光电传感技术

第2章光电式传感器

将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。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信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。光电传感器的工作基础是光电效应。光辐射测量方法人眼照片胶片光电探测器光探测器2.1光电传感器的物理效应因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应1905年爱因斯坦发表的相对论而闻名于世1925年他获得诺贝尔奖是因发现光电效应光电传感器的物理效应分类光电传感器光热效应光子效应外光电效应

内光电效应

光电发射效应

光电管、光电倍增管光电导光敏电阻、光导管光生伏特

光电池、光电二极管

测辐射热

热敏电阻、测辐射热计

温差电

热电，热电堆

热释电

热释电探测器

金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量hν足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应

当光照射到物体上使物体向真空中发射电子

当光照物体时，光电子不逸出体外的光电效应称为内光电效应光照使材料的电导率发生变化光照使材料产生产生光生电动势

单个光子直接对产生光电子起作用的光电效应探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而把吸收的光能转变为晶格热运动，引起探测元件温度上升；温升使探测元件的电学性质发生变化外光电效应

一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：

E=hυ（2-1）式中：h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s)

υ——光的频率（s-1）。

所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理E=hυ（2-2）式中：m——电子质量；

v0——电子逸出速度。

式（2-2）为爱因斯坦光电效应方程式,由式可知：光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体表面时具有初始动能 ，因此对于外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。优异的光电发射材料应满足：（1）对光的吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激发；（2）受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面运动过程中损失的能量少；（3）材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子能够比较容易地逸出；（4）另外，作为光电阴极，其材料还要有一定的电导率，以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。常规光电阴极

用于常用真空光电器件中。根据国际电子工业协会规定，按其出现的先后顺序，以S为字头排成序号。光谱响应编号光电发射材料窗材料工作方式半透为T反射为R峰值波长mm积分灵敏度mA

lm-1

max处辐射响应度

max处量子效率%25˚C下暗电流fA

mm-2S-1Ag-O-Cs石灰玻璃T,R0.800302.80.43900S-3Ag-O-Rb石灰玻璃R0.426.51.80.53~S-4Cs-Sb石灰玻璃R0.40404012.40.2S-5Cs-Sb9741玻璃R0.34406018.20.3

2.内光电效应

在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：

（1）光电导效应

某些半导体材料受到光照射时，其电导率发生变化的现象。光照射到半导体上，价带上的电子接受能量，使电子脱离共价键。当光提供的能量达到禁带宽度的能量值时，价带的电子跃迁到导带，在晶体中就会产生一个自由电子和一个空穴，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。

导带禁带价带半导体能带图光生伏特效应

在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管、半导体位置敏感器件传感器

。光子照射PN结产生了电压（光生电动势），当两端短接时所产生短路电流。（内光电效应，photovoltagePV）光伏效应是基于p－S、n－S两种材料相接触时形成的内建势垒内建电场扫向势垒两边产生载流子形成光生电动势光辐射（2）光伏效应pn结形成过程p－S、n－S两种材料相接触→两边存在载流子的浓度差→产生扩散运动→产生空间电荷区→产生内建电场→阻止扩散、产生漂移→当扩散电流=漂移电流→形成平衡pn结（势垒区），流过pn结的净电流为零。（2）光伏效应pn结特性当将p区n区用导线短接，电流表读数为零。当给pn结加正向偏置电压时（p正n负），随正偏电压的增加，正向电流呈指数上升。当给pn结加反向偏置电压时（p负n正），有很小反向电流流过pn结；该电流为无光照时的pn结电流，称为暗电流（2）光伏效应在零偏压，光照下光照p区（p区极薄），当光波长激发光生电子——空穴对光生电子向p区体内扩散，p区极薄小于电子扩散长度，内建电场将光生电子扫向n区，空穴留在p区，此时，pn结两端有电压，称为开路电压uoc。当将p区n区用导线短接，电流表读数不为零；此电流称为短路电流isc。(2)光伏效应5.光伏效应的传感器 光电池——光照零偏pn结 光敏二极管——光照反偏pn结1.结构和原理

光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，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，当光照射在PN结上，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。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。2.2光敏二极管2.基本特性光敏二极管的基本特性包括光谱特性、伏安特性、光照特性、温度特性好响应特性。

(1)光谱特性光敏二极管对不同波长的光的灵敏度是不同的。光敏管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感。光敏二极(晶体)管的光谱特性硅和锗光敏二（晶体）极管的光谱特性曲线如图所示。从曲线可以看出，硅的峰值波长约为1.1μm，锗的峰值波长约为1.8μm，此时灵敏度最大，而当入射光的波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。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时，一般都用硅管。但对红外光的探测，用锗管较为适宜。

右图为硅光敏二极管的伏安特性，横坐标表示所加的反向偏压。当光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行，所以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。

(2)伏安特性指在一定照度下的电流电压特性。3）光照特性指在外加电压恒定时，光敏二极管的光电流与照度之间的关系。如图光照特性近于线性，即输出电流随光照线性增加。说明光敏二极管适合作检测元件。

（3）频率特性光敏管的频率特性是指在同样的电压和同样幅值的光强度下，当入射光强度以不同的正弦交变频率调制时，光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随调制频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间达10μs。因此特别适合快速变化的光信号探测。(4)温度特性光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特性曲线如图所示。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响很小(图(b))，而对暗电流影响很大(图(a))，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。

表2-12CU型硅光敏二极管的基本参数3.光敏二极管的应用1）光电路灯控制电路在无光照时，光敏二极管（反向）截止，电阻R1上的压降很小，则晶体管T1截止，T2截止，继电器J不动作，路灯保持亮。有光照时，光敏管产生光电流IL，R1电压上升，光强达到某一值时T1导通，T2导通，J动作常闭端打开，使路灯灭。即白天灯灭，晚上灯亮，起到了自动控制的作用。2）光强测量电路这是一个由稳压管，光敏二极管和电桥组成的测量电路。无光照时，VA很大，FET场效应管导通，调整RW，使电桥平衡，即指针为0。有光照时，光敏管产生IL，A点电位VA下降，R2上电流下降，VB减小，光照不同，IL不同，VA不同，R2上压降不同，光强可以通过电流计读数显示出来。

2.3光敏三级管光电三极管有两个PN结，从而可以获得电流增益。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，但响应速度较二极管差，既频率特性较差。1.工作原理与结构基极开路，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,电子受集电结电场的吸引流向集电区，基区中留下的空穴构成“纯正电荷”，使基区电压提高，致使电子从发射区流向基区，由于基区很薄，所以，只有一小部分从发射区来的电子与基区的空穴结合，而大部分电子穿过基区流向集电区，这一段过程与普通三极管的电流放大作用相似。集电极电流Ic是原始光电流的ß倍2、光敏三极管的主要特性：光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。（1）光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光λ/Å400080001200016000100806040200硅的峰值波长为9000Å，锗的峰值波长为15000Å。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。2.光敏三极管的基本特性

（2）伏安特性光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。光敏晶体管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。暗电流/mA光电流/mA10203040506070T/ºC2505010002003004001020304050607080T/ºC光敏晶体管的温度特性（4）温度特性

光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大．所以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。（5）光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%图4.3-15光敏晶体管的频率特性表2-23DU型硅光敏晶体管的基本参数3.光敏三极管的应用1）脉冲编码器Vi为24V电源电压，VO为输出电压，N为光栅转盘上总的光栅辐条数，R1和R2为限流电阻器，A和B分别是发光二极管的发射端和光敏三极管的接收端。当转轴受外部因素的影响而以某一转速n转动时，光栅转盘也随着以同样的速度转动。所以，在转轴转动一圈的时间内，接收端将接收到N个光信号，从而在其输出端输出N个电脉冲信号。由此可知，脉冲编码器输出的电信号VO的频率f是由转轴的转速n确定的。所以：

f=nN上式决定了脉冲编码器输出信号的频率f与转轴的转速之间的关系。

2）转速传感器T1为光敏三极管，当光线照射T1时，产生光电流，使R1上压降增大，导致晶体管T2导通，触发由晶体管T3和T4组成的射极耦合触发器，使UO为高电位。反之，VO为低电位。该脉冲信号V可送到计数电路计数。

许多会议室、宾馆房间的天花板上都装有火灾报警器，火灾报警器是光传感器应用的又一实例。3）烟雾散射式火灾报警器工作原理:报警器带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透明的挡板.平时,光电三极管收不到LED发出的光,呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报．

3）烟雾散射式火灾报警器2.4光敏电阻

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。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，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量级，亮电阻值在几千欧以下。

光敏电阻的结构很简单，图（a）为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。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。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。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如图（b）所示。图（c）为光敏电阻的接线图。

2.光敏电阻的主要参数

光敏电阻的主要参数有：

(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)亮电流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。3.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称为光敏电阻的伏安特性。图为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线。说明其阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。

硫化镉光敏电阻的光照特性（2）光照特性光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度（光通量）之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。故光敏电阻不宜作定量检测元件，而常在自动控制中作光电开关。

(3)光谱特性光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。图为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。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。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区，常用做火焰探测器的探头。

（4）频率特性实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。大多数的光敏电阻时间常数都较大，这是它的缺点之一。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级），因而它们的频率特性也就各不相同。图为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性，相比较，硫化铅的使用频率范围较大。

(5)温度特性光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图为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（6）稳定性

图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上I/%408012016021T/h040080012001600升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。

光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。几种光敏电阻的特性参数5.光敏电阻的应用1）光照度计农作物日照时数测定。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。无光照V0=VL。有光照V0=VH。2）环境照度监视器3）带材跑偏检测仪2.5光电池

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时实质就是电源，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。硅光电池原理图(a)结构示意图；(b)等效电路

光电池基本特性有以下几种：

(1)光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。图为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知，不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.4~1.2μm，而硒光电池只能为0.38~0.75μm。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。

(2)光照特性光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。图为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。从图中看出，短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻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。因此用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。

（3）频率特性图7-18分别给出硅光电池和硒光电池的频率特性，横坐标表示光的调制频率。由图可见，硅光电池有较好的频率响应。

图7-18硅光电池的频率特性

(4)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。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。光电池的温度特性如图所示。从图中看出，开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。

硅光电池2CR型特性参数硅光电池2CR型特性参数三、光电池应用

光电池主要有两大类型的应用：将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池定将获得更广泛的应用。将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。光电池应用举例如下：1．太阳电池电源

太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流－交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。

调节控制器逆变器

交流负载太阳电池方阵

直流负载太阳能电池电源系统阻塞二极管一般太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制器和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则可加一个直流—交流变换器。其中，太阳电池方阵是按输出功率和电压的要求，选用若干片性能相近的单体光电池，经串联、并联连接后封装成一个可以单独作电源使用的太阳电池组件。有光照射时，太阳电池方阵发电并对负载供电，同时，也对蓄电池组充电，以存储能量，供无太阳光照射时使用。无光照时，蓄电池组给负载供电，阻塞二极管反偏防止给光电池供电，即二极管逆流造成浪费（放电）。调节控制器是将太阳电池方阵、蓄电池组和负载连接起来，实现充、放电自动控制的中间控制器。当蓄电池电压低于下限值时，能自动切断输出电路。因此，调节控制器不仅能使蓄电池供电电压保持在一定范围，而且，能防止蓄电池因充电电压过高或过低而损伤。逆变器是将直流电转换为交流电的装置。2．光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。(a)光电追踪电路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2

图(a)为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的。光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路BG2BG1+12VCJR1R2(b)光电开关

图(b)所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。(c)光电池触发电路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW

图(c)为光电池触发电路。当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件(如可控硅)导通。+12V5G23(d)光电池放大电路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432图(d)为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。

在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的。220VC1路灯CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路灯自动控制器BG2BG3BG42CR2.6高速光电二极管(1)PIN管结光电二极管

PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。由式τ=CjRL与f=1/2πτ知，Cj小，τ则小，频带将变宽。PIN管结构示意图712、PIN光电二极管工作原理PIN光电二极管工作原理

当光从P区一侧入射，则光能量在被吸收的同时仍继续向N区一侧延伸吸收，在经过耗尽层时，由于吸收光子能量，电子从价带被激励到导带而产生电子空穴对（即光生载流子），并且在耗尽层空间电场作用下，分别向N型区和P型区相互逆方向作漂移运动，并在外部电路形成光电流。

然而，在耗尽层以外的区域因为没有电场作用，所以由光电效应产生的电子空穴对，在扩散运动中相遇发生复合，从而消失。由于扩散运动与漂移运动相比是一慢过程，因而由扩散运动产生的光电流不能快速响应输入光强的变化，减少了光电二极管的频率响应。最大特点：频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。PIN光电二极管在光通信、光雷达和快速光电自动控制领域有着广泛的应用。

（2）雪崩光电二极管(APD)

雪崩光电二极管(APD)的结构与PIN不同表现在增加了一个附加层，以实现碰撞电离产生二次电子—空穴对，在反向时夹在I

层和N层间的P层中存在高电场，该层称为倍增区或增益区雪崩区),耗尽层仍为I层，起产生一次电子-空穴对的作用。76APD的雪崩倍增效应2雪崩光电二极管(APD)的工作原理

当外加的反向偏压(约100V-150V)比PIN情况下高得多时，这个电压几乎都降到PN结上。特别是在高阻的PN结附近，电场强度可高达105V/cm，已经高出碰撞电离的电场。SAM-APD管在外加的反向偏压(约50V-150V)下的场分布如图所示。2雪崩光电二极管(APD)的工作原理

此时若光从P区照射，则和PIN一样，大部分光子将在较厚的I层被吸收，因而产生电子、空穴对。

入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子-空穴对。

新的电子空穴对受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二次电子空穴对。如此重复，使强电场区域中的电子和空穴成倍的增加，载流子和反向光生电流迅速增大，产生雪崩现象,这个物理过程称为雪崩倍增效应。雪崩过程倍增了一次光生电流，因此，在雪崩光电二极管内部就产生了放大作用。雪崩光电二极管就是这样既可以检测光信号，又能放大光信号电流。其频率响应很高，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光敏二极管。适用于光纤通信、激光测距及其他微弱光的探测等。2.7

外光电效应器件

利用物质在光照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。一、光电管及其基本特性光电管的结构示意图1.结构与工作原理

光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。

光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。2.主要性能（1）光电管的伏安特性光电流的大小有入射到光电阴极的光通量决定。当光通量一定时，阳极电压与电流的关系曲线称为光电管的伏安特性曲线。当光通量一定时，随着阳极电压增大，光电流趋于一定值。此时光通量与阳极输出电流之间就有良好的线性关系，光电管的工作就选在该区域内

当入射光比较微弱时，光电管能产生的光电流就很小，信噪比也很小，因此往往采用倍增管。光电管的伏安特性阳极与末级倍增极间的电压/V5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012IA/μA（2）

光电管的光照特性

通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。光电管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51

国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限λ0=7000Å，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%~30%。它适用于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为3000~8500Å，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱有很大差异，因而在测量技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。二、光电倍增管及其基本特性

当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，不容易探测，需要用光电倍增管对电流进行放大。1.光电倍增管结构和工作原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105~108倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。原理：光→阴极→光电倍增极→阳极→电流在工作时,这些电极的电位是逐级增高的。光线→光电阴极(D1正电位作用)→加速并打在第一倍增极D1上,使其放出的电子增多，称为二次电子，从而产生二次发射；

D1的二次发射电子(D2正电位作用)→加速入射到电极D2上；

…这样逐级前进,一直到达阳极A为止。由上述的工作过程可见,光电流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。

（1）倍增系数M

倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。如果n个倍增电极的δ都相同，则M=因此，阳极电流I为

I=i·

i—光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数β为

β=I/i=M与所加电压有关，M在105~108之间，稳定性为1％左右，加速电压稳定性要在0.1％以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V。所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。2.主要参数103104105106255075100125极间电压/V

放大倍数光电倍增管的特性曲线（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。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。光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。

（3）暗电流和本底脉冲一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，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。光电倍增管的光照特性与直线最大偏离是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA处饱和10－1410－1010－610－2光通量/1m阳极电流/A（4）光电倍增管的光照特性光照特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。应用光电倍增管（PMT）是光子技术器件中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。光电倍增光在闪烁计数器中的应用

闪烁计数器是一种通用的精密核辐射探测器。核辐射源辐射的粒子能量被烁体（荧光体）吸收转换为微弱的闪光（光子），闪光传输到倍增管的光阴极转换为光电子，经倍增放大后输出电脉冲信号至记录设备中，图6—16为闪烁计数器原理图。只要探测出脉冲信号的数目及幅度，便可以测出射线的强弱与能量的大小。

2.7色敏光电传感器

半导体色敏传感器是半导体光敏器件的一种。它也是基于半导体的内光效应，将光信号变成为电信号的光辐射探测器件。但是不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测的都是在一定波长范围内光的强度，或者说光子的数目。而半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。半导体色敏传感器相当于两只结深不同的光电二极管的组合，故又称双结光电二极管。其结构原理及等效电路示于图。电极1电极2电极3P+NPSiO2123色敏光电传感器和等效电路在图中所表示的P+-N-P不是三极管，而是结深不同的两个P-N结二极管。浅结的二极管是P+-N结；深结的二极管是N-P结。当有入射光照射时P+、N、P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收系数大，经很短距离已基本吸收完毕。因此，浅结的那只光电二极管对紫外光的灵敏度高。而红外部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收，因此深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度高。这就是说，在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识别的可能性，即可以用来测量入射光的波长。将两只结深不同的光电二极管组合，就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。在具体应用时，应先对该色敏器件进行标定。也就是测定不同波长的光照射下，该器件中两只光电二极管短路电流的比值ＩSD2/ＩSD1。ＩSD1是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大。ＩSD2是深结二极管的短路电流，它在长波区较大。因而两者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定。电极1电极2电极3P+NPSiO2123

图为不同结深二极管的光谱响应曲线。图中PD1代表浅结二极管，PD2代表深结二极管。半导体色敏器件特性（a）光谱特性;（b）短路电流比—波长特性

二、半导体色敏传感器的基本特征半导体色敏器件的光谱特性光谱特性是表示它所能检测的波长范围，图给出了国产CS-1型半导体色敏器件的光谱特性；其波长范围是400～1000nm。

2.短路电流比—波长特性

短路电流比—波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。图（b）表示上述CS—1型半导体色敏器件的短路电流比—波长特性曲线。

3.温度特性由于半导体色敏器件测定的是两只光电二极管短路电流之比，而这两只光电二极管是做在同一块材料上的，具有相同的温度系数，这种内部补偿作用使半导体色敏器件的短路电流比对温度不十分敏感，所以通常可不考虑温度的影响。应用举例彩色信号处理电路

图为检测光波长（即颜色）处理电路。它由色敏半导体传感器、两路对数放大器电路及运算放大器OP3构成。色彩信号处理电路

要识别色彩，必须获得两只光电二极管的短路电流比。故采用对数放大器电路，在电流较小的时候，二极管两端加上的电压和流过电流之间存在近似对数关系，即OP1、OP2输出分别跟lnISD1、lnISD2成比例，OP3取出它们的差。输出为

其正比于短路电流比ISD2/ISD1的对数。其中C为比例常数。将电路输出电压经A/D变换、处理后即可判断出与电平相对应的波长（即颜色）。

2.8光电位置传感器（PSD)PositionSensitiveDetectors

光电位置传感器是一种硅光电二极管，它对入射到光敏面上的光点位置敏感，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。

它对光斑的形状无严格要求

,即输出信号与光的聚焦无关，只与光的能量中心位置有关；

光敏面无需分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，位置分辨率很高，一维可以达到0.2um；

可同时检测位置和光强。如机械加工中的定位装置、作为机器人的眼睛和其他位置检测。特点：位置敏感器件（PSD-PositionalSensingDevice）

原理：光→光电二极管→空穴由N向P移动空穴→1端→I1

空穴→2端→I2

比值：应用：位置检测(一维、二维)，从而确定目标方位，同时可起制导、跟踪、搜索、定位等作用。1.PSD器件的工作原理

设p型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过n型层上电极的电流I0为I1和I2之和。

当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻p型层分别由电极1与2输出。I0=I1+I2

2.一维PSD器件

一维PSD器件主要用来测量光斑在一维方向上的位置或位置移动量的装置。图3-34（a）为典型一维PSD器件S1543的结构示意图，其中1和2为信号电极，3为公共电极。它的光敏面为细长的矩形条。

图3-35所示，为一维PSD位置检测电路原理图，光电流I1经反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4，而光电流I2经反向放大器A2放大后也分别送给放大器A3与A4，放大器A3为加法电路，完成光电流I1与I2相加的运算（放大器A5用来调整运算后信号的相位）；放大器A4用作减法电路，完成光电流I2与I1相减的运算。3.二维PSD器件

如图3-36（a）所示，在正方形的PIN硅片的光敏面上设置2对电极，分别标注为Y1，Y2和X3，X4，其公共N极常接电源Ubb。二维PSD器件的等效电路如图3-36（b）所示

为了减少测量误差常将二维PSD器件的光敏面进行改进，改进后的PSD光敏面如图3-37所示图形，四个引出线分别从四个对角线端引出，光敏面的形状好似正方形产生了枕形畸变。这种结构的优点是光斑在边缘的测量误差被大大地减少。

2.9红外光传感器红外辐射技术作为一门新兴技术科学，在科学研究、军事工程和医学方面起着极其重要的作用。应用领域十分广阔，例如红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。红外辐射技术的核心是红外辐射传感器。一、红外辐射的基本特点红外辐射就是红外光，其波长从1～1000μm。红外光是太阳光谱的一部分，其波长范围及在电磁波谱中的位置如图所示。

红外光的最大特点就是具有光热效应，辐射热量，在绝对零度(-273℃)以上的物体都辐射红外能量，它是光谱中最大光热效应区。红外光是一种不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外光在真空中的传播速度为3×108m/s。红外光在介质中传播会产生衰减，在金属中传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。不同的气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。研究分析表明，对于波长为2～5μm、8～14μm区域的红外光具有比较大的“透明度”。即这些波长的红外光能较好地穿透大气层。

二、红外探测器(传感器)

能将红外辐射量变化转换成电量变换的装置称为红外探测器(红外传感器)，红外探测器是根据热电效应和光子效应制成的。前者为热敏探测器，后者为光子探测器。从理论上讲，热探测器对入射的各种波长的辐射能量全部吸收，它是一种对红外光波无选择的红外传感器。光子探测器常用的光子效应有外光电效应、内光电效应(光生伏特效应、光电导效应)和光电磁效应。热敏探测器对红外辐射的响应时间比光电探测器的响应时间要长得多。前者的响应时间一般在ms以上，而后者只有ns量级。热探测器不需要冷却，光子探测器多数要冷却。这里主要介绍红外光敏热释电传感器。热释电效应1．热释电材料极性晶类，晶体内正、负电荷中心并不重合，晶体原子具有一定电矩；也就是说晶体本身具有自发极化特性。热释电效应2．热释电材料单畴极化对热释电材料施加直流电场,自发极化矢量将趋向于一致排列（形成单畴极化），总的电极化矢量加大。当电场去掉后，总的仍能保持下来。热释电效应2．热释电材料单畴极化由于保持下来的，将在材料表面吸附表面电荷，其面电荷密度单畴极化后的热电体，其电极化矢量值是温度的函数，温度升高使极化强度减小，释放一定量的吸附电荷。热释电效应3．热释电效应定义某些物质（如硫酸三甘肽、铌酸锂等）吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度变化将引起居里温度以下的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。

光辐射T↑↓σ↓光辐射→T↑→面束缚电荷变化↓→晶体表面上出现所测量出的电荷↓

热释电效应4．热释电材料最高工作温度当T↑＝Tc（居里温度时）单畴极化的消失＝0热释电现象消失即当T＜Tc时，才有热释电现象居里温度Tc——评价热释电探测器的品质因数，希望Tc越高越好。热释电红外传感器及其应用常见热释电红外传感器的外形

热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过目标与背景的温差来探测目标的。其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。这种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器。因此广泛应用于各类入侵报警器，自动开关、非接触测温、火焰报警器等，目前生产有单元、双元、四元、180°等传感器和带有PCB控制电路的传感器。常用的热释电探测器如：硫酸三甘钛（TGS）探测器、铌酸锶钡（SBN）探测器、钽酸锂（LiTaO3）探测器、锆钛酸铅（PZT）探测器等。

1.热释电红外传感器的结构常见的热释电红外传感器的外形如上图所示。

热释电传感器的内部结构

⑴敏感元敏感元用红外热释电材料—锆钛酸铅(PZT)制成，经极化处理后，其剩余极化强度随温度T升高而下降。制作敏感元件时，将热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极，构成有极性的小电容。把两个极性相反的热释电敏感元做在同一晶片上，由于环境温度的变化影响整个晶片产生温度变化时，两个敏感元产生的热释电信号互相抵消，传感器无输出，起到补偿作用。热释电传感器的特点是它只在由于外界的辐射而引起它本身的温度变化时，才会给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再没有信号输出，即热释电信号与它本身的温度的变化率成正比。因此，热释电传感器只对运动的人体或物体敏感。使用热释电传感器时，通常要在使用菲涅尔透镜将外来红外辐射通过透镜会聚光于一个传感元上，它产生的信号不会被抵消。热释电红外传感器传感器由敏感元、场效应管、高阻电阻、滤光窗等组成，并向壳内充入氮气封装起来，内部结构如右图所示。传感器内部接线图

⑵场效应管及高阻值电阻Rg

敏感元的阻值可达1013Ω，因此需用场效应管进行阻抗变换才能应用。场效应管常用2SK303V3，2SK94X3等型号，用来构成源极跟随器。高阻值电阻Rg的作用是释放栅极电荷，使场效应管安全正常工作，源极输出接法时，源极电压约0.4一1.0V。如传感器内部接线图如下图所示。红外滤光片透射曲线

⑶滤光片(FT)PZT制成的敏感元件是一种广谱材料，能探测各种波长辐射。为了使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用了滤光片作窗口。滤光片是在Si基片上镀多层膜制成的。每个物体都能发出红外辐射，对于人体体温(约36℃)，辐射的最长波长为

λm=2898／309=9.4μm，也就是说，人体辐射在9.4μm处最强，红外滤光片选取了7.5～14μm波段，能有效地选取人体的红外辐射。红外滤光片透射曲线如上图所示。由图可见，小于6.5μm的光锐减至0，6.5～15.0μm的辐射，其透射率达60％以上，因此，FT可以有效地防止、抑制电灯、太阳光的干扰，但对电灯发热引起的红外辐射光有时也能产生误动作。热释电传感器常用于防盗报警、自动门、自动灯等。

2.热释电红外传感器的应用⑴人体探测／防盗报警器①菲涅尔透镜(FRESNELLENS)

热释电传感器的前面要加菲涅尔透镜才能增加探测距离。菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的透镜组，它上面的每个单元透镜一般都只有一个不大的视场，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔一个盲区。它的外型如下图所示。菲涅尔透镜的外形

CE-024型菲涅尔透镜的视场如下图所示。当人体在这一监视范围内运动时，顺次地进入某一单元透镜的视场，又走出这一视场，热释电传感器对运动的人体一会儿看到，一会儿看不到，再过一会又看到，之后又看不到，于是人体的红外辐射不断地改变热释电菲涅尔透镜的视场的温度，使它输出一个又一个相应的信号。从图示的视场图可以看出，菲涅尔透镜是有防盗盲区的，安装在2m高处的菲涅尔透镜存在着小于1m的盲区，在图示的黑影之下。不加菲涅尔透镜，探测距离仅为2m左右，加上菲涅尔透镜后，其探测距离可达10米，若采用双重反射型菲涅尔透镜，其探测距离可达20m以上。

②探测电路人体进入探测范围内，传感器的输出信号频率大约为0.1～10Hz，这频率范围是由菲涅尔送人体运动速度和热释电传感器本身的特性决定的。其探测电路由检测、放大、比较电路、延时电路与驱动电路组成。

①检测放大电路：检测放大电路由热释电传感器SD02及滤波放大器A1、A2等组成，具有4000多倍的放大能力。②比较器电路：A3组成电压比较器，无报警信号时输出低电平；当有人入侵时，比较器翻转LED亮，当人体运动时则输出一串脉冲。③延时驱动电路：555Ⅰ，555Ⅱ和VT2组成延时、驱动电路。当A3输出一个正脉冲脉冲，C12充电，无脉冲C12将通过R17放电；有人在报警区移动，C12不断允电，当达到一定电压时，VT1触发555Ⅰ，使VT2导通，吸合继电器，使其控制报警器。555Ⅱ组成延时电路。避免开机瞬间的误报警。

⑵集成红外探测报警器①被动红外探测控制集成电路TWH9511TWH系列PIR(热释电传感器)控制电路采用大规模CMOS数字电路及微型元件固化封装，具有性能指标高，一致性好，外围电路简单，安装方便，无需调试等特点。该电路按信号输出表10.1.1方式可分为三种：交流供电继电器输出型TWH9511；交流供电可控硅输出型TWH9512；直流供电集电极输出型TWH9513。

TWH95系列控制电路内部设计有两个高阻抗输入低噪声运算放大器，其总增益限制在67dB之内，灵敏度可通过外接电阻进行调整。比较器为一个典型的窗口比较电路，其上下阈值经若干次选择后，确定出最佳门限值。其比较放大电路由内部4V稳压电路供电，设有温度补偿电路，因此增益不会随外界温度的变化而改变。这种电路能抑制热气团流动所产生的红外干扰，误报率低，其探测距离达12米以上。TWH95系列电路，均有使能控制端RD，该脚悬空时为自动状态，接入光控元件可使电路白天待机，晚上恢复自动工作。电路内部均有为PIR预热的开机自动延时电路，延迟时间为45秒，使PIR预热后建立稳定的工作状态。内部还设置了输出延时系统电路，

②电路工作原理：接通电源后，电路处于开机延时状态，PIR传感器加电预热45秒，延时结束，电路进入自动检测状态。如果有人进入探测区，人体辐射的红外线被PIR传感器探测到，输出幅度约1mV，频率在0.3～7Hz(与人体移动速度及透镜型号有关)的微弱信号，此信号经一组高频滤波和阻抗匹配网络，馈入控制电路输入端S，微弱信号由内部两级带通选频放大后送至窗口比较器进行电压比较，输出触发电平，此触发信号通过一系列内部系统计数、延时、控制处理及驱动电路，最后推动继电器或可控硅，达到人体探测防盗报警的目的或实现对自动门、照明灯的控制。

采用TWH9511组成的人体探测／防盗电路如右图所示，它由交流220V供电。PIR热释电传感器前要加菲涅尔透镜。探测灵敏度由4、5脚的可变电阻调节。传感器探测部分进入TWH9511的三根引线应采用屏蔽三芯电线，以防噪声影响；9与10脚接继电器线圈J，线圈的直流电阻应大于或等于400欧，使电流限制在40mA以下，继电器的常开触头去控制发声或发光报警装置。生物机电2、热释电红外传感器的应用

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。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，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。它正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。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机构。开启监视器或自动门铃上的应用。结合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，结合其它电路开发出更加优秀的新产品。或自动化控制装置。

红外自动干手机

制作干手机可参考随机延时电路和固定延时电路。交流负载采用光电耦合式过零模块为佳。注意：人感器必须隔热，出风口与感应窗口要分离。生物机电饮水机自控电路

人在感应范围，饮水机加热或者制冷；人不在感应范围，15分钟后自动关机。2.11光固态图像传感器

固态图像传感器(SolidStateImagingSensor——缩写为SSIS)按其结构可分为三类：电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice简称CCD）MOS图像传感器又称自扫描光电二极管列阵(SelfScannedPhotodiodeArray，简称SSPA)电荷注入器件（ChargeInjectionDevice，简称CID）。目前，前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。

一.电荷耦合器件(CCD)

电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，简称CCD），是由美国贝尔实验室的W.S.博伊尔和G.E.史密斯于1969年发明。1973年美国仙童公司制成CCD摄像传感器，CCD遂从实验室进入工业生产的实用阶段。

中国于1975年研制出32位CCD移位寄存器。中国的CCD研制工作主要集中于CCD成像和信号处理。CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器，简称MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）结构。它由一组规则排列的金属-氧化物-半导体（MOS）电容器阵列和输入、输出电路组成。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。1.MOS光敏单元的结构及原理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由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。在P型硅衬底上生长一层SiO2(120nm)介质层,再在SiO2层上沉积金属铝构成MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）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。当光照射MOS电容器时，半导体吸收光子，产生电子-空穴对，少数电子会被吸收到势阱中，光强越大，产生电子-空穴对越多，势阱内所吸收的光生电子数量就越多。因此势阱中的电子数目的多少可以反映光的强弱，说明图像的明暗程度。

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单元的结构及电荷存储原理示意图2.读出移位寄存器是电荷图像的输出电路如何实现势阱下的电荷从一个MOS元位置转移到另一个MOS元位置，并依次转移并传输出来呢？

CCD是由若干个电荷耦合单元组成。A、电荷的定向转移

当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。当电压VG增加，势阱变深；当电压VG减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。要求：多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。B、三相CCD电极的结构

MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120°时钟脉冲驱动。设Φ1Φ2Φ3为三个驱动脉冲，它们波形完全相同。

经过一个时钟周期T后，（即一个栅周期），电荷也将右移三个电极位置，因此，时钟的周期变化，可使CCD中的电荷包在电极下被转移到输出端。——类似数字电路中的——移位寄存器。C、电荷的输出CCD输出端结构下图是CCD输出端结构示意图。它实际上是在CCD阵列的末端衬底上制作一个输出二极管，当输出二极管加上反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极管的PN结所收集，在负载RL上就形成脉冲电流Io。输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻RL变为信号电压Uo输出。

二.CCD图像传感器

CCD固态图