第8章23光敏传感器100601

传感器原理及应用

第8章固体传感器传感器原理及应用第8章固体传感器主要内容：

8.2.1光电效应

8.2.2光电器件

光电管、光电倍增管、光敏电阻、

光电晶体管、光电池、其他光电器件、

电荷耦合器件

光电式传感器通常能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号。喜马拉雅山东侧印度恒河墨西哥的活火山美宇航局给这组照片起了一个令人无限遐想的名字“地球艺术”(EarthArt)，将利用其来研究地球不断变化的地形及从上升的海平面到采伐森林等环境变化。1999年，美宇航局地球资源卫星携带的先进仪器增强型专题制图仪(ETM+)捕捉到落基山部分上石炭地形一张“伪彩色”(false-colour)照片。之所以称为“伪彩色”，是因为摄像机使用的过滤器主要用于捕捉环境现象，以利于研究人员深入研究。一、应用领域：工业、农业、航天、军事等(1)零件的识别与定位1、工业检测例：双目立体视觉检测系统

——简单视觉的机器人系统■自动连接引线、对准芯片和封装；■自动安装部件，自动焊接或自动切割加工、自动浇注系统等。(2)零件尺寸的在线测量(3)零件外观及内部缺陷检测芯片定位芯片管脚检测钢板厚度的在线测量

木料检测原理例：木料检测：缺陷、体积

(3)产品分类、分组(5)产品标识、编码识别苹果分级、分色、配色商品条码、印鉴、标签“手-眼”定位：两个摄像机---两幅平面图像---三维场景信息用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人实例：美国Sojourner系列和Rocky系列火星探测移动机器人2、机器人导航“机遇”号火星车拍摄火星土壤的显微照片

“勇气”号火星车发回的彩色照片美国勇气号和机遇号火星探测移动机器人3、生物医学图像分析（1）医学临床诊断：X射线、B超、CT、核磁共振（MRI）医学影像融合分析细胞个数统计

CT图像自动检测：染色体切片、癌细胞切片、超声波图象三维人体扫描（2）生物图像分析：形状、组织切片、染色体配对、细菌、病毒、病原体外形尺寸检测、颜色识别、表面损伤检测以及组织分析叶片细胞显微放大图片

转基因大豆孢子例：水果分类；发芽土豆；杂草识别4、遥感图像分析：卫星遥感图像---气象卫星（红外成象---云图---气象状况）资源卫星（多光谱成象----地质、矿藏、森林、灾害）海洋卫星（合成孔径雷达成象---海洋、海浪、海滩）航空摄影图像---（多目成象---大地测量、测绘）交通---车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测安全---指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关）监视---超市、商店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视6、军事与国防：5、监控、安防、交通管理：超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象7、办公与家电：办公设备---数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪家用电器---数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃二、视觉系统的一般构成光源图像卡场景摄像机计算机典型视觉系统工作原理：光→敏感元件→电（光电元件）光源光通路光电元件测量电路光光电电yx1x2传感器：单目视觉：一个摄像组件（镜头+摄像机）多目视觉：多个摄像组件（镜头+摄像机）图像采集部分、图像处理部分、通信和I/O部分以及输出和执行机构图像采集系统：可视化图像或特征数据场景镜头光源摄像机图像存储体计算机输出镜头摄像机镜头摄像机控制电缆视觉系统流程图图像质量好图像处理简单、结果理想图像质量差图象处理麻烦、结果不理想由光源、镜头、摄像机、图像采集卡等构成1、眼睛的结构及成像人类视觉—眼睛计算机视觉

—图像输入系统晶状体—镜头；视网膜—像敏面；远物体—晶状体扁平—屈光能力小—距离大（最大17mm)近物体

—晶状体厚—屈光能力大—距离小（最小14mm)物体光谱

---紫外→可见光→红外2、电磁波谱可见光谱

传感器原理及应用第8章固体传感器概述

光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。

光敏器件种类很多，如：光电管、光敏二极管、光电倍增管、光敏三极管、光敏电阻、光电池、光电耦合器、光纤等等。光信号光电传感器电信号传感器原理及应用第8章固体传感器概述

指纹锁指纹门禁光电鼠标第8章固体传感器概述

传感器原理及应用料位自动控制电动扶梯自动启停光电开关传感器原理及应用第8章固体传感器概述

光栅光纤光电管光敏电阻一、光敏式传感器将光量转换为电量的传感器光电器件的物理基础是光电效应

光电式传感器基本原理1.光电效应及光电器件(1)外光电效应光线作用下，物质内的电子逸出物体表面而向外发射的现象

——外光电效应根据爱因斯坦假设，一个光子的能量只能给一个电子电子从物质表面逸出，光子能量必须大于物质表面的逸出功

A0逸出表面的电子具有动能

Ek：(3-42)式中：m——电子质量；

v0——电子逸出时的初速度；

h——普朗克常数，h=6.26×10-34j·s；

v——光的频率。光电子逸出时的初始动能Ek与光的频率有关

频率高，则动能大逸出功因材料不同而异材料都有一个频率限

入射光的频率低于频率限，不论光强多大，也不能激发出电子入射光的频率高于频率限，光线微弱也会有光电子发射

——该频率限称为“红限频率”(3-42)

基于外光电效应的光电发射型器件有：

光电管

光电倍增管光电管有：真空光电管

充气光电管在一个真空的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极

光电阳极光电阴极通常采用逸出功小的光敏材料如：铯（Cs）光线照射到光敏材料上便有电子逸出逸出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中产生电流

若外电路串入电阻电阻上的电压降或电路中的电流大小与光强成函数关系

——从而实现光电转换

(2)内光电效应受光照的物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应——称为内光电效应内光电效应按工作原理分为两种：

光电导效应光生伏特效应

基本原理(2)内光电效应半导体材料受到光照会产生电子-空穴对，其导电性能增强光线愈强，阻值愈低光照后电阻率发生变化的现象——称为光电导效应光电导效应的光电器件有：

光敏电阻(光电导型)

反向工作的光敏二极管光敏三极管(光电导结型)

①光电导效应光敏电阻是一种电阻元件优点：

灵敏度高体积小重量轻光谱响应范围宽机械强度高耐冲击和振动寿命长

在黑暗的环境下，阻值很高受到光照并且光辐射能量足够大时，光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度VEg的光子激发由价带越过禁带而跃迁到导带，使其导带的电子和价带的空穴增加

电阻率变小光敏电阻常用的半导体材料有：

硫化镉(CdS，VEg＝2.4eV)

硒化镉(CdSe，VEg＝1.8eV)

光敏电阻的工作原理图(2)内光电效应光敏管工作原理光敏管工作原理与光敏电阻相似差别在于光照在半导体结上光敏二极管的P-N结装在管的顶部

上面有一个透镜制成的窗口以便入射光集中在P-N结上

光敏管及其符号

光敏二极管在电路中反向偏置无光照时，流过的反向电流很小

因为P型材料中的电子和N型材料中的空穴很少光照射在P-N结上时

耗尽区内吸收光子而激发的电子-空穴对越过结区，使少数载流子浓度大增，通过P-N结产生稳态光电流漂过光敏二极管结区的电子-空穴对立刻被重新俘获，故增益系数为1特点：体积小，频率特性好，弱光下灵敏度低光敏三极管

结构与光敏二极管相似有两个P-N结基极大多无引出线仅有集电极和发射极两端引线

当集电极上相对于发射极为正的电压而不接基极时，基极-集电极的结反向偏置当光照射在基极-集电极结上时，就会在结附近产生电子-空穴对，从而形成光电流(约几μA)，输出到三极管的基极集电极电流是光生电流的β倍(β是三极管的电流放大倍数)光敏三极管具有放大作用优点：电流灵敏度高NPN型光敏三极管的结构及图示符号光敏三极管工作机理(2)内光电效应②光生伏特效应

半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应光生伏特型光电器件是自发电式的有源器件常用的光生伏特型器件：以可见光做光源的光电池常用的光电池材料：

硒、硅、锗

光生伏特效应

硅光电池也称硅太阳能电池用单晶硅制成在N型硅片上用扩散法掺入P型杂质形成一个大面积的P-N结

P层做得很薄——使光线能穿透到P-N结上

硅太阳能电池特点：

轻便简单不会产生气体或热污染易于适应环境凡是不能铺设电缆的地方都可采用太阳能电池尤其适用于为宇宙飞行器的各种仪表提供电源光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器工作原理：

首先将被测量的变化转换成光信号变化然后通过光电转换元件变换成电信号可用于检测直接引起光量变化的非电量，如：

光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等也可用于检验能转换成光量变化的其他非电量，如：

零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度、物体形状、工作状态识别等

2.光电式传感器的形式光电测量方法灵活多样，可测参数众多优点：

非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快种类：

激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维光电传感器在检测和控制领域应用广泛光电传感器按接收状态可分为：

模拟式光电传感器脉冲式光电传感器

工作原理是基于光电元件的光电特性光通量随被测量而变，光电流就成为被测量的函数

——故又称为函数运用状态型光电传感器(1)模拟式光电传感器被测物体位于恒定光源与光电元件之间根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数，如：

测量液体、气体的透明度、混浊度对气体进行成分分析测定液体中某种物质的含量(1)模拟式光电传感器

①吸收式恒定光源发出的光投射到被测物体上被测物体把部分光通量反射到光电元件上根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质，如：

测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等(1)模拟式光电传感器

②反射式被测物体位于恒定光源与光电元件之间光源发出的光通量经被测物遮去其一部分

使作用在光电元件上的光通量减弱减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关利用原理可以测量：长度、厚度、线位移、角位移、振动等(1)模拟式光电传感器③遮光式被测物体本身就是辐射源直接照射在光电元件上或经过一定的光路后作用在光电元件上，如：

光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等可以用于防火报警和制成光照度计等(1)模拟式光电传感器④辐射式脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态

“通”的开-关状态

——光电元件的开关运用状态这类传感器要求光电元件灵敏度高，光电特性的线性要求不高主要用在零件或产品的自动计数、光控开关、计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等(2)脉冲式光电传感器光生伏特效应在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。光电池外形光敏面能提供较大电流的大面积光电池外形光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板光电池的光电特性

一个典型的硅光电池的光电特性

1—开路电压曲线2—短路电流曲线

开路电压为对数特性短路电流为线性特性传感器原理及应用第8章固体传感器

8.2.2光电器件

（2）光敏电阻

光敏电阻的工作原理是基于光电导效应

结构：在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。

光敏电阻结构及符号

光敏电阻演示

当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）传感器原理及应用第8章固体传感器8.2.2光电器件

（2）光敏电阻（2）光敏电阻原理：电阻器件，加直流偏压，无极性无光照---电子-空穴对很少---电阻大(暗电阻)

有光照---电子-空穴对增多---导电性增强特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定批量生产，价格便宜应用：工业自动化---开关元件，快速响应家电---(感应式节能灯：判断照度)特性：光照特性为非线性，光谱特性存在单峰，动态特性好光照特性结构：金属封装---防潮光谱特性动态特性传感器原理及应用第8章固体传感器

光敏电阻光照特性无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；有光照时，电阻值随光强增加而降低；光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。

8.2.2光电器件

（3）光敏电阻光敏电阻主要参数

暗电阻——无光照时的电阻；暗电流——无光照时的电流；亮电阻、亮电流——受光照时的阻值、电流；光电流——亮电流与暗电流之差称亮电流。传感器原理及应用第8章固体传感器

伏安特性给定偏压光照越大光电流越大；给定光照度电压越大光电流越大；光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、无饱和，但受最大功耗限制。光照度

Lx=lm（流明）/s

单位面积的光通量8.2.2光电器件

（2）光敏电阻基本特性光敏电阻伏安特性传感器原理及应用第8章固体传感器

光谱特性光敏电阻灵敏度与入射波长有关;

光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，材料与相对灵敏度峰位波长例图：硫化镉（CdS）0.3～0.8(μm)硫化铅（PbS）1.0～3.5(μm)硫化铊（TlS）1.0～7.3(μm)8.2.2光电器件

（2）光敏电阻基本特性光敏电阻的光谱特性传感器原理及应用第8章固体传感器

温度特性温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电电流和光谱响应。温度T

，波长λ变短。光敏电阻温度特性8.2.2光器件

（2）光敏电阻基本特性传感器原理及应用第8章固体传感器

光敏电阻开关电路,有光照时，光敏电阻Rg下降8.2.2光电器件

（2）光敏电阻应用Rg传感器原理及应用第8章固体传感器

光敏电阻在声、光控开关中的应用应用8.2.2光电器件

（2）光敏电阻白天，Rg小VT2导通VT3截止，VT4导通，晶闸管VS截止，H灭；晚上，Rg大，VT2截止，VT3由VT1控制，待机，VT2失去对VT3控制压电陶瓷片B接收声音触发信号，VT3导通，VT4截止，晶闸管VS导通，H点亮；同时D整流压降突然下降VT3保持低电压，保持VS通，H亮后，C3经电阻缓慢放电，直到不再维持VT4截止。HB传感器原理及应用第8章固体传感器

8.2.2光电器件

(3)光敏二极管和光敏三极管

光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高;广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。电梯平层用光电开关光电开关器件光敏二极管

将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。

光敏二极管外形

光敏二极管阵列

包含1024个元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。红外发射、接收对管外形

红外发射管红外接收管③光敏二极管（光电二极管,PD:Photo-Diode）

原理：半导体PN结-

无光时---高阻特性，微弱电流—暗电流，μA；

光照时---电子→N,空穴→P→光电流光照愈强---光电流愈大PN光照特性④光敏三极管（光电三极管,PT:Photo-Triode）原理：光敏二极管（bc结）+三极管应用：线性转换元件，开关元件，特点：灵敏度高于光敏二极管，特性：光照特性-灵敏度和线性好，光谱特性-单峰性光谱特性传感器原理及应用第8章固体传感器

光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个P—N结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大。硅光敏二极管结构

注：发光二极管与光敏二极管不同，发光二极管利用固体材料发光（电致发光），材料不同发光颜色不同，是一种将电能光能的器件，加正向电压时，在N-P的电子、空穴结合过程中发射一定频率的光信号。工作时加正向电压。①光敏二极管8.2.2光电器件

(3)光敏二极管和光敏三极管+--++-传感器原理及应用第8章固体传感器

工作原理：光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，PN结处产生光生电子空穴对；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；光电流方向与反向电流一致。

光敏二极管基本电路

①光敏二极管8.2.2光电器件

(3)光敏二极管和光敏三极管REDgI传感器原理及应用第8章固体传感器

基本特性：

光照特性图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。光电流与照度成线性关系。

光谱特性，当入射波长＞0.9μm时响应下降，因波长长光子能量小于禁带宽度，不产生电子、空穴对；当入射波长＜0.9μm时，响应也逐渐下降，波长短的光穿透深度小，使光电流减小。8.2.2光电器件

(3)光敏二极管和光敏三极管①光敏二极管传感器原理及应用第8章固体传感器

伏安特性当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。

温度特性，由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。①光敏二极管8.2.2光电器件

(3)光敏二极管和光敏三极管传感器原理及应用第8章固体传感器

频率响应:

光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。图中光敏二极管频率响应曲线说明，调制频率高于1000Hz时，硅光敏晶体管灵敏度急剧下降。光敏二极管频率响应曲线

①光敏二极管8.2.2光电器件

(3)光敏二极管和光敏三极管传感器原理及应用第8章固体传感器

与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极—集电极结作为光敏二极管，集电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。大多数光敏晶体管的基极无引线，无论NPN、PNP一般集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。

8.2.2光电器件

(3)光敏二极管和光敏三极管

②光敏三极管光敏晶极管结构

NNPcbe传感器原理及应用第8章固体传感器

硅（Si）光敏晶体极管一般都是NPN结构，光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。

—晶体管电流放大系数

②光敏三极管8.2.2光电器件

(3)光敏二极管和光敏三极管在负载电阻RL上的输出电压为：

NNPcbe+-传感器原理及应用第8章固体传感器

所以光敏晶体管对光信号具有放大作用②光敏三极管8.2.2光电器件

(3)光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管伏安特性曲线光敏晶体管等效电路

传感器原理及应用第8章固体传感器

光敏晶体管的光谱特性硅材料的光敏管峰值波长在0.9μm附近（可见光）灵敏度最大；探测可见光或赤热状物体时波长短0.9μm一般都用硅管；锗管的峰值波长约为1.5μm（红外光）对红外进行探测时用锗管较适宜。P134基本参数

光敏晶体管光谱特性

②光敏三极管8.2.2光电器件

(3)光敏二极管和光敏三极管传感器原理及应用第8章固体传感器

光敏晶体管的光谱特性硅材料的光敏管峰值波长在0.9μm附近（可见光）灵敏度最大；探测可见光或赤热状物体时波长短0.9μm一般都用硅管；锗管的峰值波长约为1.5μm（红外光）对红外进行探测时用锗管较适宜。P134基本参数

光敏晶体管光谱特性

②光敏三极管8.2.2光电器件

(3)光敏二极管和光敏三极管③光敏二极管（光电二极管,PD:Photo-Diode）

原理：半导体PN结-

无光时---高阻特性，微弱电流—暗电流，μA；

光照时---电子→N,空穴→P→光电流光照愈强---光电流愈大PN光照特性④光敏三极管（光电三极管,PT:Photo-Triode）原理：光敏二极管（bc结）+三极管应用：线性转换元件，开关元件，特点：灵敏度高于光敏二极管，特性：光照特性-灵敏度和线性好，光谱特性-单峰性光谱特性传感器原理及应用第8章固体传感器

光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，太阳能电池，所以广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。硒、硅光电池转换效率高、价廉；砷化镓材料的光谱响应与太阳光谱吻合、耐高温和宇宙射线。

8.2.2光电器件

(5)光电池（有源器件）

光电池符号第8章固体传感器太阳能手机充电器太阳能供LED电警示太阳能电池8.2.2光电器件

(5)光电池传感器原理及应用第8章固体传感器

结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下面有一抗反射膜，下电极是一层衬底铝，。原理：当光照射PN结的一个面时，电子——空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V～0.6V电压50mA电流。光电池结构

光电池工作原理图

8.2.2光电器件

(5)光电池光电池符号传感器原理及应用第8章固体传感器

①光照特性开路电压—光生电动势与照度之间关系；开路电压与光照度关系是非线性关系，开路电压在照度2000lx趋于饱和，非线性。短路电流—光电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是指外接负载相对内阻很小时的光电流。实验证明，RL小线性范围好，具体根据光照大小而定，通常RL≈100Ω作控制元件时当电流源使用。光电池光照与负载的关系

光电池光照特性

8.2.2光电器件

(5)光电池RL传感器原理及应用第8章固体传感器

②光谱特性

光电池对不同波长的光灵敏度不同，硅光电池的光谱响应峰值在0.8μm附近，波长范围0.4～1.2μm。硅光电池可在很宽的波长范围应用。硒光电池光谱响应峰值在0.5μm附近,波长范围0.38～0.75μm。8.2.2光电器件

(5)光电池传感器原理及应用第8章固体传感器

③频率特性

频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。硅、硒光电池的频率特性不同，硅光电池频率响应较好硒光电池较差。所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件。硅、硒光电池的频率特性

④温度特性⑤特性参数

P1378.2.2光电器件

(5)光电池传感器原理及应用第8章固体传感器

硅管的发射结导通电压为0.6V～0.7V，光电池的0.5V电压起不到控制作用，可将两个光电池串联后接入基极，或用偏压电阻、二极管产生附加电压。有光照度变化时，引起基极电流Ib变化，集电极电流发生β倍的变化。电流Ic与光照近似线性关系。（应用P145）光电池电路连接

光电池作为电源使用时的不同连接。需要高电压时应将光电池串联使用；需要大电流时应将光电池并联使用。光电池电路连接

8.2.2光电器件

(5)光电池

光电池作为控制元件时作为电流源的形式应用，通常接非线性负载，如接在基极控制晶体管工作。传感器原理及应用第8章固体传感器

①PIN型硅光电二极管，高速光电二极管，响应时间达1nS，适用于遥控装置。②雪崩式光电二极管，具有高速响应和放大功能，高电流增益，可有效读取微弱光线，用于0.8μm范围的光纤通信、光磁盘受光元件装置。③光电闸流晶体管（光激可控硅），由入射光线触发导通的可控硅元件。

8.2.2光电器件

(6)其他光电管

传感器原理及应用第8章固体传感器

④达林顿光电三极管（光电复合晶体管），输入是光电三极管，输出是普通晶体管，增益大，I=Ig×I1I2

作驱动。⑤光敏场效应晶体管，具有灵敏度高、线性动态范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗低、体积小等优点。广泛用于对微弱信号和紫外光的检测。⑥半导体色敏传感器，可直接测量从可见光到红外波段的单色辐射波长。

复合管I1I2I+8.2.2光电器件

(6)其他光电管传感器原理及应用第8章固体传感器

⑦光电耦合器件

又称光电隔离器（器件的光信号封闭）“光耦”器件由发光元件和接收光敏元件（光敏电阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小。通过电——光、光——电，两次转换进行输入输出耦合。

8.2.2光电器件

(6)其他光电管传感器原理及应用第8章固体传感器

⑦光电耦合器件

“光耦”集成器件的特点：输入输出完全隔离，有独立的输入输出抗，绝缘电阻在1万兆以上。器件有很强的抗干扰能力和隔离性能，可避免振动、噪声干扰。特别适宜工业现场做数字电路开关信号传输、逻辑电路隔离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。8.2.2光电器件

(6)其他光电管传感器原理及应用第8章固体传感器

光电耦合器用于天然气高压点火器确认电路P1458.2.2光电器件

(6)其他光电管传感器原理及应用第8章固体传感器

透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受器产生相应的电信号。反射式，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面上，以某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经过待测点时，接受元件接收到物体表面反射的光线。光电开关结构与外形P139⑧光电开关

（由外部光信号控制）

8.2.2光电器件

(6)其他光电管器件由发光元件和接收光敏元件组成传感器原理及应用第8章固体传感器

光电开关结构与外形P139⑧光电开关

8.2.2光电器件

(6)其他光电管光电开关基本电路RR+VCC传感器原理及应用第8章固体传感器

8.2.2光电器件

(7)光电器件的测量方法

传感器原理及应用第8章固体传感器

透射式反射式8.2.2光电器件

(7)光电器件的测量方法8.2.3

光电传感器的应用

—、光源本身是被测物的应用实例

光的照度E的单位是lx（勒克斯），它是常用的光度学单位之一，它表示受照物体被照亮程度的物理量，可以用照度计来测量。

光电池（外加柔光罩）1.红外线辐射温度计：红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-30℃~3000℃，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。红外线辐射温度计外形激光仅用于瞄准红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计用于食品温度测量红外线辐射温度计

在非接触体温测量中的应用耳温仪红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用集成IC温度测量红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）温度采集系统比色式温度传感器温度非接触测量中的应用

比色式温度传感器采用比色式（双波段）测温原理实现对被测目标的非接触测温，用户不需知道物质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄准,测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可准确测量。比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如:烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用

热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。

热释电元件外形热释电传感器简介

热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等……

您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优秀的新产品。或自动化控制装置。热释电传感器的内部电路两块反向串联的热释电晶片场效应管热释电传感器工作原理

热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。

菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片菲涅尔透镜外形

传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，其检测距离可增加3倍以上。热释电套件热释电报警器菲涅尔透镜设定按钮高分贝喇叭热释电报警器（续）菲涅尔透镜Φ5mm接插件热释电报警器（续）吸顶式热释电报警器热释电传感器应用热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗热释电传感器的感应范围热释电感应灯热释电传感器自动感应灯

（参考施特朗公司资料）热释电传感器在智能空调中的应用智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。

空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。上下范围左右范围二、被测物吸收光通量的应用实例光电式浊度计和含沙量测量将装有浊水的试管插入仪器中光电式浊度计工作原理

1—恒流源2—半导体激光器3—半反半透镜4—反射镜5—被测水样6、9—光电池

7、10—电流/电压转换器8—标准水样

参比通道

2.烟雾报警器外形

（参考南京千里通公司无线烟雾报警器资料）

无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。

烟雾报警无线烟雾报警器内部结构

可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器无线火灾烟雾传感器无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在警戒状态时，工作电流仅为15微安，报警发射时工作电流为20毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出90分贝的连续报警，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。无线发射器的报警距离在空旷地可以达到200米，在有阻挡的普通家庭环境中可以达到20米。三、被测物体反射光通量的应用实例

1.反射式烟雾报警器

在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。

2.光电式转速表

光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。

n=60(f/z)

水泵转速测量光电式转速表外形

3.色标传感器

色饱和图色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。人眼对各色光的敏感程度色标传感器的用途

现代化工业生产中，颜色检测和颜色识别等的应用越来越多。例如，在包装生产中机器要确定哪种产品放在什么颜色的包装中、如何保证产品的正面朝向包装盒的玻璃纸窗口等等。色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。各种色标传感器外形色标传感器能识别红、绿、蓝等颜色色标传感器外形（续）色标传感器在流水线上检测产品的颜色

用多个色标传感器测量薄板的颜色产品包装色彩检测、分选4.光电自动门自动门光电传感器放大图有效检测区域四、被测物遮挡光通量的应用实例

1.光电式带材跑偏检测器

光电传感器带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品。

当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。

光电式带材跑偏检测控制器原理1—

被测带材2—卷取电机3—卷取辊4—液压缸5—活塞6—滑台7—光电检测装置

8—光源

9、10—透镜

11-光敏电阻R112—遮光罩

指针将偏向左边还是右边？带材纠偏系统传感器原理及应用第8章固体传感器

电荷耦合器件，又称CCD图象传感器，是一种大规模集成电路光电器件；电荷耦合器件具有光电转换，信息存储、转移传输、处理以及电子快门等功能。特点：

1.集成度高、尺寸小、电压低（DC7～12V）功耗小。

2.空间分辨率高，线阵分辨能力可达7μm，面阵分辨率在1000电视线以上；

3.光电灵敏度高，好的器件可达0.01lx；动态范围大，106：1；信噪比60-70dB；

4.可选模拟、数字不同输出形式，便于和计算机连机。

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件（CCD）

Charge—CoupledDevices

传感器原理及应用第8章固体传感器

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个领域。传感器原理及应用第8章固体传感器

基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件传感器原理及应用第8章固体传感器

图象传感器发展趋势

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件高性能小容量廉价高容量专用显示系统控制器在线动态分析医学低功耗空间设备汽车计算机显示生物科学光学显微镜可视电话玩具条形码识别传感器原理及应用第8章固体传感器

CCD基本结构分两部分：MOS光敏元阵列；

MOS（金属—氧化物—半导体）读出移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。CCD结构示意图

显微镜下的MOS元表面①CCD基本结构和工作原理

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件传感器原理及应用第8章固体传感器

一个MOS光敏元当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子—空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而光电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。一个MOS光敏元结构

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件

电荷存储原理：①CCD基本结构和工作原理传感器原理及应用第8章固体传感器

电荷存储原理：一个MOS光敏元结构

一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金属电极加电压就形成成百上千个势阱，产生成百上千的电荷包；如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件①CCD基本结构和工作原理传感器原理及应用第8章固体传感器

265×180133×9066×4533×22分辨率（像素）不同的图象比较

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件传感器原理及应用第8章固体传感器

光敏元上的电荷还需经输出电路输出，而CCD电荷耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流作信号输出的。读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、半导体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。读出移位寄存器结构

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；在三个电极上分别施加脉冲波Φ1Φ2Φ3，称三相时钟脉冲。

电荷转移原理（读出移位寄存器）①CCD基本结构和工作原理传感器原理及应用第8章固体传感器

t=t1时刻，Φ1电极下出现势阱存入光电荷t=t2时刻，两个势阱形成大势阱存入电荷t=t3时刻，Φ1中电荷全部转移至Φ2。t=t4时刻，Φ2中电荷向Φ3势阱转移。t=t5时刻，Φ3电荷向下一个Φ1势阱转移读出移位寄存器三相时钟脉冲

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件

电荷转移原理（读出移位寄存器）传感器原理及应用第8章固体传感器

不同时刻势阱深度变化，使电荷按设计好的方向，在时钟脉冲控制下从寄存器的一端转移到另一端。这样一个传输过程，实际上是一个电荷耦合过程，所以称电荷耦合器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器。

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件

电荷转移原理（读出移位寄存器）电荷信息转移原理传感器原理及应用第8章固体传感器

CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据；

外部参数描述的是与CCD应用有关的性能指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率。③CCD的特性参数

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件传感器原理及应用第8章固体传感器

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件

CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、行间转移结构CCD。④CCD器件

CCD器件传感器原理及应用第8章固体传感器

线阵CCD结构线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位寄存器组成。读出移位寄存器的输出端Ga将存储的电荷信息一位位输出。单沟道CCD结构④CCD器件

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件传感器原理及应用第8章固体传感器

电荷输出控制

光敏元曝光时——光积分，金属电极加正向脉冲电压φp，光敏元吸收光生电荷，积累很快结束；转移控制栅加转移脉冲φT

，转移控制栅打开，光敏元俘获的光生电荷经转移控制栅耦合到移位寄存器；这是一并行输出过程，转移栅关闭；接着三个时钟脉冲Φ1Φ2Φ3工作，读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出信息，这一过程是一串行输出过程。单沟道CCD结构电荷输出控制波形④CCD器件——线阵CCD结构

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件

传感器原理及应用第8章固体传感器64位线阵CCD结构

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件传感器原理及应用第8章固体传感器面阵电荷耦合器（二维）面型CCD是把光敏元件排列成二维矩阵形式，主要用于摄象机及测量技术传输读出结构有不同类型，基本构成有：线转移方式帧转送方式（FrameTransferCCD）行间转送方式（InterLineTransferCCD）

P143图8-28

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件传感器原理及应用第8章固体传感器对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同的。不同型号的CCD器件具有完全不同的外型结构和驱动时序，在实际使用时必须加以注意。我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索取相关资料，为CCD器件的应用提供技术支持。

⑤典型的CCD器件

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件传感器原理及应用第8章固体传感器

以TCD142D型CCD为例做简单介绍，其它型号的器件大同小异。TCD142D是一种具有2048位像元的两相线阵CCD器件，TCD142D有22个引脚，其中12个是空脚；Φ1A、Φ2A、Φ1B、Φ2B时钟端，ΦSH转移栅，ΦRS复位栅，SS地，NC空闲。OS为信号输出端，DOS为补偿输出端，

TCD142D引脚

TCD142D结构示意图

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件传感器原理及应用第8章固体传感器

TCD142D的驱动电路可分为两部分：一部分是脉冲产生电路；另一部分是驱动电路。脉冲电路产生ΦHS、Φ1、Φ2、ΦRS四路脉冲，由非门及晶体振荡器构成的晶体振荡电路输出频率为4MHz方波；

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件经JK触发器分频，得到频率为2MHz的方波，将4MHz与2MHz脉冲相与，形成ΦRS脉冲。传感器原理及应用第8章固体传感器TCD142D驱动电路

8.2.2光电器件

（8）电荷耦合器件将ΦRS经JK触发器分频，产生频率为1MHz的Φ1脉冲，Φ1脉冲送入分频器；经译码电路产生转移脉冲ΦSH并且使ΦSH周期TSH＞1061μs；

将ΦSH和Φ1相与产生Φ2,Φ1=Φ2，至此就产生了四路脉冲。将这四路脉冲经反相器反相，再经阻容加加速电路送至H0026驱动器，放大至一定量以后用以驱动TCD142D。传感器原理及应用第8章固体传感器CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。CC