8光电式传感器学生课件

2023/7/231第八章光电式传感器内容：光电器件、光敏电阻

CCD传感器光纤传感器

以光电器件作为转换元件的传感器优点：响应快、性能稳、非接触☆☆☆2023/7/232知识要点第八章光电式传感器光电效应与光电器件光电器件的基本特性光电式传感器的基本类型电荷耦合器件光纤传感器☆☆☆Photoelectrictype2023/7/233光电效应：光电子发射效应光电导效应光生伏特效应三种类型：发生在物体内部发生在物体表面半导体金属一、光电器件

物质受到光照会发生某些电学特性的变化，这一现象称为光电效应。photoelectriceffect2023/7/234

当物质受到光照射时，电子得到了足够的光能会从物质表面上发射出来的现象，称为光电子发射。常见的光电器件：光电管和光电倍增管光电子发射效应(外光电效应)

当物质受到光的照射时，载流子的浓度增加，导电率增大的现象，称为光电导效应。常见的光电器件：光敏电阻光电导效应(内光电效应)2023/7/235

当物质受到光的照射时，使物体上产生一定方向的电动势的现象，称为光生伏特效应。常见的光电器件：光电池光生伏特效应(内光电效应)1、光电发射型器件非电量转换光亮变化光子光电器件光电效应电流（电子）+device2023/7/236光电效应方程：光是一粒一粒运动着的粒子流，即光子每个光子的能量为hf光子打在光电材料上，光子与电子进行能量交换能量转换为：电子逸出功+初始动能h－普朗克常数 hf－光子的能量f－光的频率m－电子质量v

－电子初速度

A－电子逸出功爱因斯坦假说2023/7/237当入射光的频率f<f0时不能激发光电子。

外光电效应多发生于金属和金属氧化物表面，且是瞬时发生的，滞后时间不超过10-9s。光电器件：光电管光电倍增管透光的玻璃外壳，阳极A，阴极K涂有光电发射材料，抽真空或少量惰性气体。光电管ERLAKU入射光→负载RL的光电流红限频率:产生光电子发射的最低频率+2023/7/238倍增极+能发射更多电子的材料I=I0(cδ)n光电式传感器—光电倍增管阴极K第一倍增极第四倍增极第三倍增极第二倍增极阳极A入射光RLU0D1D4D3D2IAKAR4R3R2R1R5特点灵敏度高适合弱光强光易损坏

光电流与入射光强不成比例；受温度影响大，灵敏度低；容易衰老。+2023/7/239随着半导体器件的发展，出现了大量的以半导体为材料的基于内光电效应器件：光电阻光敏管光电池2、光导型光电器件

光照在半导体材料上，电子从价带→禁带→导带，形成自由电子，使导电性增强。导带Eg禁带价带E红限频率：ΔEg—光电材料禁带宽度能量2023/7/2310光敏电阻RGRL光敏电阻光敏电阻是一种电阻器件，可以在交流或直流电压下工作。无光照射时：呈现高阻状态，称暗阻，一般在兆欧级。此时流过的电流称为暗电流。有光照射时：呈现低阻状态，称亮阻，一般在几千欧以下。此时流过的电流称为亮电流。灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜在检测与自动化技术中广泛应用光电流=

亮电流－暗电流photoresistance2023/7/2311光敏二极管RL光敏二极管

器件结构与二极管相似，一般处于反向工作区，只能在直流电压下工作。

光照射的反向电流基本上与光强成正比，适合于开关状态的转换。光敏三极管光敏三极管(NPN)RL

光敏三极管比光敏二极管的灵敏度更高，放大作用强。photodiodephototriode2023/7/2312gnd1gnd2vcc1vcc2达林顿光敏管等效电路光电式传感器2023/7/23133、光伏型光电器件——光电池

光照在半导体材料上，若E>Eg(禁带宽度)，PN结内产生电子-空穴对，PN结两端产生电动势，直接将光能转变成电能。光生电子-空穴对+PN-光电器件：光电池结电场光生电子-空穴对+-2023/7/2314二、光电器件的基本特性φ

－光通量(lumen)1、光电特性当光电器件电极上的电压一定时,光电流I与光通量关系。I＝F(φ)2、光照特性

当光电器件电极上的电压一定时，光电流I与光照强度关系。I＝F(E)真空光电管光照特性光电特性呈现线性关系E－照度照度(illuminance)

是光源照射在被照物体单位面积上的光通量。计算公式:照度=光通量/单位面积

E=dФ/dA,

1lx=1lm/m2单位：勒克斯（lx）

照在1平方米物体被照亮的程度指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。Characteristics2023/7/2315

光电倍增管光照特性灵敏度高，线性范围大光敏电阻光照特性非线性,作为开关元件光电式传感器2023/7/2316硅光电池光照特性开路电压呈非线性短路电流呈线性光敏二极管光照特性线性特性好，用于检测光电式传感器开路电压短路电流光生电流光生电压2023/7/2317光敏三极管光照特性线性特性好用于弱光检测3、光谱特性I=F(λ)λ－入射光波长光电式传感器

当光电器件在一定照度时，输出的光电流I与入射光波长关系。2023/7/2318真空管光电倍增管光敏电阻硫化镉硫化铊硫化铅锑—钾—铯光电式传感器灵敏度2023/7/2319硅光电池光敏晶体管硒硅硅锗光谱特性与制造器件的材料、制造工艺有关不同材料对应不同的红线频率各种敏感材料对不同的波长灵敏度不一样每一种材料只对某一种波长的灵敏度最高2023/7/23204、伏安特性当光通量或照度一定，I=F（U）用于选择光电元件的负载电阻，进行电路设计。光敏电阻真空管光电倍增管2023/7/2321光电池光敏晶体管光电式传感器2023/7/2322I=F1（f）或S＝F2（f）电压、光强幅值相同，入射光以不同正弦交变频率调制时5、频率特性S－灵敏度f

－光调制频率真空管硫化铅硫化铊光敏电阻2023/7/2323硅光电池硒光电池光电池1kΩ光敏三极管光电式传感器RL

外光电元件无惯性，响应快；光生伏特元件响应较慢，内光电效应元件响应最慢。2023/7/2324开路电压短路电流硅光电池光敏三极管暗电流光电流光敏电阻6、温度特性温度变化对元件特性的影响2023/7/2325三、光电式传感器的基本组成和类型光源光学通路光电器件测量电路φ1φ2IX1被测量X2被测量把光电器件输出电信号转换成电路的可用信号1、基本组成2023/7/23262、基本类型（1）透射式φp＝φ0－φA

φA－被测对象A所吸收的光通量

φP－光敏元件所接收的光通量

φ0－光源发出一定的光通量I＝f(φP)＝f’(φA)测量液体、气体和固体的透明度和混浊度AφA光敏元件φpI被测对象φ0光电式传感器transmissiontype2023/7/2327(2)反射式测量表面粗糙度φp＝φ0－φAφA－被测对象损失光通量(3)幅射式I＝f(φP)＝f(φ0)＝f’(T)如光电高温计和炉子燃烧监视装置φp＝φ0光电式传感器reflectiontyperadiationtype2023/7/2328(4)遮挡式I＝f（φP）＝

f’（φA）光敏元件(5)开关式光路“通”与“不通”用于开关，计数，编码等。光电式传感器shieldingtypeswitchingtype2023/7/2329四、电荷耦合器件优点：寿命长：CCD摄像管的寿命约20一30年。成本低：用CCD摄像管构成的摄像机没有电子枪

及其附属设备，体积小，成本低。机械性能好：耐震、耐撞，不怕强光照射。重合精度高：摄像管与镜头固定牢固，匹配精暂留特性好：适于拍摄运动图像。大规模金属氧化物半导体集成电路光电器件，有光电转换、存储、移位并读出信号电荷的功能。ChargeCoupleDevice2023/7/2330CCD的基本工作原理①CCD电荷存储

构成CCD的基本单元是MOS电容器,由金属、氧化物、半导体材料构成。这个单元也叫做像素。MetalOxidSemiconductor2023/7/2331工作原理

MOS电容与其电子势阱具有存储电荷的作用。改变栅压高低，可以使势阱内电荷包逐个向势阱转移。2023/7/2332当MOS电容栅压增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储，象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。电子势阱可以用来存放电子特点：当栅压增加，势阱变深

当栅压减小，势阱变浅

电子向势阱深处移动2023/7/2333线型CCD的主要用途组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。用作光学信息处理装置的输入环节，例如传真技术。光学文字识别技术(OCR)与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等。作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车及自动监视装置等。2023/7/2334文字图像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。邮政编码识别系统

2023/7/2335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2023/7/2336光导纤维的结构和传光原理纤芯：光的传输通道，直径5μm-75μm包层：直径100μm-200μm外套：增强机械强度，直径1mm结构：五、光纤传感器opticalfibersensor3.传光原理①入射角θ1

光密介质n1→光疏介质n2，n1>n2以θ2折射到介质2→a”以θ1反射回介质1→a’

n1sinθ1＝n2sinθ2∵n1>n2，∴θ1<θ2θ21θa”a’a介质2（n2）介质1（n1）θ1θ密疏②当θ1＝θc时，θ2＝90°，此时，

n1sinθ1＝n2×sin90°＝n2有：θ2＝90°θCθ