传感器技术（第三版） 课件 高晓蓉 第8章 光电式传感器

1同学们好！x1光源光通路光电器件测量电路光量光量电量x2输出X1——被测量直接引起光源光量的变化X2——被测量在光传播过程中调制光量对光量的调制方法：第八章光电式传感器PhotoelectricTransducer3主要内容第一部分光源第二部分光电效应第三部分光电器件第四部分新型光电传感器第五部分光电传感器的应用传感器技术——第八章4一、光源常用光源发光器件物体辐射光白炽光源气体放电光源发光二极管激光器GaP、SiC可见光LEDGaAs红外LEDLightSource1、常用光源CommonlightSource传感器技术——第八章5（1）发光二极管LED:LightEmittingDiode特点：电致发光、体积小、功耗低、寿命长传感器技术——第八章6650nmLD（2）半导体激光二极管SemiconductorLaserDiode传感器技术——第八章7带尾纤大功率LD1.55LD模块808nm大功率LD传感器技术——第八章8主要内容第一部分光源第二部分光电效应第三部分光电器件第四部分新型光电传感器第五部分光电传感器的应用传感器技术——第八章9——不同频率或波长的光具有不同的能量二、光电效应波动性：干涉、衍射粒子性：具有一定能量的粒子光——以光速运动的粒子流波粒二象性PhotoelectricEffect传感器技术——第八章

E——光子的能量（J）

h——普朗克常数（6.62×10-34

J·s）

υ——光子频率（s-1）

c——光速（3×108

m/s）

λ——光子波长（m）E=hυ=hc/λ10

金属金属氧化物光照

电子逸出物体表面1、外光电效应电子吸收光子能量克服物质的束缚，电子逸出功转化为逸出电子的动能OuterPhotoelectricEffect传感器技术——第八章hυ=1/2mv2+A

m——电子的质量（9.1×10-31kg）

v——电子发射时的速度（m·s-1）

A——电子逸出功（J）111、对于一定的金属材料，任何频率的入射光都会产生外光电效应吗？2、入射光强越大，意味着什么现象越强？3、为什么基于外光电效应的光电器件都有一个负的截止电压？传感器技术——第八章hυ=1/2mv2+A

m——电子的质量（9.1×10-31kg）

v——电子发射时的速度（m·s-1）

A——电子逸出功（J）122、内光电效应光生电子-空穴对光电导效应光生伏特效应内光电效应光照

半导体

电子在物体内部运动InnerPhotoelectricEffect传感器技术——第八章载流子数目增多、电导率变大条件：入射光能量大于半导体材料的禁带宽度（1）光电导效应PhotoconductiveEffect在光照下，使半导体产生一定方向电动势的现象。（2）光生伏特效应PhotovoltaicEffect传感器技术——第八章14主要内容第一部分光源第二部分光电效应第三部分光电器件第四部分新型光电传感器第五部分光电传感器的应用传感器技术——第八章15三、光电器件PhotoelectricDevices1、光电管Phototube传感器技术——第八章162、光电倍增管光电倍增极：12-

14级Photomultiplier传感器技术——第八章173、光敏电阻Photo-resistor传感器技术——第八章184、光敏二极管提高光电转换能力：面积大、浅结的PN结管芯结构光敏二极管电路Photodiode传感器技术——第八章5、光敏三极管种类：NPN、PNP电极：通常2个，无基极结构：基区面积大发射区面积小放大：两个PN结光敏三极管的芯片结构光敏三极管的电路Phototransistor传感器技术——第八章206、光电池电压源：将光量转变为电动势硒光电池硅光电池（1）硒光电池（2）硅光电池Photocell传感器技术——第八章21主要内容第一部分光源第二部分光电效应第三部分光电器件第四部分新型光电传感器第五部分光电传感器的应用传感器技术——第八章22四、新型光电传感器线阵光位置传感器Newtypephotoelectrictransducer1、光位置传感器PhotopositioningsensorSPD:SiliconPhotoDiode传感器技术——第八章23测量距离：基于光学三角测量原理信号采集电路微处理器发射电路输出电路激光发射器透镜组E目标物体窗口范围距离上限距离下限发射电路传感器技术——第八章传感器技术——第八章激光三角测量原理无接触测量技术光源反射光光电检测器测距原理：距离→夹角→位置激光二极管漫反射被测物体光学系统反射镜PSD或CCD光电检测器位移Ld1d2激光传感器1D

激光传感器2传感器技术——第八章26传感器技术——第八章轮对内距检测27面阵光位置传感器二维面阵光位置传感器传感器技术——第八章282、高速光电二极管PIN-PD：光电转换效率高漂移时间小响应速度高Highspeedphotodiode传感器技术——第八章29APD雪崩式光电二极管高掺杂浓度的P+层响应时间极短碰撞电离二次电子发射雪崩倍增，灵敏度高Avalanchephotodiode传感器技术——第八章30传感器技术——第八章313、色敏光电传感器结构等效电路浅结：对紫外光有较高灵敏度深结：对红外光有较高灵敏度Colorphotoelectrictransducer传感器技术——第八章32短路电流比与入射光波长的关系双结二极管的光谱特性105210.50.20.10.050.020.010400

50060070080090010001100双结二极管的光谱特性10080

60

4020

0400

50060070080090010001100传感器技术——第八章33短路电流比检测电路传感器技术——第八章344、光电开关发射接收放大振荡同步积分显示电源延时驱动输出被检物Photoelectricswitch传感器技术——第八章35（1）对射式光电开关围墙监护警戒库房卫士安全警戒传感器技术——第八章36门窗防盗控制自动扶梯自动启停汽车喷涂控制烟雾报警传感器技术——第八章37鉴别不同高度物体高度判别缺件剔除料位控制传感器技术——第八章38高低电压隔离数据传输通道传感器技术——第八章39（2）扩散反射式光电开关裂缝检测行程控制传感器技术——第八章40产品计数液位检测检测有无盖料位控制传感器技术——第八章41料径控制带材对中控制缺料检测传感器技术——第八章42

电气化铁路拉出值检测转速监测超速或滞速判别传感器技术——第八章43（3）镜面反射式光电开关透明玻璃瓶检测长度控制传感器技术——第八章升、降弓时间检测（4）光幕传感器自动装配机的侵入检测机器人工作区安全检测车库门车辆通过检测上料机和卸料机的侵入检测传感器技术——第八章45传感器技术——第八章46主要内容第一部分光源第二部分光电效应第三部分光电器件第四部分新型光电传感器第五部分光电传感器的应用传感器技术——第八章例1：路灯自动控制器五、光电传感器的应用天黑：BG1导通，J动作，路灯亮；天亮：光电池电动势，BG1截止，J释放，路灯灭。例2：光电转距测量仪光栅盘：有机玻璃，数量相等的黑色条纹无转矩作用：光栅盘1透光部位对准光栅盘2的黑色部分，无信号有转距作用：扭转，光栅盘间有角度，透光窗口，与转矩成正比传感器技术——第八章49例3：太阳能电池电源系统调节控制器太阳电池方阵直流负载逆变器交流负载发电装置：单体太阳能电池——太阳电池组件——阵列调节控制器：充放电自动控制阻塞二极管：避免蓄电池对太阳电池放电传感器技术——第八章50例4：太阳能自动跟踪控制器接收装置结构B1、B3安装在控制电路外壳的同一侧B2、B4安装在控制电路外壳的另一侧传感器技术——第八章51B1、B3受光照：3电位增大，K1工作，3、1闭合

5电位减小，K2不工作，3、2闭合，M正转B2、B4受光照：M反转面向太阳：两侧光照相同，K1、K2同时工作，M停止52例5：条形码扫描笔传感器技术——第八章53条形码扫描笔——

产品传感器技术——第八章54例6：戒烟缸弹烟灰：显示“吸烟有害健康”传感器技术——第八章55例7：大米分选机大米及杂质在光照下，发出不同光信号传感器技术——第八章56运动方向例8：可逆计数器出入场人数统计例9：吸收式烟尘浊度检测仪白炽平行光源光检测放大显示报警器刻度校正传感器技术——第八章57例10：工件表面粗糙度及尺寸测量传感器技术——第八章例11：透射式光电传感器测狭缝例12：光电数字转速表传感器技术——第八章59传感器技术——第八章n——待测转数f——输出脉冲信号的频率N——调制盘的孔数或黑白条纹数60同学们好！CCD图像传感器CCD——固态图像传感器体积小、重量轻、析像度高、功耗低、低电压驱动

线型CCD图像传感器

面型CCD图像传感器光电器件光像信息电信号图像图像传感器？ImageSensor62数码相机摄像机

面型CCD图像传感器扫描仪复印机

线型CCD图像传感器传感器技术——第八章光敏元件阵列CCD图像传感器

光电转换光学图像

电信号图像

¦¦光强空间

电荷空间分布分布电荷耦合器件CCD电荷转移器件：CTDCTD：ChargeTransferDevice电信号图像的读取与输出CCD：ChargeCoupledDevice类似：移位寄存器的移位功能（1）如何获取图像信息？（2）怎样实现电信号图像的读取与输出？传感器技术——第八章64主要内容光敏元件阵列CCD的结构和基本原理线型CCD图像传感器面型CCD图像传感器应用举例传感器技术——第八章65一、光敏元件阵列——获取光像信息半导体的光电效应光生电子-空穴对传感器技术——第八章——普朗克常数——入射光频率——禁带宽度66光积分

光电荷数量

光照强度、光积分时间光敏元件阵列的结构像素1像素2像素3像素4像素5光生电子光像信息电荷空间分布67二、CCD的结构和基本原理MOS电容结构输入端输出端CCD——图像电荷存储、定向转移输出传感器技术——第八章1、结构势阱：加偏压后在金属电极下形成的深耗尽区2、电荷存储

输入二极管S

输出二极管D耗尽区：电极加正偏压后形成的无空穴的区域耗尽区

——势阱内存储少子电荷包电荷包：少子填充势阱少子（电子）被吸引到最高正偏压电极下电荷包传感器技术——第八章3、电荷(少子)定向转移——三相控制方式经过一个时钟脉冲周期，电荷从前一组的一个电极下，转移到下一组的同号电极下。——电荷定向转移第一组第二组三、线型CCD图像传感器传感器技术——第八章71尺寸检测72

双行结构的线型CCD图像传感器如何检测二维图像传感器技术——第八章73四、面阵CCD图像传感器——在x、y两个方向上实现电子自扫描缺点：易引起图像模糊传感器技术——第八章74优点：电极结构简单，转移单元较密。缺点：需要附加存储器。传感器技术——第八章75优点：帧传输一次转移完成，器件操作简