荷耦合器件用于固态图像传感器中，作为摄像或像敏的器电荷耦合器件用于固态图像传感器中，作为摄像或像敏的器件。件。CCD固态图像传感器由固态图像传感器由感光部分感光部分和和移位寄存器移位寄存器组成。感组成。感光部分是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元组成的光部分是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元组成的阵列元件，光敏单元简称阵列元件，光敏单元简称“像素像素”。固态图像传感器利用光敏单元的固态图像传感器利用光敏单元的光电光电转换功能将投射到

47、光敏转换功能将投射到光敏单元的单元的光学图像光学图像转换成转换成电信号电信号“图像图像”，即将光强的即将光强的空间分空间分布布转换为与转换为与光强光强成比例的、大小不等的成比例的、大小不等的电荷包电荷包空间分布，然空间分布，然后利用后利用移位寄存器移位寄存器的移位功能将电信号的移位功能将电信号“图像图像”转送，经输转送，经输出放大器输出。出放大器输出。 11.2 电偶合器件根据光敏元件排列形式的不同，根据光敏元件排列形式的不同，CCD固态图像传感器固态图像传感器可分为可分为线型线型和和面型面型两种。两种。（1） 线型线型CCD图像传感器获取线图像图像传感器获取线图像典型的线型典型的线型CCD图

48、像传感器由一列光敏元件和两列电图像传感器由一列光敏元件和两列电荷转移部件组成，在它们之间设置一个转移控制栅，荷转移部件组成，在它们之间设置一个转移控制栅，如图所示。如图所示。 图：线型图：线型CCDCCD图像传感器图像传感器11.2 电偶合器件（2）面型）面型CCD图像传感器获取面图像图像传感器获取面图像按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成面型成面型CCD图像传感器。图像传感器。 面型面型CCD图像传感器有三种基本类型：线转移、帧转移和隔列转移。如图。图像传感器有三种基本类型：线转移、帧转移和隔列

49、转移。如图。 图：线转移面型图：线转移面型CCD的结构图的结构图 11.2 电偶合器件图图a：帧转移面型：帧转移面型CCD的结构图的结构图 图图b：隔离转移型：隔离转移型 CCD的结构图的结构图 11.2 电偶合器件六、固态图像传感器的主要特性参数（书六、固态图像传感器的主要特性参数（书P214）光电转换特性光电转换特性分辨率分辨率输出饱和特性输出饱和特性暗电流暗电流 灵敏度灵敏度光谱响应及背面照光光谱响应及背面照光11.2 电偶合器件七、七、CCD图像传感器应用图像传感器应用前面介绍的前面介绍的CCD具有将具有将光像光像转换为转换为电荷分布电荷分布，以及，以及电荷的电荷的存储存储和和转移转移

50、等功能，所以它是构成等功能，所以它是构成CCD固态固态图像传感器的主要图像传感器的主要光敏器件光敏器件，取代了摄像装置中的，取代了摄像装置中的光学扫描系统或电子束扫描系统。光学扫描系统或电子束扫描系统。CCD图像传感器具有高分辨力和高灵敏度，具有较图像传感器具有高分辨力和高灵敏度，具有较宽的动态范围，这些特点决定了它可以广泛用于自宽的动态范围，这些特点决定了它可以广泛用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。11.2 电偶合器件CCD图像传感器在检测物体的位置、工件尺寸的精图像传感器在检测物体的位置、工件尺寸的精确测量及工件缺陷的检测方面有独到之

51、处。确测量及工件缺陷的检测方面有独到之处。 图为应用线型图为应用线型CCD图像传感器测量物体尺寸系统。图像传感器测量物体尺寸系统。图：图：CCDCCD图像传感器工件尺寸检测系统图像传感器工件尺寸检测系统11.2 电偶合器件物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上，视频处理器物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上，视频处理器对输出的视频信号进行存储和数据处理，整个过程由对输出的视频信号进行存储和数据处理，整个过程由微机控制完成。根据几何光学原理，可以推导被测物微机控制完成。根据几何光学原理，可以推导被测物体尺寸体尺寸D计算公式，即：计算公式，即： 式中：式中：n-覆盖的光敏像素数；覆盖的光敏像素数；P-像

52、素间距；像素间距；M-倍率。倍率。微机可对多次测量求平均值，精确得到被测物体的尺微机可对多次测量求平均值，精确得到被测物体的尺寸。任何能够用光学成像的零件都可以用这种方法，寸。任何能够用光学成像的零件都可以用这种方法，实现不接触的在线自动检测的目的。实现不接触的在线自动检测的目的。npDM11.2 电偶合器件11.3 红外传感器 11.3 红外传感器红外传感器 红外传感器按其应用可分为以下几方面：红外传感器按其应用可分为以下几方面： 红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量；红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量； 搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确 定

53、其空间位置并对它的运动进行跟踪；定其空间位置并对它的运动进行跟踪； 热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图 像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等；像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等； 红外测距和通信系统；红外测距和通信系统； 混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的 组合。组合。 11.3 红外传感器图：电磁波谱图图：电磁波谱图11.3.111.3.1红外辐射红外辐射红外辐射俗称红外辐射俗称红外线红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长

54、范围大致在光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.75m0.75m 1000m1000m，红外线在电磁波谱中的位置如图所示。，红外线在电磁波谱中的位置如图所示。11.3 红外传感器工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，工程上又把红外线所占据的波段分为四部分， 即近红外、中红外、远红外和极远红外。即近红外、中红外、远红外和极远红外。红外线的最大特点是具有红外线的最大特点是具有光热效应光热效应，可以辐射，可以辐射热量热量，它是光，它是光谱中的最大光热效应区。一个炽热物体向外辐射的能量大部谱中的最大光热效应区。一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过分是通过红外线红外线辐射出来的。辐

55、射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强强。而且，红外线被物体吸收时，可以显著地转变为热能。而且，红外线被物体吸收时，可以显著地转变为热能红外辐射和所有电磁波一样，是以红外辐射和所有电磁波一样，是以波波的形式在空间直线传播的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的。同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的。11.3 红外传感器 11.3.2红外探测器（传感器）红外探测器（传感器）能将

56、能将红外辐射能红外辐射能转换为转换为电能电能的装置称为红外探测器或红的装置称为红外探测器或红外传感器。外传感器。红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。显示系统等组成。红外探测器种类很多，红外探测器种类很多， 根据温度可分为：低温、中温、室温；根据温度可分为：低温、中温、室温； 根据响应波长可分为：近红外、中红外、远红外；根据响应波长可分为：近红外、中红外、远红外； 根据用途分为：单元型、多元阵列、成像传感器；根据用途分为：单元型、多元阵列、成像传感器； 根据探测机理可分为两大类：根据探测机理可分为两大类：热传感器热传感器

57、和和光子传感器光子传感器。11.3 红外传感器 11.3.2 红外传感器的性能参数（书红外传感器的性能参数（书P188）电压响应率；电压响应率；响应波长范围；响应波长范围；噪声等效功率；噪声等效功率； 探测率与比探测率探测率与比探测率 时间常数时间常数11.3 红外传感器11.3.3热传感器热传感器热传感器对入射的各种波长的辐射能量全波吸收，它热传感器对入射的各种波长的辐射能量全波吸收，它是一种对红外光波无选择的红外传感器。是一种对红外光波无选择的红外传感器。传感器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而传感器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数

58、的使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定传感器所吸收的红外辐射。变化，便可确定传感器所吸收的红外辐射。与光子传感器相比，热传感器的探测率比光子传感器与光子传感器相比，热传感器的探测率比光子传感器的峰值探测率低，响应时间长。但热传感器主要优点的峰值探测率低，响应时间长。但热传感器主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在室温下工作，使用方便，应用仍相当广泛。以在室温下工作，使用方便，应用仍相当广泛。 11.3 红外传感器热传感器定义：利用辐射热效应，使探测器吸收红外辐射后温度热传感器定义：利用辐射热效应，使探测器

59、吸收红外辐射后温度升高，进而使传感器中依赖于温度的某些物理性质发生变化，这升高，进而使传感器中依赖于温度的某些物理性质发生变化，这种变化与吸收的红外辐射能成一定关系。种变化与吸收的红外辐射能成一定关系。热传感器主要类型有热敏电阻型、热传感器主要类型有热敏电阻型、 热电偶型和高莱气体型、热释热电偶型和高莱气体型、热释电型传感器。电型传感器。1、热敏电阻型红外传感器、热敏电阻型红外传感器原理：利用固体材料的电阻率随温度变化的特性原理：利用固体材料的电阻率随温度变化的特性特性：热敏电阻一般制成薄片状，红外辐射照射在热敏电阻上使其特性：热敏电阻一般制成薄片状，红外辐射照射在热敏电阻上使其 温度升高，电

60、阻值减小，测量电阻值的变化就可知入射的红温度升高，电阻值减小，测量电阻值的变化就可知入射的红 外辐射的强弱，从而判断产生红外辐射的物体的温度。外辐射的强弱，从而判断产生红外辐射的物体的温度。2、热电偶型红外传感器、热电偶型红外传感器原理：利用热电效应，当红外辐射照射到热电偶的热端时，该端温度升高，而冷端温原理：利用热电效应，当红外辐射照射到热电偶的热端时，该端温度升高，而冷端温 度保持不变。此时，在热电偶回路中将产生感生热电势，热电势的大小反映了度保持不变。此时，在热电偶回路中将产生感生热电势，热电势的大小反映了 热端吸收红外辐射的强弱。热端吸收红外辐射的强弱。特性：响应时间长，动态特性差，实