第6章 光电式传感器

1、第六章：光电传感器、6.1光源、1、6.2光电效应及光电器件、6.3光学固态电荷耦合器件图像传感器、3、2概述光电传感器是一种将光通量转化为电能的传感器，光电传感器是基于光电转换元件的光电效应。光电传感器因其灵活多样的光电测量方法、众多可测量参数、非接触、高精度、高可靠性和快速响应等优点，在检测和控制领域得到了广泛的应用。6-1光源是光电传感器的重要组成部分，是光电传感器成功设计的前提和保证。光电传感器中使用的光源可以简单地分为自然光源和人工光源。1.热辐射光源利用物体受热产生光辐射的原理制成的光源称为热辐射光源。温度上升得越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长越短。白炽灯白炽灯是典型的可见光

2、谱热辐射源。钨丝被密封在充满惰性气体或保持真空的玻璃灯泡中，钨丝被电能加热到白炽状态发光。卤钨灯卤钨灯是一种特殊的白炽灯。灯泡由应时玻璃或硬质玻璃制成，能够承受350万k的高温。灯泡中充满了卤素元素，通常是碘。2.当气体放电光源的电流通过置于气体中的两个电极时，这两个电极将放电并发光。根据这一原理制成的光源称为气体放电光源。3.电致发光光源发光二极管电场激发固体发光材料产生的发光现象称为电致发光，是一种将电能直接转化为光能的过程。由这种现象制成的器件称为电致发光、6-1光源、发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等器件。发光二极管示意图，6-1光源，4。激光光源激光的英文单词是激光，是“受激辐射

3、光放大”的缩写。某些物质的分子、原子和离子吸收特定的外部能量(如特定频率的辐射)，并从低能级过渡到高能级(受激吸收)。如果高能级的粒子数大于低能级的粒子数，则粒子数将反转。在特定频率的光子激发下，高能粒子会强烈地跃迁到低能级，发射出与激发光子频率相同的光子(受激发射)。6-1光源(1)固态激光器固态激光器的典型例子是红宝石激光器，它是人类发明的第一种激光器，诞生于1960年。红宝石激光器的工作介质是掺有0.5铬的氧化铝(即红宝石)。激光由一盏强光灯激发，红宝石吸收蓝光和绿光，形成粒子数反转，并被激发产生波长约为694纳米的深红色激光。6-1光源，(2)气体激光器可用作气体激光器。与固体激光介质

4、相比，气体介质的密度要低得多，因此单位体积内的离子反转次数要少得多。为了弥补低气体密度的不足，气体激光器通常体积较大。(3)半导体激光器半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器，也称为半导体激光二极管。6-1光源(4)液体激光器染料激光器是液体激光器中最常用的激光器，它使用染料作为工作物质。液体激光器通常由光泵激发，有时用另一种激光器作为激发源。6-2光电效应和光电器件，6.2.1光电效应根据光的粒子理论，光可以被认为是由具有一定能量的粒子组成的，每个光子的能量E与其频率成正比。当光线照射到一个物体上时，它可以被看作是一系列高能电子粒子轰击该物体。所谓光电效应是物体吸收能量光而产生的

5、电效应。从传感器的角度来看，光电效应可分为两类：外部光电效应和内部光电效应。1.外部光电效应外部光电效应是指电子相互配合的现象它们的光电发射器，即光电极，是由具有这种特性的材料制成的。(1)光电子能否产生取决于光子能量是否大于物体的电子表面功函数。这意味着每个物体都有一个相应的光学频率值，称为极限频率。6-2光电效应和光电器件；2.当入射光的光谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。光强越强意味着入射的光子越多，逃逸的电子就越多。3.光电子以初始动能从物体表面逃逸。因此，即使阳极电压没有加到光电池上，也会有光电流。为了使光电流为零，必须施加负截止电压，截止电压与入射光的频率成正比。6-2光电效

6、应和光电器件2。内部光电效应是指材料的电阻率在光的照射下发生变化的现象。光敏电阻属于这一类。3.光伏效应光伏效应是由光屏障效应形成的，即在光的照射下，物体内部产生一定方向的电动势。6-2光电效应和光电器件、6-2光电效应和光电器件、6.2.2光电器件和特性1光电管和光电倍增管(1光电管)。根据外部光电效应，光电池有多种类型，其中最典型的是真空光电池。图2.32是光电池结构和连接电路的示意图。它由阴极k和阳极a组成，阳极a的表面涂有光电材料，阴极k和阳极a一起封装在真空玻璃泡中。6-2光电效应和光电器件、6-2光电效应和光电器件、(2)光电倍增管。当入射光很弱时，光电池产生的电流很小，只有十分之

7、几微安，这很难检测，误差很大。为了提高灵敏度，光电倍增管常用来放大光电流。光电倍增管是通过在光电池的阴极和阳极之间安装几个倍增极VD1、VD2和VDn而形成的。6-2光电效应和光电器件，6-2光电效应和光电器件。图6.2-4是由光电倍增管组成的路灯光电控制器的电路。在白天，当光电池VT1的光电阴极被强烈照亮时，光电池产生的光电流将增加场效应晶体管VT2栅极上的正电压和漏源电流。此时，运算放大器集成电路反相输入端的电压约为2.1V，因此运算放大器的输出为负，VD7关断，VT3也关断，继电器K不工作，其触点K1常开，因此路灯不亮。晚上，环境光逐渐减弱，光电管VT1、光电管、6-2光电效应和光电器件

8、VT1的电流也逐渐减弱，使场效应管VT2的栅极电压和源极电流降低。此时，运算放大器集成电路反相输入端的电压为负，其输出端输出13V的电压，因此VD7导通，VT3饱和，继电器K工作，其常开触点K1闭合。第二天清晨，由于光照增强，电路将自动再次切换到关闭状态。6-2光电效应和光电器件，2光敏器件光敏器件是能够将照明变化转换成电信号的元件。它们都是由半导体材料制成的，属于半导体传感器。光敏器件有很多种，其中常见的有：光敏电阻、光电池、光电二极管、光电晶体管(光晶体管)、光控晶闸管、光敏开关管等。(1)光敏电阻。光敏电阻是一种非极性光电元件，由光导材料制成，也叫光导管。它基于半导体光电导工作。普通的光

9、敏电阻是由硫化镉制成的。6-2光电效应和光电器件，(1)光敏电阻。光敏电阻是一种非极性光电元件，由光导材料制成，也叫光导管。它基于半导体光电导工作。普通的光敏电阻是由硫化镉制成的。6-2张照片6-2光电效应与光电器件，光敏开关管的典型应用电路，6-2光电效应与光电器件，3。光伏电池是一种在光的照射下直接将光能转化为电能的光电器件。光电池本质上是光作用下的电源。电路中有了这个器件，就不需要外部电源了。光电池的工作原理是基于“光伏效应”。图6-19是光电池的工作原理图。图6-19光电池的工作原理，6-2光电效应和光电器件，1基本特性(1)光谱特性光电池对不同波长的光有不同的灵敏度。图6-20显示了

10、硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可以看出，不同材料光电池光谱响应峰值对应的入射光波长不同，硅光电池在0.8m左右，硒光电池在0.5m左右.硅光电池的光谱响应波长范围为0.41.2米，而硒光电池的光谱响应波长范围仅为0。380.75米。可见硅光电池可用于宽波长范围。(2)光照特性光伏电池在不同光照下具有不同的光电流和光生电动势，它们之间的关系是光照特性。图6-21是显示硅光电池开路电压和短路电流与照明之间关系的图表。图6-21硅光电池、6-2光电效应和光电器件的照明特性，(3)温度特性光电池的温度特性描述光电池开路电压和短路电流随温度的变化。由于它与使用光电池的仪器或设备的温度漂移有关，

11、并影响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。光伏电池的温度特性如图6-22所示。图6-22硅光电池、6-2光电效应和光电器件的温度特性，以及(4)频率特性光电池的频率特性反映了光的交变频率和光电池输出电流之间的关系，如图6-23所示。从曲线可以看出，硅光电池具有高频响应，可用于高速计数、音频胶片等。这是硅光电池在所有光电元件中最突出的优势。图6-23光电池、6-2光电效应和光电器件的频率特性，图6-24所示的2个应用电路光电池转换电路可以将光的照度转换成电压形式并输出。该电路中使用的光电池由四个相同的光电池串联而成，开路电压约为2V，短路电流约为0.08Alx。图6

12、-24光电转换电路、6-2光电效应和光电器件。根据光电池的特性，光电池的开路电压Vop与入射光强的对数成正比，呈非线性关系，而短路电流Ish与照度成正比。因此，大多数通用转换电路使用短路电流而不是开路电压进行转换。图6-24中的U1是一个电流-电压转换电路，它能将光电池的短路电流转换成电压。因为运算放大器具有虚拟接地的特性，并且连接到运算放大器正负两端的光电池相当于光电池短路。此外，由于运算放大器的输入电流几乎为零，所有Ish流向R6和R7，使得U1的输出电压v1=Ish(r6r 7)。因此，可以调整R7的大小，使输出电压为1mVlx，这称为量程调整。6-2光电效应和光电器件，如果现场包含交流

13、110伏和60赫兹的组件。由R8(10K)和C1(10F)组成的低通滤波器可以滤除120赫兹的交流分量，因此转换电路的输出电压是具有平均照度的电压信号。U2是作为缓冲器的电压跟随器(AV1)。光电效应和光电器件。光电耦合器件是使用发光元件(例如发光二极管)的光电器件耦合器的常见组合如图6-25所示。图6-25光电耦合器、6-2光电效应和光电器件的组合，(2)光电开关是利用光敏元件接收变化的入射光，进行光电转换，同时以某种形式放大和控制，从而获得“开”和“关”信号的最终控制输出的装置。图6-26光电开关、6-2光电效应和光电器件的结构图(a)为透射式光电开关，其发光元件和接收元件的光轴重合。当不

14、透明物体位于或穿过它们之间时，光路将被阻挡，并且接收元件将不接收来自发光元件的光，这在检测中起作用。图(b)是一个反射式光电开关，其中发光元件和接收元件的光轴在同一平面上并以一定角度相交，交点通常是待测物体所在的位置。当有物体经过时，接收元件将接收从物体表面反射的光，而不是当没有物体时。该光电开关具有体积小、速度快、非接触、易于与TTL、MOS等电路结合的特点。6-2光电效应和光电器件。当使用光电开关检测物体时，大多数只要求它们的输出信号具有“高-低”(1-0)。图6-27是基本电路的一个例子。(a)和(b)示出了负载是诸如CMOS比较器的高输入阻抗电路的情况，以及(c)示出了光电流被晶体管放

15、大的情况。图6-27光电开关的基本电路，广泛用作工业控制中的灯光控制和灯光检测装置、自动包装线和安全装置。6-3光学固态电荷耦合器件图像传感器，6.3.1电荷耦合器件是一种金属氧化物半导体集成电路器件。它以电荷为信号，其基本功能是储存和转移电荷。自1970年出现以来，CCD因其低噪声而发展迅速，广泛应用于微光电视摄像、信息存储和信息处理。6-3光学固态电荷耦合器件图像传感器，金属氧化物半导体光敏元件的结构和原理电荷耦合器件的基本单元是金属氧化物半导体电容器，如图6-26所示。像其他电容器一样，金属氧化物半导体电容器可以储存电荷。图6-26MOS电容结构、图6-28MOS电容结构和图6-3光学固

16、态CCD图像传感器。如果金属氧化物半导体电容器中的半导体是p型硅，当正电压施加到金属电极时，在其电极下形成所谓的耗尽层。因为那里的电子势能低，所以形成了一个电子势阱，它变成了如图6-29所示的电荷聚集的地方。图6-29势阱的形成，6-3光学固态CCD图像传感器，图6-30是三相CCD时钟电压和电荷转移之间的关系。图6-30是三相CCD信息电荷传输的示意图，图6-3是光学固态CCD图像传感器。CCD的输出端有两种形式：浮动扩散输出端和浮动栅输出端，如图6-31所示。图6-31CCD输出端子形式，2CCD (CCD固态图像传感器)电荷耦合器件的应用在固态图像传感器中用作成像或图像敏感器件。CCD固态图像传感器由光敏部分和移位寄存器组成。光敏部分是指由排列在同一半导体衬底上的几个光敏单元组成的阵列元件，光敏单元简称为“像素”。固态图像传感器通过使用光敏单元的光电转换功能将投射在光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即，将光强度的空间分布转换成与光强度成比例且具有不同尺寸的电荷包的空间分布，然后通过使用移位寄存器的移位功能来传送电信号“图像”，并通过输出放大器输出它。6-3光学固态电荷耦合器件图像传感器。根据光敏元件排列的不同，CCD固态图像传