傳感器與檢測(cè)技術(shù)的第8章,光電式傳感器第一節(jié)

1、第8章 光電式傳感器8.1 8.1 光電器件光電器件18.2 8.2 光纖傳感器光纖傳感器8.3 8.3 紅外傳感器紅外傳感器32概述 光電式傳感器是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一光電式傳感器是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器，光電式傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元種傳感器，光電式傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)。件的光電效應(yīng)。由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，具有非接觸、高精度、高可靠性和反應(yīng)快等特具有非接觸、高精度、高可靠性和反應(yīng)快等特點(diǎn)，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域獲得了點(diǎn)，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。廣泛的應(yīng)用。8.1 光電器件 光

2、電器件是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部光電器件是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。光電式傳感器的工作原理如圖件。光電式傳感器的工作原理如圖8-18-1所示：首所示：首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。圖中圖中x1表示表示被測(cè)量能直接引起光量變化的檢測(cè)方式；被測(cè)量能直接引起光量變化的檢測(cè)方式；x2表表示被測(cè)量在光傳播過(guò)程中調(diào)制光量的檢示被測(cè)量在光傳播過(guò)程中調(diào)制光量的檢 測(cè)方式測(cè)方式。 圖圖8-1 8-1 光電式傳感器的工作原理光電式傳感器的工作原理8.1 光電器件8.1.1 8.1.1 光電效應(yīng)光電

3、效應(yīng)光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類(lèi)。光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類(lèi)。 1 1外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)在光線(xiàn)作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外光在光線(xiàn)作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管就屬于這類(lèi)光電器件。電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管就屬于這類(lèi)光電器件。我們知道，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的能我們知道，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的能力由下式確定：力由下式確定： Ehv式中：式中：h h普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.6266.62610 10 （JsJs）；）；

4、 光的頻率（光的頻率（s s ）。）。3418.1 光電器件若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0時(shí)，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。故要使一時(shí)，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。故要使一個(gè)電子逸出，則光子能量個(gè)電子逸出，則光子能量h必須超出逸出功必須超出逸出功A0，超，超過(guò)部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。即過(guò)部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。即 （8-28-2） 式中：式中：m電子質(zhì)量；電子質(zhì)量；v0電子電子逸出速度。逸出速度。該方程稱(chēng)為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程。該方程稱(chēng)為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程。 20012hvmvA8.1 光電器件由式（

5、由式（8-28-2）可知：光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是）可知：光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功否大于該物體的表面電子逸出功A A0 0。不同物體具有不同的。不同物體具有不同的逸出功，這意味著每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閥值，逸出功，這意味著每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閥值，成為紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線(xiàn)頻率小于紅限頻率的入射光，成為紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線(xiàn)頻率小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射。光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。光電子逸出物體表面具有

6、初始動(dòng)能，因此外光電效應(yīng)器件，光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能，因此外光電效應(yīng)器件，如光電管即使沒(méi)有加陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生。如光電管即使沒(méi)有加陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生。8.1 光電器件2 2內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類(lèi)。為以下兩大類(lèi)。光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線(xiàn)作用下，電子吸收光子能光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線(xiàn)作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)?；?/p>

7、于這阻率變化，這種效應(yīng)稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的器件有光敏電阻等。種效應(yīng)的器件有光敏電阻等。8.1 光電器件當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電導(dǎo)材料價(jià)導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，如圖帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，如圖8-28-2所示：所示： 圖圖8-2 8-2 電子能級(jí)示意圖電子能級(jí)示意圖從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的導(dǎo)電從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的導(dǎo)電率變大。為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光率變大。為了

8、實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶電導(dǎo)材料的禁帶寬度寬度Eg，即：，即：1.24ghchvE8.1 光電器件光生伏特效應(yīng)：在光線(xiàn)作用下能夠使物體產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)：在光線(xiàn)作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。基于該效應(yīng)的器件有一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。光電池和光敏晶體管等。 勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） 接觸的半導(dǎo)體和接觸的半導(dǎo)體和PNPN結(jié)中，當(dāng)光線(xiàn)照射其接觸結(jié)中，當(dāng)光線(xiàn)照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。 側(cè)向光電效應(yīng)側(cè)向光電效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)

9、，由載流子當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，由載流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。 8.1 光電器件8.1.2 8.1.2 光電管光電管1 1結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 光電管是外光電效應(yīng)的器件，光電管是外光電效應(yīng)的器件，有真空光電管和充氣光電管有真空光電管和充氣光電管兩類(lèi)。兩類(lèi)。光電陰極通常是用逸出功小光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對(duì)準(zhǔn)光壁上做成，其感光面對(duì)準(zhǔn)光 圖圖8-3 8-3 光電管的結(jié)構(gòu)光電管的結(jié)構(gòu)的照射孔。當(dāng)光線(xiàn)照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些的照射孔。當(dāng)光線(xiàn)照射到光敏材料上，便有電子逸出

10、，這些電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。流，在外電路就產(chǎn)生電流。 8.1 光電器件2 2主要性能主要性能（1 1）光電管的伏安特性）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陰極所加電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生的在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陰極所加電壓與陽(yáng)極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱(chēng)為光電管的伏安特性。電流之間的關(guān)系稱(chēng)為光電管的伏安特性。真空光電管和充氣光電管的伏安特性分別如同真空光電管和充氣光電管的伏安特性分別如同8-48-4（a a）和（）和（b b）所）所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。示。它是應(yīng)

11、用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。 圖圖8-4 光電管的伏安特性光電管的伏安特性8.1 光電器件（2 2）光電管的光照特性：通常指當(dāng)光電管的陽(yáng)極和）光電管的光照特性：通常指當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間的所加電壓一定時(shí)，光通量和光電流之陰極之間的所加電壓一定時(shí)，光通量和光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。間的關(guān)系為光電管的光照特性。光電管陰極材料不同，其光照特性也不同。光電管陰極材料不同，其光照特性也不同。光照特性曲線(xiàn)的斜率（光電流與入射光通量之比光照特性曲線(xiàn)的斜率（光電流與入射光通量之比稱(chēng)為光電管的靈敏度。稱(chēng)為光電管的靈敏度。8.1 光電器件（3 3）光電管光譜特性）光電管光譜特性一般對(duì)于光電陰極材料不

12、同的光電管，它們有不同的一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率紅限頻率v0，因此它們可用于不同的光譜范圍。，因此它們可用于不同的光譜范圍。即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率v0，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會(huì)不同，光電子的數(shù)量還會(huì)不同，即同一光電管對(duì)于不同頻率即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的所以，對(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材

13、料的光電陰極。光電陰極。8.1 光電器件8.1.3 8.1.3 光電倍增管光電倍增管1 1結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)與原理 光電倍增管也是基于光電倍增管也是基于外光電效應(yīng)的器件。外光電效應(yīng)的器件。由于真空光電管的靈由于真空光電管的靈敏度較低，因此人們敏度較低，因此人們便研制了光電倍增管，便研制了光電倍增管，其工作原理如圖其工作原理如圖8-58-5所所示。示。 圖圖8-5 8-5 光電倍增管的外型和工作原理光電倍增管的外型和工作原理8.1 光電器件2 2主要參數(shù)主要參數(shù)（1 1）倍增系數(shù)倍增系數(shù)M倍增系數(shù)倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射電子等于各倍增電極的二次電子發(fā)射電子i的乘積。的乘積。如果如果n個(gè)

14、倍增電極的個(gè)倍增電極的i都一樣，則都一樣，則M=i ，因此，陽(yáng)極電，因此，陽(yáng)極電流流I為：為： M與所加電壓有關(guān)，一般在與所加電壓有關(guān)，一般在10 10 之間。如果電壓有波之間。如果電壓有波動(dòng)，倍增系數(shù)也要波動(dòng)，因此動(dòng)，倍增系數(shù)也要波動(dòng)，因此M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。一具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。一般陽(yáng)極和陰極的電壓為般陽(yáng)極和陰極的電壓為1000V2500V，兩個(gè)相鄰的倍增，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電壓差為電極的電壓差為50V100V。niIin588.1 光電器件（2 2）陰極靈敏度和總靈敏度）陰極靈敏度和總靈敏度一個(gè)光子在陰極上能夠打出的一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。而一個(gè)光子

15、在陽(yáng)極上產(chǎn)平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。而一個(gè)光子在陽(yáng)極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。 光電倍增管的放大倍數(shù)或總光電倍增管的放大倍數(shù)或總 靈敏度如圖靈敏度如圖8-68-6所示。極間所示。極間 電壓越高，靈敏度越高；但電壓越高，靈敏度越高；但 極間電壓也不能太高，太高極間電壓也不能太高，太高 反而會(huì)使陽(yáng)極電流不穩(wěn)。另反而會(huì)使陽(yáng)極電流不穩(wěn)。另 外，由于光電倍增管的靈敏外，由于光電倍增管的靈敏 度很高，所以不能受強(qiáng)光照度很高，所以不能受強(qiáng)光照 射，否則將會(huì)損壞。射，否則將會(huì)損壞。圖圖8-6 8-6 光電倍增管的特性曲線(xiàn)光電倍增管的特性曲線(xiàn)8.1

16、 光電器件（3 3）光譜特性）光譜特性光電倍增管的光譜特性與相同材料光電管的光譜特性很相似。光電倍增管的光譜特性與相同材料光電管的光譜特性很相似。（4 4）暗電流及本底電流）暗電流及本底電流當(dāng)管子不受光照，但極間加入電壓時(shí)在陽(yáng)極上會(huì)收集到電子，當(dāng)管子不受光照，但極間加入電壓時(shí)在陽(yáng)極上會(huì)收集到電子，這時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流，。這時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流，。如果光電倍增管與閃爍體放在一起，在完全避光情況下，出現(xiàn)如果光電倍增管與閃爍體放在一起，在完全避光情況下，出現(xiàn)的電流稱(chēng)本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線(xiàn)的電流稱(chēng)本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線(xiàn)對(duì)閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍

17、體照射在光電倍增對(duì)閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的。本底電流具有脈沖形式，因此也成為本底脈沖。管上而造成的。本底電流具有脈沖形式，因此也成為本底脈沖。8.1 光電器件8.1.4 8.1.4 光敏電阻光敏電阻1 1光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理 光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管，是內(nèi)光電效應(yīng)器件，它光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管，是內(nèi)光電效應(yīng)器件，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻器以硫化隔制成，所以簡(jiǎn)稱(chēng)為電阻器以硫化隔制成，所以簡(jiǎn)稱(chēng)為CDSCDS。 光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電

18、阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無(wú)用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。電流（暗電流）很小。8.1 光電器件 當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大。一般希（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時(shí)光敏電阻的靈越好，此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí)，暗電阻值一般在兆歐級(jí)，亮電

19、阻在幾千歐以下。亮電阻在幾千歐以下。 圖圖8-78-7為光敏電阻的原理為光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 圖圖8-7 8-7 光敏電阻結(jié)構(gòu)光敏電阻結(jié)構(gòu)8.1 光電器件2 2光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù)（1 1）暗電阻暗電阻光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱(chēng)為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱(chēng)為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為暗電流。稱(chēng)為暗電流。（2 2）亮電阻）亮電阻光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱(chēng)為亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱(chēng)為亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。流稱(chēng)為亮電流。（3 3）光電流）光電流亮電流與暗電流之差稱(chēng)為光電流亮電流與暗電流之差稱(chēng)為光電流。8.1 光電器件3

20、 3光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性（1 1） 伏安特性伏安特性 在一定照度下，流過(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的在一定照度下，流過(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱(chēng)為光敏電阻的伏安特性。關(guān)系稱(chēng)為光敏電阻的伏安特性。 圖圖8-88-8為硫化鎘光敏電阻為硫化鎘光敏電阻 的伏安特性曲線(xiàn)。由圖的伏安特性曲線(xiàn)。由圖 可見(jiàn)，光敏電阻在一定可見(jiàn)，光敏電阻在一定 的電壓范圍內(nèi)，其的電壓范圍內(nèi)，其I-UI-U曲曲 線(xiàn)為直線(xiàn)，說(shuō)明其阻值與線(xiàn)為直線(xiàn)，說(shuō)明其阻值與 入射光量有關(guān)，而與電入射光量有關(guān)，而與電 壓、電流無(wú)關(guān)。壓、電流無(wú)關(guān)。 圖圖8-8 8-8 硫化鎘光敏電阻的伏安特性硫化鎘光敏電阻的伏

21、安特性8.1 光電器件（2 2）光譜特性）光譜特性光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱(chēng)光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱(chēng)為光譜特性，亦稱(chēng)為光譜響應(yīng)。為光譜特性，亦稱(chēng)為光譜響應(yīng)。 圖圖8-98-9為幾種不同材料為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。光敏電阻的光譜特性。對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)，光對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)，光敏電阻的靈敏度是不敏電阻的靈敏度是不同的。同的。 圖圖8-9 8-9 光敏電阻的光譜特性光敏電阻的光譜特性8.1 光電器件（3 3）光照特性）光照特性光敏電阻的光照特性是光敏電阻的光電流與光光敏電阻的光照特性是光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系，如圖強(qiáng)之間的關(guān)系，如圖8-108-10所示。

22、所示。由于光敏電阻的光照由于光敏電阻的光照特性呈非線(xiàn)性，因此特性呈非線(xiàn)性，因此不宜作為測(cè)量元件，不宜作為測(cè)量元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用作開(kāi)關(guān)式光電中常用作開(kāi)關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。信號(hào)傳感元件。 圖圖8-10 8-10 光敏電阻的光照特性光敏電阻的光照特性8.1 光電器件（4 4）溫度特性）溫度特性光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，它的光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻和靈敏度都下降。暗電阻和靈敏度都下降。溫度變化影響光敏電溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)，尤其阻的光譜響應(yīng)，尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度化鉛光敏電阻受溫度影響

23、更大。圖影響更大。圖8-118-11為為硫化鉛光敏電阻的光硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線(xiàn)譜溫度特性曲線(xiàn)。圖圖8-11 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線(xiàn)硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線(xiàn) 8.1 光電器件（5 5）光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間和頻率特性）光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間和頻率特性實(shí)驗(yàn)證明，光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后，實(shí)驗(yàn)證明，光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后，通常用時(shí)間常數(shù)通常用時(shí)間常數(shù)t t來(lái)描述，這叫做光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象。所謂時(shí)間來(lái)描述，這叫做光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象。所謂時(shí)間常數(shù)即為光敏電阻自停常數(shù)即為光敏電阻自停 止光照起到電流下降到原來(lái)止光照起到電流下降到原來(lái) 的的63%6

24、3%所需的時(shí)間，因此，所需的時(shí)間，因此，t 越小，響應(yīng)越迅速，但大多數(shù)越小，響應(yīng)越迅速，但大多數(shù) 光敏電阻的時(shí)間常數(shù)都較大，光敏電阻的時(shí)間常數(shù)都較大， 這是它的缺點(diǎn)之一。圖這是它的缺點(diǎn)之一。圖8-128-12所示所示為硫化鎘和硫化鉛的光敏電阻的頻率特性。為硫化鎘和硫化鉛的光敏電阻的頻率特性。 圖圖8-12 8-12 光敏電阻的頻率特性光敏電阻的頻率特性8.1 光電器件4 4光敏電阻基本應(yīng)用電路光敏電阻基本應(yīng)用電路 在圖在圖8-138-13所示的電所示的電路中，我們利用光路中，我們利用光敏電阻將光線(xiàn)的強(qiáng)敏電阻將光線(xiàn)的強(qiáng)弱變?yōu)殡娮柚档淖內(nèi)踝優(yōu)殡娮柚档淖兓赃_(dá)到光控制化，以達(dá)到光控制電路的目的。電

25、路的目的。 圖圖8-13 CDS 8-13 CDS 實(shí)驗(yàn)電路實(shí)驗(yàn)電路8.1 光電器件8.1.5 8.1.5 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管1 1結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理光敏二極管的結(jié)光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透相似。它裝在透明玻璃外殼中，明玻璃外殼中， 圖圖8-14 8-14 光敏二極管的結(jié)構(gòu)原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)原理其其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射（見(jiàn)圖結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射（見(jiàn)圖814（a）。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)）。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)（見(jiàn)圖（見(jiàn)圖8-14（b）所示），在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電阻很大

26、，）所示），在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱(chēng)為暗電流。反向電流很小，這反向電流稱(chēng)為暗電流。 8.1 光電器件 圖圖8-158-15為為NPNNPN型光型光敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路。大圖和基本電路。大多數(shù)光敏晶體管的多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引出線(xiàn)，當(dāng)基極無(wú)引出線(xiàn)，當(dāng)集電極加上相對(duì)于集電極加上相對(duì)于 圖圖8-15 NPN8-15 NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓；當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子壓；當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí)，

27、就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)，從而形成光電流，相當(dāng)于三極管的基極電空穴對(duì)，從而形成光電流，相當(dāng)于三極管的基極電流。由于基極電流的增加，因此集電極電流是光生電流。由于基極電流的增加，因此集電極電流是光生電流的流的 倍，所以光敏晶體管有放大作用。倍，所以光敏晶體管有放大作用。8.1 光電器件2 2基本特性基本特性（1 1）光譜特性）光譜特性 光敏二極管和晶體管的光光敏二極管和晶體管的光譜特性曲線(xiàn)如圖譜特性曲線(xiàn)如圖8-16所示。所示。從曲線(xiàn)可以看出，硅的峰從曲線(xiàn)可以看出，硅的峰值波長(zhǎng)約為值波長(zhǎng)約為0.9m，鍺的，鍺的峰值波長(zhǎng)約為峰值波長(zhǎng)約為1.5m，此此 圖圖8-16 8-16 光敏晶體（二極）

28、管的光譜光敏晶體（二極）管的光譜 特性時(shí)靈敏度最大，而當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加或縮短時(shí)，相對(duì)靈特性時(shí)靈敏度最大，而當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加或縮短時(shí)，相對(duì)靈敏度也下降。一般來(lái)講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，敏度也下降。一般來(lái)講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。但對(duì)紅外故在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。但對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，鍺管較為適宜。光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，鍺管較為適宜。 8.1 光電器件（2 2）伏安特性）伏安特性圖圖8-178-17為硅光敏為硅光敏管在不同照度下管在不同照度下的伏安特性曲線(xiàn)。的伏安特性曲線(xiàn)。從圖中可見(jiàn)，光從圖中可見(jiàn)，光敏晶體管的光電敏

29、晶體管的光電流比相同管型的流比相同管型的二極管大上百倍。二極管大上百倍。 圖圖8-17 8-17 硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性8.1 光電器件（3 3）溫度特性）溫度特性 光敏晶體管的光敏晶體管的溫度特性是指溫度特性是指其暗電流及光其暗電流及光電流與溫度的電流與溫度的關(guān)系。光敏晶關(guān)系。光敏晶體管的溫度特體管的溫度特 圖圖8-18 8-18 光敏晶體管的溫度特性光敏晶體管的溫度特性性曲線(xiàn)如圖性曲線(xiàn)如圖8-188-18所示。從特性曲線(xiàn)可以看出，溫度變化對(duì)所示。從特性曲線(xiàn)可以看出，溫度變化對(duì)光電流影響很小，而對(duì)暗電流影響很大，所以在電子線(xiàn)光電流影響很小，而對(duì)暗電流影響很大，所以在電子線(xiàn)路中應(yīng)

30、該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。差。8.1 光電器件圖圖8-19 8-19 光電池工作原理光電池工作原理8.1 光電器件1 1基本特性基本特性（1 1）光譜特性）光譜特性 光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度是不同的。是不同的。圖圖8-20為硅光電池和為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線(xiàn)。從圖硒光電池的光譜特性曲線(xiàn)。從圖中可知，不同材料的光電池，光中可知，不同材料的光電池，光 圖圖8-20 光電池的光譜特性譜光電池的光譜特性譜 響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)是不同的，硅光電池在響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)是不同的，硅光電

31、池在0.8m附附近，硒光電池在近，硒光電池在0.5m附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為為0.41.2m，而硒光電池的范圍只能為，而硒光電池的范圍只能為0.380.75m?？梢?jiàn)?？梢?jiàn)硅光電池可以在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)得到應(yīng)用。硅光電池可以在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)得到應(yīng)用。8.1 光電器件（2 2）光照特性）光照特性 光電池在不同光照度下，光電池在不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的，它們之間的關(guān)不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。圖系就是光照特性。圖8-218-21為硅光電池的開(kāi)路為硅光電池的開(kāi)路電壓和短路電流與光照電壓和短路電流與光照的關(guān)系曲線(xiàn)。的

32、關(guān)系曲線(xiàn)。 圖圖8-21 8-21 硅光電池的光照特性硅光電池的光照特性8.1 光電器件（3 3）溫度特性）溫度特性 光電池的溫度特性是描述光電池的開(kāi)路電壓和短路電光電池的溫度特性是描述光電池的開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，器或設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量精度或控影響到測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo)，制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電因此溫度特性是光電池的重要特性之一。池的重要特性之一。光電池的溫度特性如光電池的溫度特性如圖圖8-228-22所示。所示。 圖圖8-22 8-22 硅光電池的溫度特性硅

33、光電池的溫度特性8.1 光電器件（4 4）頻率特性）頻率特性光電池的頻率特性就是反光電池的頻率特性就是反映光的交變頻率和光電池映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系，如圖輸出電流的關(guān)系，如圖8-238-23所示。從曲線(xiàn)可以看所示。從曲線(xiàn)可以看出，硅光電池有很高的頻出，硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用在高速計(jì)率響應(yīng)，可用在高速計(jì)數(shù)、有聲電影等方面。這數(shù)、有聲電影等方面。這就是硅光電池在所以光電就是硅光電池在所以光電元件中最為突出的優(yōu)點(diǎn)元件中最為突出的優(yōu)點(diǎn)。圖圖8-23 8-23 光電池的頻率特性光電池的頻率特性 8.1 光電器件 2 2應(yīng)用電路應(yīng)用電路光電池轉(zhuǎn)換電路如圖光電池轉(zhuǎn)換電路如圖8-248-

34、24所示，能將光的照度轉(zhuǎn)換為所示，能將光的照度轉(zhuǎn)換為電壓形式輸出，本電路所使用的光電池，其外型是電壓形式輸出，本電路所使用的光電池，其外型是由四個(gè)相同由四個(gè)相同的光電池的光電池串聯(lián)而成，串聯(lián)而成，其開(kāi)路電其開(kāi)路電壓約為壓約為2V2V，短路電流短路電流約為約為0.080.08Al x。 圖圖8-24 8-24 光電池轉(zhuǎn)換電路光電池轉(zhuǎn)換電路8.1 光電器件 由光電池特性得知，光電池的由光電池特性得知，光電池的開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓Vop與入射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比，成非線(xiàn)性關(guān)系，而短路電流的對(duì)數(shù)成正比，成非線(xiàn)性關(guān)系，而短路電流Ish卻是與照卻是與照度成正比，所以一般轉(zhuǎn)換電路大都采用短路電流做轉(zhuǎn)換

35、，度成正比，所以一般轉(zhuǎn)換電路大都采用短路電流做轉(zhuǎn)換，而不采用開(kāi)路電壓。圖而不采用開(kāi)路電壓。圖8-24的的U1為一個(gè)電流為一個(gè)電流-電壓轉(zhuǎn)換電電壓轉(zhuǎn)換電路，可將光電池的短路電流轉(zhuǎn)換成電壓。因運(yùn)算放大器路，可將光電池的短路電流轉(zhuǎn)換成電壓。因運(yùn)算放大器有虛接地的特性，且光電池接在運(yùn)算放大器的正負(fù)兩端有虛接地的特性，且光電池接在運(yùn)算放大器的正負(fù)兩端相當(dāng)于光電池短路。又因運(yùn)算放大器的輸入電流幾乎為相當(dāng)于光電池短路。又因運(yùn)算放大器的輸入電流幾乎為零，所以全部的零，所以全部的Ish流到流到R6與與R7，使，使U1的輸出電壓的輸出電壓V1=Ish(R6+R7)。所以可調(diào)整。所以可調(diào)整R7的大小，使得輸出電壓為

36、的大小，使得輸出電壓為1mVl x，這種調(diào)整方式，稱(chēng)為擴(kuò)展率調(diào)整，這種調(diào)整方式，稱(chēng)為擴(kuò)展率調(diào)整( Span adjust)。8.1 光電器件若現(xiàn)場(chǎng)含有若現(xiàn)場(chǎng)含有AC110V，60Hz的交流成分存在。由的交流成分存在。由R8(10K)，C1(10F)所組成的低通濾波器，可將所組成的低通濾波器，可將120Hz的交的交流成分濾除，使得轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓為平均照度的流成分濾除，使得轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓為平均照度的電壓信號(hào)。而電壓信號(hào)。而U2為一電壓跟隨器（為一電壓跟隨器（AV1），作為緩沖），作為緩沖器。器。8.1 光電器件8.1.7 8.1.7 光電耦合器件光電耦合器件光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光

37、二極管）光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通信號(hào)的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管，光電接收元件有光常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管，光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實(shí)等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測(cè)有無(wú)物體的現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測(cè)有無(wú)物體的光電開(kāi)關(guān)。光電開(kāi)關(guān)。 8.1 光電器件圖圖8-25 8-25 光電耦合器

38、組合形式光電耦合器組合形式8.1 光電器件2 2光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)是一種利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收，并光電開(kāi)關(guān)是一種利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出得最終的控制輸出“開(kāi)開(kāi)”、“關(guān)關(guān)”信號(hào)的器件。信號(hào)的器件。 圖圖8-26 8-26 光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)8.1 光電器件圖（圖（a a）是一種透射式的光電開(kāi)關(guān)，它的發(fā)光元件和接）是一種透射式的光電開(kāi)關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過(guò)收元件的光軸是重合的。當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)

39、過(guò)它們之間時(shí)，會(huì)阻斷光路，使接收元件接收不到來(lái)自它們之間時(shí)，會(huì)阻斷光路，使接收元件接收不到來(lái)自發(fā)光元件的光，這樣起到檢測(cè)作用。圖（發(fā)光元件的光，這樣起到檢測(cè)作用。圖（b b）是一種反）是一種反射式的光電開(kāi)關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在射式的光電開(kāi)關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點(diǎn)一般即為待測(cè)物所同一平面且以某一角度相交，交點(diǎn)一般即為待測(cè)物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)時(shí)，接收元件將接收到從物體表在處。當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)時(shí)，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒(méi)有物體時(shí)則接收不到。光電開(kāi)關(guān)的特面反射的光，沒(méi)有物體時(shí)則接收不到。光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是小型、高速、非接觸，而且與點(diǎn)是小型、

40、高速、非接觸，而且與TTLTTL、MOSMOS等電路等電路容易結(jié)合。容易結(jié)合。8.1 光電器件用光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)物體時(shí)，大部分只要求其輸出信號(hào)有用光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)物體時(shí)，大部分只要求其輸出信號(hào)有“高高- -低低”（1-01-0）之分即可。圖）之分即可。圖8-278-27是基本電路的示例。是基本電路的示例。（a a）、（）、（b b）表示負(fù)載為）表示負(fù)載為CMOSCMOS比較器等高輸入阻抗電比較器等高輸入阻抗電路時(shí)的情況，（路時(shí)的情況，（c c）表示用晶體管放大光電流的情況。）表示用晶體管放大光電流的情況。圖圖8-27 8-27 光電開(kāi)關(guān)的基本電路光電開(kāi)關(guān)的基本電路光電開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝

41、線(xiàn)及安全裝置光電開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線(xiàn)及安全裝置中作光控制和光探測(cè)裝置。中作光控制和光探測(cè)裝置。8.1 光電器件8.1.88.1.8電荷耦合器件電荷耦合器件電荷耦合器件（電荷耦合器件（Charge Couple DeviceCharge Couple Device，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)CCDCCD）是一種金屬氧化物半導(dǎo)體（是一種金屬氧化物半導(dǎo)體（MOSMOS）集成電路器件。）集成電路器件。它以電荷作為信號(hào)，基本功能是進(jìn)行電荷的存儲(chǔ)它以電荷作為信號(hào)，基本功能是進(jìn)行電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。和電荷的轉(zhuǎn)移。CCDCCD自自19701970年問(wèn)世以來(lái)，由于其低年問(wèn)世以來(lái)，由于其低噪聲等特點(diǎn)而發(fā)展迅速

42、，廣泛應(yīng)用于在微光電視噪聲等特點(diǎn)而發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于在微光電視攝像、信息存儲(chǔ)和信息處理等方面。攝像、信息存儲(chǔ)和信息處理等方面。8.1 光電器件. CCD. CCD原理原理構(gòu)成構(gòu)成CCDCCD的基本單元是的基本單元是MOSMOS電容器，如電容器，如8-268-26所示。與所示。與其它電容器一樣，其它電容器一樣，MOSMOS電容器能夠存儲(chǔ)電荷電容器能夠存儲(chǔ)電荷 。圖圖8-26 MOS8-26 MOS電容的結(jié)構(gòu)電容的結(jié)構(gòu)圖圖8-28 MOS8-28 MOS電容的結(jié)構(gòu)電容的結(jié)構(gòu)8.1 光電器件如果如果MOSMOS電容器中的半導(dǎo)體是電容器中的半導(dǎo)體是P P型硅，當(dāng)在金屬電極上型硅，當(dāng)在金屬電極上施加一

43、個(gè)正電壓時(shí)，在其電極下形成所謂耗盡層，由施加一個(gè)正電壓時(shí)，在其電極下形成所謂耗盡層，由于電子在那里勢(shì)能較低，形成了電子的勢(shì)阱，如圖于電子在那里勢(shì)能較低，形成了電子的勢(shì)阱，如圖8-298-29所示，成為蓄積電荷的場(chǎng)所。所示，成為蓄積電荷的場(chǎng)所。圖圖8-29 8-29 勢(shì)阱的形成勢(shì)阱的形成8.1 光電器件圖圖8-308-30為三相為三相CCDCCD時(shí)鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系。時(shí)鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系。 圖圖8-30 8-30 三相三相CCDCCD信息電荷傳輸原理圖信息電荷傳輸原理圖8.1 光電器件CCDCCD輸出端有浮置擴(kuò)散輸出端和浮置柵極輸出端兩種形輸出端有浮置擴(kuò)散輸出端和浮置柵極輸出端兩種形式，

44、如圖式，如圖8-318-31所示。所示。圖圖8-31 CCD8-31 CCD的輸出端形式的輸出端形式2 2CCDCCD的應(yīng)用（的應(yīng)用（CCDCCD固態(tài)圖像傳感器）固態(tài)圖像傳感器）電荷耦合器件用于固態(tài)圖像傳感器中，作為攝像或像敏的器電荷耦合器件用于固態(tài)圖像傳感器中，作為攝像或像敏的器件。件。CCDCCD固態(tài)圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。感固態(tài)圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。感光部分是指在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干光敏單元組成的光部分是指在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干光敏單元組成的陣列元件，光敏單元簡(jiǎn)稱(chēng)陣列元件，光敏單元簡(jiǎn)稱(chēng)“像素像素”。固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到

45、光敏固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)單元的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)“圖像圖像”，即將光強(qiáng)的空間分，即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的、大小不等的電荷包空間分布，然布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的、大小不等的電荷包空間分布，然后利用移位寄存器的移位功能將電信號(hào)后利用移位寄存器的移位功能將電信號(hào)“圖像圖像”轉(zhuǎn)送，經(jīng)輸轉(zhuǎn)送，經(jīng)輸出放大器輸出。出放大器輸出。 8.1 光電器件根據(jù)光敏元件排列形式的不同，根據(jù)光敏元件排列形式的不同，CCDCCD固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器可分為線(xiàn)型和面型兩種。可分為線(xiàn)型和面型兩種。（1 1） 線(xiàn)型線(xiàn)型CCDCCD圖像傳感器圖像傳感器典

46、型的線(xiàn)型典型的線(xiàn)型CCDCCD圖像傳感器由一列光敏元件和兩列電圖像傳感器由一列光敏元件和兩列電荷轉(zhuǎn)移部件組成，在它們之間設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵，荷轉(zhuǎn)移部件組成，在它們之間設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵，如圖如圖8-328-32所示。所示。 圖圖8-32 8-32 線(xiàn)型線(xiàn)型CCDCCD圖像傳感器圖像傳感器8.1 光電器件8.1 光電器件（2 2）面型）面型CCDCCD圖像傳感器圖像傳感器按一定的方式將一維線(xiàn)型光敏單元及移位寄存器排列按一定的方式將一維線(xiàn)型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構(gòu)成面型成二維陣列，即可以構(gòu)成面型CCDCCD圖像傳感器。面型圖像傳感器。面型C CCDCD圖像傳感器有三種基本類(lèi)型：

47、線(xiàn)轉(zhuǎn)移、幀轉(zhuǎn)移和隔圖像傳感器有三種基本類(lèi)型：線(xiàn)轉(zhuǎn)移、幀轉(zhuǎn)移和隔列轉(zhuǎn)移。如圖列轉(zhuǎn)移。如圖8-338-33。圖圖8-33 8-33 線(xiàn)轉(zhuǎn)移面型線(xiàn)轉(zhuǎn)移面型CCDCCD的結(jié)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)圖 8.1 光電器件圖圖8-33 8-33 幀轉(zhuǎn)移面型幀轉(zhuǎn)移面型CCDCCD的結(jié)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)圖 圖圖8-33 8-33 隔離轉(zhuǎn)移型隔離轉(zhuǎn)移型 CCDCCD的結(jié)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)圖 8.1 光電器件8.1.98.1.9光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的應(yīng)用1 1基于光敏傳感器的便攜式照度計(jì)基于光敏傳感器的便攜式照度計(jì) 1) 1) 簡(jiǎn)單照度計(jì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單照度計(jì)設(shè)計(jì)光敏二極管的輸出電流與照度成正比。所謂照度，就光敏二極管的輸出電流與照度成正比。所謂

48、照度，就是單位感光面積上的光通量的大小，單位是是單位感光面積上的光通量的大小，單位是1m/m 1m/m 。因此，照度計(jì)是光敏二極管的最基本電路。除此之外因此，照度計(jì)是光敏二極管的最基本電路。除此之外的測(cè)光方法雖然還有很多，但都是首先將它們變換成的測(cè)光方法雖然還有很多，但都是首先將它們變換成感光面的照度進(jìn)行測(cè)量的。感光面的照度進(jìn)行測(cè)量的。 28.1 光電器件作為照度計(jì)使用的光敏二極管必須具備的條件包括：作為照度計(jì)使用的光敏二極管必須具備的條件包括：分光靈敏度必須符合標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)可見(jiàn)度曲線(xiàn)分光靈敏度必須符合標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)可見(jiàn)度曲線(xiàn); ;角度特性必須符合照度的余弦法則角度特性必須符合照度的余弦法則; ;與

49、入射光相對(duì)應(yīng)的輸出電流必須具有良好的直線(xiàn)與入射光相對(duì)應(yīng)的輸出電流必須具有良好的直線(xiàn) 性好的穩(wěn)定性等。性好的穩(wěn)定性等。所謂照度的余弦法則，就是當(dāng)光源與感光面相連接的所謂照度的余弦法則，就是當(dāng)光源與感光面相連接的直線(xiàn)同感光面的法線(xiàn)之間構(gòu)成直線(xiàn)同感光面的法線(xiàn)之間構(gòu)成角時(shí)，照度減少到入角時(shí)，照度減少到入射光垂直照射時(shí)照度的射光垂直照射時(shí)照度的cos倍倍。8.1 光電器件8.1 光電器件BS500BBS500B的輸出電流是每的輸出電流是每100 1x100 1x為為0.55uA0.55uA，也就是說(shuō)，也就是說(shuō)5.5nA5.5nA/1x/1x。因此，如果運(yùn)算放大器的反饋電阻。因此，如果運(yùn)算放大器的反饋電阻

50、R RF F取為取為180k180k，那么就可以得到那么就可以得到1mV/lx1mV/lx的靈敏度，對(duì)于靈敏度的分散性，的靈敏度，對(duì)于靈敏度的分散性，可以用電位器可以用電位器VRVR1 1進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)行調(diào)整。 BS500B BS500B的低照度特性由暗電流決定，暗電流的最大值的低照度特性由暗電流決定，暗電流的最大值為為10pA10pA，這個(gè)數(shù)值會(huì)給其低照度的測(cè)量帶來(lái)麻煩。因此，這個(gè)數(shù)值會(huì)給其低照度的測(cè)量帶來(lái)麻煩。因此，BS500BBS500B的低照度測(cè)量只可以從的低照度測(cè)量只可以從0.0025lx0.0025lx開(kāi)始，不過(guò)其動(dòng)開(kāi)始，不過(guò)其動(dòng)態(tài)范圍可高達(dá)態(tài)范圍可高達(dá)112dB112dB以上。以上

51、。為了實(shí)現(xiàn)如此寬范圍的測(cè)量，通?？梢允褂脤?duì)數(shù)放大器。為了實(shí)現(xiàn)如此寬范圍的測(cè)量，通?？梢允褂脤?duì)數(shù)放大器。這種使用對(duì)數(shù)放大器的電路如圖這種使用對(duì)數(shù)放大器的電路如圖8-358-35所示。所示。8.1 光電器件圖圖8-35 8-35 用對(duì)數(shù)放大器擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)驗(yàn)電路用對(duì)數(shù)放大器擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)驗(yàn)電路8.1 光電器件2) 2) 基于集成傳感器的便攜式照度計(jì)基于集成傳感器的便攜式照度計(jì)TFA1001W(TFA1001W(西門(mén)子公司生產(chǎn)西門(mén)子公司生產(chǎn)) )是內(nèi)含光敏二極管與放大器的是內(nèi)含光敏二極管與放大器的集成。由于具有集成。由于具有5uA/lx5uA/lx的靈敏度，因此通過(guò)連接的靈敏度，因此通過(guò)連接20

52、0200負(fù)載負(fù)載電阻的方法，可以得到電阻的方法，可以得到5uA5uA200=1mV/lx200=1mV/lx的輸出電壓。的輸出電壓。于是，在于是，在5000 lx5000 lx時(shí)可以得到時(shí)可以得到500mV500mV的輸出電壓。的輸出電壓。圖圖8-368-36是照度計(jì)電路圖，是照度計(jì)電路圖，TFA1001WTFA1001W的驅(qū)動(dòng)電壓為的驅(qū)動(dòng)電壓為2.515V2.515V，可以用干電池作為電源進(jìn)行工作?？梢杂酶呻姵刈鳛殡娫催M(jìn)行工作。圖圖8-36 8-36 照度計(jì)電路圖照度計(jì)電路圖8.1 光電器件2 2火焰探測(cè)報(bào)警器火焰探測(cè)報(bào)警器圖圖8-378-37是采用硫化鉛光敏電阻為探測(cè)元件的火焰是采用硫化鉛

53、光敏電阻為探測(cè)元件的火焰探測(cè)器電路圖。探測(cè)器電路圖。圖圖8-37 8-37 火焰探測(cè)報(bào)警器電路圖火焰探測(cè)報(bào)警器電路圖8.1 光電器件3 3路燈自動(dòng)點(diǎn)滅器路燈自動(dòng)點(diǎn)滅器圖圖8-388-38電路為光電池轉(zhuǎn)換電路所組合而成的路燈自動(dòng)點(diǎn)滅電路為光電池轉(zhuǎn)換電路所組合而成的路燈自動(dòng)點(diǎn)滅器。燈泡代表一個(gè)路燈，當(dāng)感測(cè)的亮度太暗，路燈必須亮器。燈泡代表一個(gè)路燈，當(dāng)感測(cè)的亮度太暗，路燈必須亮起，但當(dāng)亮度超過(guò)設(shè)定時(shí)，路燈必須熄滅，停止照明。起，但當(dāng)亮度超過(guò)設(shè)定時(shí)，路燈必須熄滅，停止照明。 圖圖8-38 8-38 路燈自動(dòng)點(diǎn)滅器路燈自動(dòng)點(diǎn)滅器8.1 光電器件4 4CCDCCD圖像傳感器應(yīng)用圖像傳感器應(yīng)用前面介紹的前面

54、介紹的CCDCCD具有將光像轉(zhuǎn)換為電荷分布，以及具有將光像轉(zhuǎn)換為電荷分布，以及電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移等功能，所以它是構(gòu)成電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移等功能，所以它是構(gòu)成CCDCCD固態(tài)固態(tài)圖像傳感器的主要光敏器件，取代了攝像裝置中的圖像傳感器的主要光敏器件，取代了攝像裝置中的光學(xué)掃描系統(tǒng)或電子束掃描系統(tǒng)。光學(xué)掃描系統(tǒng)或電子束掃描系統(tǒng)。CCDCCD圖像傳感器具有高分辨力和高靈敏度，具有較圖像傳感器具有高分辨力和高靈敏度，具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，這些特點(diǎn)決定了它可以廣泛用于自寬的動(dòng)態(tài)范圍，這些特點(diǎn)決定了它可以廣泛用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量，尤其適用于圖像識(shí)別技術(shù)。動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量，尤其適用于圖像識(shí)別技術(shù)。8.1 光電器件C

55、CDCCD圖像傳感器在檢測(cè)物體的位置、工件尺寸的精確圖像傳感器在檢測(cè)物體的位置、工件尺寸的精確測(cè)量及工件缺陷的檢測(cè)方面有獨(dú)到之處。測(cè)量及工件缺陷的檢測(cè)方面有獨(dú)到之處。 圖圖8-398-39為應(yīng)用線(xiàn)型為應(yīng)用線(xiàn)型CCDCCD圖像傳感器測(cè)量物體尺寸系統(tǒng)圖像傳感器測(cè)量物體尺寸系統(tǒng)。圖圖8-39 CCD8-39 CCD圖像傳感器工件尺寸檢測(cè)系統(tǒng)圖像傳感器工件尺寸檢測(cè)系統(tǒng)8.1 光電器件物體成像聚焦在圖像傳感器的光敏面上，視頻處理器物體成像聚焦在圖像傳感器的光敏面上，視頻處理器對(duì)輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理，整個(gè)過(guò)程由對(duì)輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理，整個(gè)過(guò)程由微機(jī)控制完成。根據(jù)幾何光學(xué)原理，可以推

56、導(dǎo)被測(cè)物微機(jī)控制完成。根據(jù)幾何光學(xué)原理，可以推導(dǎo)被測(cè)物體尺寸計(jì)算公式，即：體尺寸計(jì)算公式，即： 式中：式中：n-覆蓋的光敏像素?cái)?shù)；覆蓋的光敏像素?cái)?shù)；P-像素間距；像素間距；M-倍率。倍率。微機(jī)可對(duì)多次測(cè)量求平均值，精確得到被測(cè)物體的尺微機(jī)可對(duì)多次測(cè)量求平均值，精確得到被測(cè)物體的尺寸。任何能夠用光學(xué)成像的零件都可以用這種方法，寸。任何能夠用光學(xué)成像的零件都可以用這種方法，實(shí)現(xiàn)不接觸的在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的目的。實(shí)現(xiàn)不接觸的在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的目的。npDM8.2 光纖傳感器 8.2.1 8.2.1 概述概述 光纖傳感器可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是功能型（傳感型）光纖傳感器可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是功能型（傳感型）傳感器

57、；另一類(lèi)是非功能型（傳光型）傳感器。傳感器；另一類(lèi)是非功能型（傳光型）傳感器。功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過(guò)對(duì)被調(diào)制過(guò)的信位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過(guò)對(duì)被調(diào)制過(guò)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化，光非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)

58、。 8.2 光纖傳感器光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。單模光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為光纖的纖芯直徑通常為212 m212 m，很細(xì)的纖芯半徑，很細(xì)的纖芯半徑接近于光源波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，僅能維持一種模式傳播，接近于光源波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，僅能維持一種模式傳播，一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強(qiáng)度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用模光纖；光強(qiáng)度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。多模光纖。為了滿(mǎn)足特殊要求，出現(xiàn)了保偏光纖、低雙折射光為了滿(mǎn)足特殊要求，出現(xiàn)了保偏光纖、低雙折射光纖、高雙折射光纖等。所以采

59、用新材料研制特殊結(jié)纖、高雙折射光纖等。所以采用新材料研制特殊結(jié)構(gòu)的專(zhuān)用光纖是光纖傳感技術(shù)發(fā)展的方向。構(gòu)的專(zhuān)用光纖是光纖傳感技術(shù)發(fā)展的方向。 8.2 光纖傳感器8.2.2 8.2.2 光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理1 1光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱(chēng)為光纖，目前基本上是采用比頭發(fā)絲光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱(chēng)為光纖，目前基本上是采用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲所制成的，其結(jié)構(gòu)示于圖還細(xì)的石英玻璃絲所制成的，其結(jié)構(gòu)示于圖8-408-40。圖圖8-40 8-40 光纖的結(jié)構(gòu)圖光纖的結(jié)構(gòu)圖8.2 光纖傳感器2 2光纖的傳輸原理光纖的傳輸原理 眾所周知，光在空眾所周知，光在空間是直線(xiàn)傳播的。間是直線(xiàn)傳播的。在

60、光纖中，光的傳在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，輸限制在光纖中，并隨光纖能傳送到并隨光纖能傳送到很遠(yuǎn)的距離，光纖很遠(yuǎn)的距離，光纖的傳輸是基于光的的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。全內(nèi)反射。 圖圖8-41 8-41 光纖的傳光原理光纖的傳光原理當(dāng)光纖的直徑比光的波長(zhǎng)大很多時(shí)，可以用幾何光學(xué)的方法來(lái)當(dāng)光纖的直徑比光的波長(zhǎng)大很多時(shí)，可以用幾何光學(xué)的方法來(lái)說(shuō)明光在光纖內(nèi)的傳播。如圖說(shuō)明光在光纖內(nèi)的傳播。如圖8 84141所示。所示。 8.2 光纖傳感器圖圖8-42 8-42 光纖發(fā)射電路光纖發(fā)射電路3 3 光纖發(fā)射器光纖發(fā)射器光纖發(fā)射器包括緩沖器，驅(qū)動(dòng)器和光源，本例用振蕩器光纖發(fā)射器包括緩沖器，驅(qū)動(dòng)器和光源，本