第3章 光电传感器课件

第3章光电式传感器光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光学量的变化，再通过光电元件把光学量的变化转换成电信号。基本原理是物质的光电效应光电传感器属于无损伤、非接触测量器件，具有体积小、重量轻、响应快、灵敏度高、功率低、便于集成、可靠性高、适于批量生产等优点。3.1光电效应在可见光范围内：红光频率最低，携带能量最小；紫光频率最高，携带能量最大。光电效应：当光照射某一物体时，组成该物体的材料吸收光子能量而发生相应的电效应的物理现象。分3类：外光电效应、内光电效应和光生伏打效应。

外光电效应：光照射于某一物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象。光电管、广电倍增管、内光电效应：光照射于某一物体上，使其导电能力发生变化的现象。可制成光敏电阻、光敏二极或三极管、光敏晶闸管。光生伏打效应：在光线作用下物体产生一定方向的电动势的现象。可制成各类光电池。3.2光敏电阻采用半导体材料并利用内光电效应组成，在光线作用下其电阻值变小。这种现象称为光导效应，具有光导效应的材料称为光敏电阻，也叫光导管。当光敏电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。一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。

１．光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。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。无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。2.光敏电阻的结构为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。

3．光敏电阻的主要参数（１）暗电阻：光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。（２）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。（３）光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。4．光敏电阻的基本特性（1）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关系①一定光照，R一定，I正比于U。②一定电压，I随着光照E增强而增大。E↑→R↓→I↑。(2)光照特性（I～E）光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中。如光照度计：农作物日照时数测定。无光照V0=VL。有光照V0=VH。输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。1天查询720次。

（3）光谱特性（Kr%～）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。①不同材料，其峰值波长不同。②同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件，（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。光敏电阻的光学特性

（4）温度特性

温度变化影响光敏电阻的光谱响应。

硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线,它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此,硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻,其温度影响要小一些。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性（2）光敏电阻工作原理内光电效应。

光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强了导电性能，使阻值降低。光照停止，电子空穴对又复合，阻值恢复。

导带价带uA要使价带电电子跃迁到导带，入射光子的能量满足或光敏电阻的应用实例之一：自动照明灯亮光报警电路标识灯电路3.2光电（敏）二极管工作原理是利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。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。二极管处于截止状态。当光照射在PN结上时,光子打在PN结附近,使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动,形成光电流。二极管处于导通状态。光的照度越大,光电流越大。光电式数字转速表4.光电三级管光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。

工作原理（1）光电转换（2）电流放大

基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时,在结附近产生电子-空穴对,电子在结电场的作用下，由P区向N区运动，形成基极电流，放大β倍形成集电极电流（光电流）,所以光电三极管有放大作用。NPNCBE-+-RUI条形码扫描笔

光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件就不需要外加电源。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结,当光照射到PN结的一个面,例如p型面时,若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴,电子空穴对从表面向内迅速扩散,在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有关的电动势。3.5光电池(1)光电池工作原理图uA输出电流mV输出电压（１）光照特性反映短路电流、开路电压与光照度的关系。

短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。开路电压（负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的,并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。光电池工作于开路电压状态，可做开关元件。光电池的基本特性JMJ112V2A901251KL39470uf4001～自动干手器手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，光电池不受光照，晶体管基极正偏而导通，继电器吸合。风机和电热丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，灯泡发出光直接照射到光电池上，产生光生电动势，使三极管基射极反偏而截止，继电器释放，从而切断风机和电热丝的电源。

(2)温度特性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。

开路电压随温度升高而下降的速度较快,短路电流随温度升高而缓慢增加。把光电池作为测量器件应用时,应保证温度恒定或采取温度补偿措施。光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒克斯。Lx(W/m2)3.6光电耦合器件

光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内,一般有金属封装和塑料封装两种。发光元件为发光二极管，受光元件为光敏三极管或光敏可控硅。它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出端。特点：①强弱电隔离。输入输出极之间绝缘电阻达1010。耐压达2000V以上。能避免输出端对输入端地线等的干扰。②对系统内部噪声有很强的抑制作用。发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）光电耦合器的组合形式应用于自动控制电路中的强弱电隔离。1.热释电效应

当某些强介电常数物质的表面温度发生变化时，在其表面上就会产生电荷变化的现象。2.热释电红外传感器参见教材p51图3－203.应用实例（1）红外防盗器参见教材p51图3－23（2）红外测温仪:是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。参见教材p51图3－233.7红外线传感器

色彩传感器是由单晶硅和非单晶态硅制成的半导体器件。在工业生产中，主要用色差管理、颜色识别、调整及测定。物体的颜色是由照射物体的光源和物体本身的光谱反射率决定的。

较成熟的半导体色彩传感器有：双PN结光敏二极管及非晶态集成色彩传感器。3.8色彩传感器3.9光纤传感器按光纤的使用方式可分为功能型和非功能型传感器。功能型传感器是利用光纤本身随测量的变化而发生变化的特性。非功能型传感器是利用其它敏感元件来感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质。因此也称为传光型或混合型光纤传感器。一、光纤传感器的基本知识1、光纤结构由纤芯和包层组成（石英玻璃5—100um)（n1>n2)。外层一层尼龙保护套。2、传输原理光的全内反射是光纤传输光的基础。3、主要参数光纤分类：按传输模式分单模光纤、多模光纤

模的概念

光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。当它在横向往返依次的相位变化为2的整数倍时，形成驻波。形成驻波的光线组成为模。模是离散存在的。一定材质一定尺寸的光纤只能传输特定模数的光波。

模的确定

光纤传输模数由归一化频率确定。芯径大，折射率差大（NA大），N大，多模。芯径小到6µm,折射率差小到0.5%。N=1光纤只能传输一定波长光，单模。按折射率分布：阶跃型光纤和梯度型光纤二、光纤传感器功能型（传感型）和非功能型（传光型）。1、功能型光纤用单模光纤，既传光又是敏感元件。（单模光纤只能传输某一角度和波长的单色光）光纤的传输特性受被测物理量作用而发生变化。使光纤中传输光的属性（相位、强度、波长、偏振态）被调制。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。测温度、压力、位移等。2、非功能型光纤（光通讯）光纤只作为光的传输回路。为了得到较大的受光量和传输光功率。非功能型光纤传感器采用NA较大和芯径较大的阶跃型多模光纤。增大传输光的通量。光纤传感器应用光强调制相位调制Mach-Zehnder干涉原理图偏振调制光纤电流传感器

三、光纤传感器应用

1、光纤加速度传感器激光束通过分光板后分为两束光,透射光作为参考光束,反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时,由于质量块M对上下光纤的作用,

从而使光纤被拉伸,引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号,(光电探测器置于汇合处）经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。光纤加速度传感器结构简图由于光纤长度的变化，引起光束光程差的变化两束光经干涉仪产生相干条纹，相干条纹移过的数目与相位差成正比。一般用光电探测器计下干涉条纹移过的数目，经处理电路可算出相位差，即而算出加速度。由于光纤感受温度变化时，光纤的折射率发生变化，而且因光的热胀冷缩使长度变化。使光纤的光程差及相位变化。可测温度和压力。2、光纤微弯曲位移和压力传感器（光强调制型）光纤微弯对传播光的影响当光线射入微弯曲段时，入射角小于临界角。此时，除反射光外，一部分光透射进入包层。导致光能的损耗。输出光强度减小。光纤微弯曲传感器3.10图象传感器图象传感器是利用光传感器的光电转换功能，将其感光面上的光图象转换为与之成比例关系的电信号图象的一种功能器件。电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，简称CCD），它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。广泛应用于自动控制和自动测量,尤其适用于图像识别技术。(一)MOS光敏单元CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。CCD器件的基本单元结构是MOS（金属—氧化物—半导体）结构。即在P型硅衬底上生长一层SiO2(120nm),再在SiO2层上沉积金属铝构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。A、势阱的产生MOS的金属电极加正压，电极下的P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于U的大小。B、电荷的存储

势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量。CCD图象传感器输出信号的特点：

(1)与景象的实时位置相对应，即能输出景象时间系列信号，也就是“所见即所得”；

(2)串行的各个脉冲可以表示不同信号，即能输出景象亮暗点阵分布模拟信号；

(3)能够精确反映焦点面信息，即能输出焦点面景象精确信号。CCD图象传感器的主要用途如下：

CCD图象传感器是由MOS电容器组成的阵列，CMOS图象传感器是按一定规律排列互补型金属－氧化物－半导体场效应晶体管（MOSFET）组成的阵列。

CMOS图象传感器就是把CMOS型放大器作为光电变换器件的传感器。相对于CCD的优势是省电，缺点是易造成图象的“脉冲噪声”。驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1分类箱23邮政编码识别系统邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中课堂练习一、单选题1.利用物质的光电效应制成的传感器称为（）A．压电传感器Ｂ．光电传感器Ｃ．磁电传感器Ｄ．温度传感器2.下列可以实现无损伤、非接触测量的光学传感器是（）A．电阻传感器Ｂ．电感传感器Ｃ．电容传感器Ｄ．色彩传感器3.光电传感器的工作原理是（）A．压电效应Ｂ．光电效应Ｃ．磁电效应Ｄ．热电效应4.光敏二极管和磁敏二极管不同，因为它属于（）A．力学传感器Ｂ．力敏传感器Ｃ．磁敏传感器Ｄ．光电传感器5.制成光电管和光电倍增管的依据是（）A．内光电效应Ｂ．外光电效应Ｃ．光生伏打效应Ｄ．压电效应6.条形码扫描笔中采用的光敏元件是（）A．光敏电阻Ｂ．光敏二极管Ｃ．光敏三极管Ｄ．光电池7.光敏电阻的工作原理是基于（）A．磁电效应Ｂ．光生伏打效应Ｃ．外光电效应Ｄ．内光电效应8.光敏二极管在光照射时产生的电流称为（）A．暗电流Ｂ．截止电流Ｃ．光电流Ｄ．放大电流9.物体的颜色主要取决于照射物体的光源和物体本身的（）A．成分Ｂ．光谱的宽度Ｃ．光谱折射率Ｄ．光谱反射率10.光纤按折射率变化可分为阶跃型光纤和（）A．单模光纤Ｂ．渐变型光纤Ｃ．多模光纤Ｄ．普通光纤11.在光线作用下物体产生一定方向的电动势的现象称为（）A．内光电效应Ｂ．外光电效应Ｃ．光生伏打效应Ｄ．压阻效应12.在图象传感器的应用中，目前未采用CCD图象传感器的是（）A．彩信手机Ｂ．数码相机Ｃ．数字摄像机Ｄ．自动售月票机13.只能实现接触测量的是（）A．电感传感器Ｂ．色彩传感器Ｃ．红外传感器Ｄ．电阻传感器14.红外传感器中采用的敏感元件一般具有（）A．磁电效应Ｂ．压阻效应Ｃ．热释电效应Ｄ．压电效应15.据光生伏打效应制成的光电器件是（）A．光敏电阻Ｂ．光电池Ｃ．光敏二极管Ｄ．光敏晶闸管16.家用彩色电视机的色彩调整使用的传感器是（）A．光纤传感器Ｂ．红外传感器Ｃ．色彩传感器Ｄ．温度传感器17.按能量变换关系分类，光电池属于（）A．参量型Ｂ．有源型Ｃ．能量控制型Ｄ．无源型18.光照射于物体上，使电子从物体表面逸出的现象称为（）A．热电效应Ｂ．压电效应Ｃ．磁电效应Ｄ．外光电效应19.光电耦合器的脉冲上升时间和下降时间相比，前者（）A．长于后者Ｂ．短于后者Ｃ．等于后者Ｄ．随后者而变20.利用外光电效应原理制成的光电元件是（）A．光敏电阻Ｂ．光电管Ｃ．光电池Ｄ．光敏晶体管21.全封闭型光电耦合器在电路应用中的作用是（）A．放大Ｂ．升压Ｃ．隔离Ｄ．测量22.光纤传感器根据使用方式分为功能型和（）A．特种型Ｂ．普及型Ｃ．非功能型Ｄ．损耗型23.红外传感器按工作原理可分为

及热型两类。24.CMOS图形传感器的最大缺点就是会造成图象的

。25.在电磁波谱的可见光范围内，频率最高的光是（）A．红光Ｂ．黄光Ｃ．绿光Ｄ．紫光26.光敏二极管在没有光照时产生的电流称为（）A．暗电流Ｂ．亮电流Ｃ．光电流Ｄ．导通电流27.色彩传感器是由单晶硅和非单晶硅制成的（）A．金属器件Ｂ．半导体器件Ｃ．高分子器件Ｄ．陶瓷器件28.CMOS图象传感器与CCD图象传感器相比，前者的主要优势是（）A．集成制造Ｂ．灵敏度高Ｃ．节能Ｄ．不易损坏29.物体的颜色决定于照射物体的光源和物体本身的光谱（）A．反射率Ｂ．折射率Ｃ．投射率Ｄ．吸收率二、判断改错题30.光电传感器的基本原理是物质的（）A．压电效应Ｂ．光电效应Ｃ．磁电效应Ｄ．热电效应31.光电三极管不是根据光电效应原理制成的。（）32.光敏二极管是根据压电效应原理制成的。（）33.在电磁波谱的可见光范围内，紫光携带的能量最大。（） 34光电耦合器件仅是光敏元件的组合。（）35.CCD图象传感器和CMOS图象传感器无任何差别。（）36.光谱特性是光电元件的特性之一。（）三、填空题37.物质的光电效应通常分为外光电效应、

效应和光生伏打效应三类。38.常用的图象传感器一般为

图象传感器和CMOS图象传感器。39.红外测温仪是利用热辐射体在

波段的辐射通量来测量温度的。40.电磁波谱中紫光携带的能量比红光携带的能量要

。41.光电耦合器的输出端若不是达林顿管或晶闸管的话，其电流传输比总是

1。42.光纤按其传输模式多少分为单模光纤和

光纤。43.CMOS图象传感器相对于CCD图象传感器最主要的优势就是非常

。44.光纤模式指的是

沿光纤传播的途径和方式。45.光敏二极管是一种利用

单向导电性的结型光电器件。46.光电管是利用

效应制成的光电元件。47.光电效应通常分为外光电效应、

和光生伏打效应。48.常用的图象传感器主要包括

图象传感器和CMOS图象传感器。49.光电元件的基本特性包括光照特性、

、伏安特性、频率特性、温度特性和响应时间。50.若使某些强介电常数物质的表面温度发生变化，随着温度的上升或下降，在这些物质表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为

效应。51.光敏三极管接收不到光照时呈现

阻抗，处于截止状态。52.光纤传感器中光纤的主要参数有

、光纤模式和传播损耗。53.光电池是基于

效应。四、名词解释54.频率特性：在电压和幅值相同的光照下，光敏元件输出的光电流和灵敏度与入射光调制频率间的关系。55.光谱特性：入射光波长与光敏器件相对灵敏度或相对光电流间的关系。56.光电效应：用光照射某一物体，组成该物体的材料吸收光子能量而发生相应的电效应的物理现象。57.内光电效应：光照射于某一物体上，使其导电能力发生变化的现象。58.简述三类光电效应的含义。光电效应常分为三类：外光电效应、内光电效应和光生伏打效应。外光电效应是指光照射于某一物体上，使电子从这些物体表面溢出的现象；内光电效应是指光照射于某一物体，使其导电能力发生变化的现象；光生伏打效应是指在光线作用下物体产生一定方向的电动势的现象.

59.光纤的主要参数有哪些？光纤的主要参数有：(1)数值孔径它反映纤芯吸收光量的多少，是标志光纤接受性能的重要参数；（2）光纤模式就是光波沿光纤传播的途径和方式；（3）传播损耗是由光纤纤芯材料的吸收、散射以及光纤弯曲处的辐射损耗影响造成的。60.简述CCD图象传感器输出信号的特点。（1）与景象的实时位置相对应，即能输出景象时间系列信号，也就是“所见即所得”；（2）串行的各个脉冲可以表示不同信号，即能输出景象亮暗点阵分布模拟信号；（3）能够精确反映焦点面信息，即能输出焦点面景象精确信号。61.光纤的类型有哪些？光纤纤维按折射率变化可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。阶跃型光纤的纤芯与包层间的折射率是突变的；渐变型光纤在横截面中心处折射率最大，其值逐步由中心向外变小。光纤按其传输模式多少分为单模光纤与多模光纤。单模光纤通常是指阶跃光纤中纤芯尺寸很小，原则上只能传递一种模式的光纤；多模光纤通常指阶跃光纤中纤芯尺寸较大，因而常用于传输模式很多的光纤。62.简述光电传感器的特点。光电传感器是一种将被测量的变化转换成光学量的变化，再通过光电元件把光学量的变化转换成电信号的装置，其基本原理是物质的光电效应。光电传感器属于无损伤、非接触测量器件，具有体积小、重量轻、响应快、灵敏度高、功耗低、便于集成、可靠性高、适于批量生产等优点。63.光电耦合器件的性能参数有哪些？光电耦合器的主要性能参数包括：电流传输比；输入输出间的绝缘电阻；输入输出间的耐压；输入输出间的寄生电容；最高工作频率；脉冲上升时间和下降时间。64.简述条形码扫描笔中光敏三极管的工作状态。扫描笔的前方为光电读入头，它由一个发光二极管和一个光敏三极管组成。当扫描笔在条形码上移动时，若遇黑色收线条，发光二极管发出的光将被黑线吸收，光敏三极管接受不到反射光，呈现高阻抗，处于截止状态；当遇到白色间隔时，发光二极管所发出的光线，被反射到光敏三极管的基极，光敏三极管产生电流而导通。65.利用光电效应制成的光电元件有哪些？光电效应分为外光电效应、内光电效应和光生伏打效应三类。利用外光电效应制成的