光電式傳感器7

1、第八章 光電式傳感器第8章 光電式傳感器 光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見(jiàn)及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。 第八章 光電式傳感器光電效應(yīng)器件和特性光電效應(yīng)器件和特性1.2光光 源源8.18.28.3新型光電傳感器新型光電傳感器8.4光敏傳感器的應(yīng)用舉例光敏傳感器的應(yīng)用舉例8.58.1概述概述第八章 光電式傳感器光源光源光通路光通路光電元件光電元件測(cè)量電路測(cè)量電路光量光量光量光量電量電量電量輸出電量輸出x1x2 光電式傳感器的組成光電式傳感器的組成8.1 概述：光電式傳感器的組成概述：光電式傳感器的組成第八章 光電式傳感器一、光譜一、光譜光波：光

2、波： 波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為101010106 6nmnm的電磁波的電磁波可見(jiàn)光：可見(jiàn)光：波長(zhǎng)波長(zhǎng)380780nm380780nm紫外線：紫外線：波長(zhǎng)波長(zhǎng)10380nm10380nm， 波長(zhǎng)波長(zhǎng)300380nm300380nm稱為近紫外線稱為近紫外線 波長(zhǎng)波長(zhǎng)200300nm200300nm稱為遠(yuǎn)紫外線稱為遠(yuǎn)紫外線 波長(zhǎng)波長(zhǎng)10200nm10200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線：紅外線：波長(zhǎng)波長(zhǎng)78010780106 6nmnm 波長(zhǎng)波長(zhǎng)3m3m（即（即3000nm3000nm）以下的稱近紅外線）以下的稱近紅外線 波長(zhǎng)超過(guò)波長(zhǎng)超過(guò)3m 3m 的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。 光譜

3、分布如圖所示。光譜分布如圖所示。8.2 8.2 光光 源源第八章 光電式傳感器二、光源（發(fā)光器件）二、光源（發(fā)光器件）1、熱輻射光源-鎢絲白熾燈 特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特性差，但對(duì)接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。用鎢絲通電加熱作為光輻射源連續(xù)的發(fā)光范圍：可見(jiàn)光外、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號(hào)。第八章 光電式傳感器光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。 低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。如果光譜燈涂以熒光劑，照明日光

4、燈。 氣體放電燈消耗的能量?jī)H為白熾燈1/21/3。2、氣體放電燈、氣體放電燈定義：利用電流通過(guò)氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。定義：利用電流通過(guò)氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。第八章 光電式傳感器 由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)PN結(jié)上加有正向電壓時(shí)，勢(shì)壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，稱為少數(shù)載流子注入。所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時(shí)伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。3、發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED（Light Emitting Diode）第八章 光電式

5、傳感器4 4、激光器、激光器 激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個(gè)重要特性。激光波長(zhǎng)從0.24m到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。 激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：u 固體激光器（如紅寶石激光器）u 氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）u 半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）u 液體激光器。第8章 光電式傳感器第八章 光電式傳感器 是指物體吸收了是指物體吸收了光能光能后，轉(zhuǎn)換為該物體中某些后，轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子電子的能的能量而產(chǎn)生的量而產(chǎn)生的電效應(yīng)電效應(yīng)。分為：分為：外外光電效應(yīng)光電效應(yīng)內(nèi)內(nèi)光電效應(yīng)光電效應(yīng)如：陰極管等如：陰極管等光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)

6、效應(yīng)光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)光電效應(yīng)原理光電效應(yīng)原理：8.3 光電效應(yīng)及器件光電效應(yīng)及器件第八章 光電式傳感器1.1.外光電效應(yīng)的器件外光電效應(yīng)的器件（1 1）光電管）光電管光電管種類很多，它是個(gè)裝有光陰極和陽(yáng)極的真空玻璃管，如圖。光陰極有多種形式：在玻璃管內(nèi)壁涂上陰極涂料即成；在玻璃管內(nèi)裝入涂有陰極涂料的柱面形極板構(gòu)成。陽(yáng)極為置于光電管中心的環(huán)形金屬板或置于柱面中心線的金屬柱。 8.3.1 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生的光電子發(fā)射的現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)。 第八章 光電式傳感器2 2、光電倍增管及其基本特性、光電倍增管及其基本特性 當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很

7、小，只有零點(diǎn)幾A，不容易探測(cè)，需要用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大。由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽(yáng)極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級(jí)；陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)倍。因此在很微弱的光照時(shí)，它就能產(chǎn)生很大的光電流。光電倍增管結(jié)構(gòu)和工作原理光電倍增管結(jié)構(gòu)和工作原理光陰極陽(yáng)極第八章 光電式傳感器8.3.2、內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。內(nèi)內(nèi)光電效應(yīng)光電效應(yīng)光

8、電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)第八章 光電式傳感器光敏電阻光敏電阻hIpV電極電極電極電極原理：（1）光電導(dǎo)效應(yīng) -在光線作用，電子吸收光子能量從在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合鍵合狀態(tài)過(guò)渡狀態(tài)過(guò)渡到到自由自由狀態(tài)，而引起材料狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。反向偏置的光敏二極管、光敏三極管第八章 光電式傳感器管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個(gè)歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子

9、也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖。（1）光敏電阻的結(jié)構(gòu)第八章 光電式傳感器(2). 光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性1）暗電阻、亮電阻、光電流暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無(wú)光照射）后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)在給定電壓下流過(guò)的電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流。光電流：亮電流與暗電流之差。 光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。 實(shí)用的光敏電阻的暗電阻往往超過(guò)1M,甚至高

10、達(dá)100M，而亮電阻則在幾k以下，暗電阻與亮電阻之比在102106之間，可見(jiàn)光敏電阻的靈敏度很高。 第八章 光電式傳感器2）光照特性下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測(cè)元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開(kāi)關(guān)。012345I/mA L/lx10002000第八章 光電式傳感器3）光譜特性 光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域。因此，在選用光敏電

11、阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來(lái)考慮，才能獲得滿意的效果。204060801004080120160200240/m312相對(duì)靈敏度1硫化鎘2硒化鎘3硫化鉛第八章 光電式傳感器4） 伏安特性 在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時(shí)的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。5010015020012U/V02040在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無(wú)飽和現(xiàn)象。但是電壓不能無(wú)限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過(guò)最高工作電壓和最大額定電流，可

12、能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。I/ A第八章 光電式傳感器5）頻率特性20406080100I / %f / Hz010102103104當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。由于不同材料的光敏，電阻時(shí)延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。硫化鉛硫化鎘第八章 光電式傳感器6）溫度特性其性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。硫化鎘的光

13、電流I和溫度T的關(guān)系如圖所示。有時(shí)為了提高靈敏度，或?yàn)榱四軌蚪邮蛰^長(zhǎng)波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。I / A100150200-50-1030 5010-30T / C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C第八章 光電式傳感器 (2)光敏二極管 PN結(jié)可以光電導(dǎo)效應(yīng)工作，也可以光生伏特效應(yīng)工作。如圖，處于反向偏置的PN結(jié)，在無(wú)光照時(shí)具有高阻特性，反向暗電流很小。當(dāng)光照時(shí)，結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在結(jié)電場(chǎng)作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成光電流，方向與反向電流一致。光的照度愈大，光電流愈大。由于無(wú)光照時(shí)的反偏電

14、流很小，一般為納安數(shù)量級(jí)，因此光照時(shí)的反向電流基本上與光強(qiáng)成正比。-+-PN第八章 光電式傳感器(3)光敏三極管 它可以看成是一個(gè)bc結(jié)為光敏二極管的三極管。其原理和等效電路見(jiàn)圖。在光照作用下，光敏二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，該電流信號(hào)被晶體三極管放大。顯然，在晶體管增益為夕時(shí)，光敏三極管的光電流要比相應(yīng)的光敏二極管大倍。 pNNcbebec光敏二極管和三極管使用應(yīng)注意光源與器件的相對(duì)位置。第八章 光電式傳感器 反向偏置的光敏二極管PN光-+NPN bec光敏三極管第八章 光電式傳感器2、PN結(jié)光伏效應(yīng)：結(jié)光伏效應(yīng)：PNhIpI lIDRPN結(jié)結(jié)-PN結(jié)光伏效應(yīng)這種由光的照射，使結(jié)光伏效應(yīng)這

15、種由光的照射，使 pn 結(jié)結(jié)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，叫做光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，叫做光生伏特效應(yīng) .應(yīng)用應(yīng)用原理基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。第八章 光電式傳感器按材料分，有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，輸出電流一般為幾A到幾十A。PN光光敏二極管符號(hào)光敏二極管符號(hào)RL 光PN光敏二極管接線光敏二極管接線 光敏二極管光敏二極管基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié),第八章 光電式傳感器光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用

16、。第八章 光電式傳感器PIN管結(jié)光電二極管 PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于 I 層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。 由式 = CjRL與 f = 1/2知，Cj小，則小，頻帶將變寬。 P-Si N-Si I-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖管結(jié)構(gòu)示意圖第八章 光電式傳感器2）. 光敏三極管具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴(kuò)大光的照射面積,且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓,基極開(kāi)路時(shí),集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí),會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),在內(nèi)電場(chǎng)

17、的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的倍。 RL EPPN becNPN bec第八章 光電式傳感器光敏三極管的主要特性：光敏三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長(zhǎng)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降。因?yàn)楣庾幽芰刻。蛔阋约ぐl(fā)電子空穴對(duì)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)縮短時(shí)，相對(duì)靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對(duì)不能到達(dá)PN結(jié)，因而使相對(duì)靈敏度下降。（1）光譜特性相對(duì)靈敏度/%硅鍺入射光/40008000120001600010080604020 0硅的峰值波長(zhǎng)

18、為硅的峰值波長(zhǎng)為9000，鍺的峰值波長(zhǎng)為鍺的峰值波長(zhǎng)為15000。由于鍺管的暗電流比硅管由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。大，因此鍺管的性能較差。故在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀故在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí)但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí),則則采用鍺管較合適。采用鍺管較合適。第八章 光電式傳感器0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶體管的伏安特性光敏晶體管的伏安特性（2）伏安特性如圖所示。光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，光敏三極管能把光信號(hào)變成電信號(hào)，而且輸出的電信號(hào)較大。U/V第

19、八章 光電式傳感器光敏晶體管的光照特性I / AL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性 光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流 I 和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大(幾klx)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開(kāi)關(guān)元件。 第八章 光電式傳感器暗電流/mA光電流/mA10 20 30 40 50 60 70T /C25 050100 02003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶體管的溫度特性（4）溫度特性 光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及

20、光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對(duì)光電流的影響很小，而對(duì)暗電流的影響很大所以電子線路中應(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。第八章 光電式傳感器光電池光電池 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。又稱為太陽(yáng)能電池。目前,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。l 硅光電池價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅外光。l 硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見(jiàn)光(響應(yīng)峰值波長(zhǎng)0.56m)，最適宜制造照度計(jì)。l 砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽(yáng)光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它主要用于宇宙飛船、衛(wèi)星

21、、太空探測(cè)器等的電源。第八章 光電式傳感器光電池的示意圖光電池的示意圖硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來(lái)，電路中有電流流過(guò)，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開(kāi)，就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理光PNSiO2RL(a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b) 光電池的工作原理示意圖光電池的工作原理示意圖 P N+第八章 光電式傳感器 光電池的表示符號(hào)、基

22、本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)圖4.3-17 光電池符號(hào)和基本工作電路第八章 光電式傳感器L/klx L/klx5432100.10.20.30.40.5246810開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅光電池硅光電池(b)硒光電池硒光電池（1）光照特性開(kāi)路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線2. 基本特性開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓短路電流短路電流短路電流短路電流第八章 光電式傳感器短路電流，指外接負(fù)載相

23、對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。 下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx 50 10010005000RL=0第八章 光電式傳感器204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m(2) 光譜特性 光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在540nm附近，適宜測(cè)可見(jiàn)光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm1

24、100nm，峰值波長(zhǎng)在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。1硒光電池2硅光電池第八章 光電式傳感器(3) 頻率特性 光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。204060801000I/ %1234512f / kHz1硒光電池2硅光電池第八章 光電式傳感器（4）溫度特性 光電池的溫度特性是指開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，開(kāi)路電壓與短路電流均隨溫度

25、而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。2004060904060UOC/ mVT/ CISCUOCISC / A600400200UOC開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓ISC 短路電流短路電流硅光電池在硅光電池在1000lx照照度下的溫度特性曲線度下的溫度特性曲線第八章 光電式傳感器I2I0I1一、一、光電位置傳感器光電位置傳感器 PSD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) u 結(jié)構(gòu)：在同一硅片上制作的三層結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：在同一硅片上制作的三層結(jié)構(gòu)：LPNI+P層：既是光敏層，層：既是光敏層， 又是高摻雜的均勻的電阻層。又是

26、高摻雜的均勻的電阻層。I層：接近本征的高阻層。層：接近本征的高阻層。N層：高摻雜的均勻的電阻層。層：高摻雜的均勻的電阻層。 XA-Position Sensitive Device 第四節(jié)第四節(jié) 新型光電傳感器新型光電傳感器第八章 光電式傳感器二、二、PSD的工作原理的工作原理 u原理：光照射在光敏原理：光照射在光敏層上，層上，入射點(diǎn)入射點(diǎn) 產(chǎn)生與產(chǎn)生與光能成比例的光能成比例的電荷電荷，并形成并形成光電流光電流通過(guò)電通過(guò)電阻層由電極輸出。阻層由電極輸出。up層的電阻是均勻的，由電極層的電阻是均勻的，由電極和和輸出的電流輸出的電流I1 、 I2分別與光點(diǎn)分別與光點(diǎn) 到各電極的距離到各電極的距離(

27、電阻值電阻值)成反比。成反比。I2I0I1LPNI+XAu電極電極上的電流為總電流上的電流為總電流I0，則，則I0I1+I2 。第八章 光電式傳感器u設(shè)光點(diǎn)離中心點(diǎn)的距離為設(shè)光點(diǎn)離中心點(diǎn)的距離為 xA，有：，有：進(jìn)而有進(jìn)而有：012ILxLIA022ILxLIALIIIIxA1212I2I0I1LPNI+XA第八章 光電式傳感器PSD及其等效電路及其等效電路n一維一維PSDu感光面：大多是細(xì)長(zhǎng)矩形條。感光面：大多是細(xì)長(zhǎng)矩形條。LIIIIxA1212u等等 效電路：并聯(lián)電阻效電路：并聯(lián)電阻Rsh，電流源電流源Ip ，理想二理想二 極管極管D ， 定位電阻定位電阻RD ， 結(jié)電容結(jié)電容 Cj入射光

28、點(diǎn)的坐標(biāo)位置：入射光點(diǎn)的坐標(biāo)位置：123第八章 光電式傳感器PSD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路LIIIIxA1212312第八章 光電式傳感器二、色敏光電傳感器P+NPSiO2電極電極1 電極電極2電極3123色敏光電傳感器和等效電路色敏光電傳感器和等效電路 色敏光電傳感器色敏光電傳感器實(shí)際上是光電傳感器實(shí)際上是光電傳感器的一種特殊類型。它的一種特殊類型。它是兩只結(jié)深不同的的是兩只結(jié)深不同的的光電二極管組合體，光電二極管組合體，其結(jié)構(gòu)和工作原理的其結(jié)構(gòu)和工作原理的等效電路如圖所示。等效電路如圖所示。第八章 光電式傳感器 雙結(jié)光電二極管的P+-N結(jié)為淺結(jié)，N-P結(jié)為深結(jié)。當(dāng)光照射時(shí)，P+，N，P三個(gè)區(qū)域及其

29、間的勢(shì)壘區(qū)均有光子吸收，但是吸收的效率不同。紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過(guò)很短距離就被吸收完畢；因此，淺結(jié)對(duì)紫外光有較高靈敏度。而紅外光部分吸收系數(shù)小，光子主要在深結(jié)處被吸收；因此，深結(jié)對(duì)紅外光有較高的靈敏度。即半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL(zhǎng)分別具有不同靈敏度。這一特性為識(shí)別顏色提供了可能性。利用不同結(jié)深二極管的組合，即可構(gòu)成測(cè)定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體色敏傳感器。 具體使用時(shí)，首先對(duì)該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定，也就是測(cè)定在不同波長(zhǎng)光照射下，深結(jié)的短路電流ISD2與淺結(jié)的短路電流ISD1的比值 ISD2 / ISD1 。 ISD2在長(zhǎng)波區(qū)較大，ISD1在短波區(qū)較大；因而 ISD2 / ISD1與入射單色光波長(zhǎng)的關(guān)系就可

30、以確定。第八章 光電式傳感器二、光固態(tài)圖象傳感器 光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年問(wèn)世以后，由于它的低噪聲等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在微光電視攝像、信息存儲(chǔ)和信息處理等方面。1CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理P型Si耗盡區(qū)耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向電荷轉(zhuǎn)移方向123輸出柵輸出柵輸入柵輸入柵輸入二極管輸入二極管輸出二極管輸出二極管 SiO2 CCD的的MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第八章 光電式傳感器 CCD是由若干個(gè)電荷耦合單元組成，該單元的結(jié)

31、構(gòu)如圖所示。CCD的最小單元是在P型（或N型）硅襯底上生長(zhǎng)一層厚度約為120nm的SiO2，再在SiO2層上依次沉積鋁電極而構(gòu)成MOS的電容式轉(zhuǎn)移器。將MOS陣列加上輸入、輸出端，便構(gòu)成了CCD。 當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時(shí)，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢(shì)阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)（如圖中1極下），形成電荷包（勢(shì)阱）。對(duì)于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時(shí)，少數(shù)載流子為空穴。第八章 光電式傳感器 如何實(shí)現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移呢？電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式

32、為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程。 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P2P3P3(a)123t0t1t2t3t(b)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程t=t0t=t1t=t2t=t30第八章 光電式傳感器 三相控制是在線陣列的每一個(gè)像素上有三個(gè)金屬電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個(gè)相位不同的控制脈沖1，2，3，見(jiàn)圖（b）。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。圖(b)采用電注入方式。當(dāng)P1極施加高電壓時(shí)，在P1下方產(chǎn)生電荷包（t=t0）；當(dāng)P2極加上同樣的電壓時(shí)，由于兩電勢(shì)下面勢(shì)阱間的耦合，原來(lái)在P1

33、下的電荷將在P1、P2兩電極下分布（t=t1）；當(dāng)P1回到低電位時(shí)，電荷包全部流入P2下的勢(shì)阱中（t=t2）。然后，p3的電位升高，P2回到低電位，電荷包從P2下轉(zhuǎn)到P3下的勢(shì)阱（t=t3），以此控制，使P1下的電荷轉(zhuǎn)移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，便實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)。第八章 光電式傳感器2線型CCD圖像傳感器 線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對(duì)應(yīng)的構(gòu)成一個(gè)主體,在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵,如圖4.4-4(a)所示。在每一個(gè)光敏元件上都有一個(gè)梳狀公共電極,由一個(gè)P型溝阻使其在電氣上隔開(kāi)。

34、當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時(shí),光敏元件聚集光電荷,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比。在光積分時(shí)間結(jié)束時(shí),轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時(shí)低電壓),與CCD對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來(lái)的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí),在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖,將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個(gè)過(guò)程重復(fù)地進(jìn)行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形第八章 光電式傳感器 目前，實(shí)用的線型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如圖（b）所示。單、

35、雙數(shù)光敏元件中的信號(hào)電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左向右移動(dòng)，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來(lái)光敏信號(hào)電荷的順序。轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵光積分單元光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光積分區(qū)光積分區(qū)輸出輸出轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵(a)(b)線型線型CCD圖像傳感器圖像傳感器輸出輸出第八章 光電式傳感器3面型CCD圖像傳感器 面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存在三種典型結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。 圖(a)所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器

36、將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號(hào)由信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。第八章 光電式傳感器二相驅(qū)動(dòng)二相驅(qū)動(dòng)視頻輸出視頻輸出 行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅(qū)動(dòng)感光區(qū)溝阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光區(qū) 存儲(chǔ)區(qū)析像單元 視頻輸出輸出柵串行讀出面型面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)圖像傳感器結(jié)構(gòu)(a)(b)第八章 光電式傳感器 圖（b）所示結(jié)構(gòu)增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲(chǔ)區(qū)。在正常垂直回掃周期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲(chǔ)區(qū)。在垂直回掃結(jié)束后，感光區(qū)回復(fù)到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)的整個(gè)電荷圖像向下移動(dòng)

37、，每次總是將存儲(chǔ)區(qū)最底部一行的電荷信號(hào)移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動(dòng)以視頻信號(hào)輸出。當(dāng)整幀視頻信號(hào)自存儲(chǔ)移出后，就開(kāi)始下一幀信號(hào)的形成。該CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高、電極簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但增加了存儲(chǔ)器。第八章 光電式傳感器光柵報(bào)時(shí)鐘光柵報(bào)時(shí)鐘二相驅(qū)動(dòng)二相驅(qū)動(dòng)輸出寄存器輸出寄存器檢波二極管檢波二極管 視頻輸出視頻輸出垂直轉(zhuǎn)移垂直轉(zhuǎn)移寄存器寄存器感光區(qū)感光區(qū)二相驅(qū)動(dòng)二相驅(qū)動(dòng)(c)第八章 光電式傳感器 圖(c)所示結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將圖(b)中感光元件與存儲(chǔ)元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲(chǔ)單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵打開(kāi)，電荷信號(hào)進(jìn)入

38、存儲(chǔ)區(qū)。隨后，在每個(gè)水平回掃周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)中整個(gè)電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號(hào)在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號(hào)輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡(jiǎn)單，但單元設(shè)計(jì)復(fù)雜，感光單元面積減小，圖像清晰。 目前，面型CCD圖像傳感器使用得越來(lái)越多，所能生產(chǎn)的產(chǎn)品的單元數(shù)也越來(lái)越多，最多已達(dá)10241024像元。我國(guó)也能生產(chǎn)512320像元的面型CCD圖像傳感器。第八章 光電式傳感器三、光電耦合器 光電耦合器是由一發(fā)光元件和一光電傳感器同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。絕緣玻璃發(fā)光二極管透明絕緣體光敏三極管塑料發(fā)光二極管光敏三極管透明樹脂1. 光電耦合器的

39、結(jié)構(gòu)采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中部對(duì)接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏二極管對(duì)準(zhǔn)，以此來(lái)提高靈敏度。(a)金屬密封型(b)塑料密封型采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹脂固定，具有集光作用，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。第八章 光電式傳感器2. 2. 光電耦合器的組合形式光電耦合器的組合形式 光電耦合器的組合形式有多種，如圖4.4-7所示。 (a)(b)(c)(d)光電耦合器的組合形式光電耦合器的組合形式該形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，通常用于該形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。以下工作頻率的裝置內(nèi)。該形式采用高速開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合該形式采

40、用高速開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器器,適用于較高頻率的裝置中。適用于較高頻率的裝置中。該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動(dòng)和較低效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動(dòng)和較低頻率的裝置中。頻率的裝置中。該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。率的光電耦合器。第八章 光電式傳感器一、煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀一、煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測(cè)、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。煙道里的煙塵濁度是用通過(guò)光在煙道里傳輸過(guò)程

41、中的變化大小來(lái)檢測(cè)的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測(cè)器的光減少，因而光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。第五節(jié)第五節(jié) 光電傳感器的應(yīng)用舉例光電傳感器的應(yīng)用舉例第八章 光電式傳感器平行光源光電探測(cè)放大顯示刻度 校正報(bào)警器吸收式煙塵濁度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖吸收式煙塵濁度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖煙道第八章 光電式傳感器二、光電轉(zhuǎn)速傳感器二、光電轉(zhuǎn)速傳感器2312 31(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖 下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。圖(a)是在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過(guò)盤上小孔到達(dá)光敏二

42、極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。 在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接電敏感器件間斷地接收光的反射信號(hào)，轉(zhuǎn)收光的反射信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。換為電脈沖信號(hào)。第八章 光電式傳感器三、光電池應(yīng)用三、光電池應(yīng)用 光電池主要有兩大類型的應(yīng)用： 將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽(yáng)能電池。這是人們探索新能源

43、的一個(gè)重要研究課題。太陽(yáng)能電池已在宇宙開(kāi)發(fā)、航空、通信設(shè)施、太陽(yáng)電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著太陽(yáng)電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本會(huì)逐漸下降，太陽(yáng)電池將獲得更廣泛的應(yīng)用。 將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需要光電池具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短等特性，但不必需要像太陽(yáng)電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。 光電池應(yīng)用舉例如下： 第八章 光電式傳感器1 1太陽(yáng)電池電源太陽(yáng)電池電源 太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一個(gè)直流交流變換器，太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)框圖如圖。 調(diào)節(jié)控制器逆

44、變器 交流負(fù)載太陽(yáng)電池方陣 直流負(fù)載太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)阻塞二極管第八章 光電式傳感器2 2光電池在光電檢測(cè)和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用光電池在光電檢測(cè)和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用 光電池作為光電探測(cè)使用時(shí)，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時(shí)不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測(cè)距、激光準(zhǔn)直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等。第八章 光電式傳感器(a) 光電追蹤電路光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2 圖(a)為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當(dāng)入射光通量相同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí)，電路輸出差動(dòng)信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目