第8章光電式傳感器2

1、中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.1 8.1 光電效應光電效應8.2 8.2 光電器件光電器件8.3 8.3 光纖傳感器光纖傳感器 主要內容主要內容中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器概述概述中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光光 電電 鼠鼠 標標電電梯梯自自動動啟啟停停概述概述中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光電管光電管光敏電阻光敏電阻光敏二極管光敏二極管光電池光電池概述概述中國礦業(yè)大學計算

2、機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光電耦合器光電耦合器光電開關光電開關光纖光纖光柵光柵概述概述中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光電效應可分為：光電效應可分為： 外光電效應外光電效應 內光電效應內光電效應 8.1 8.1 光電效應光電效應 光可以認為是由具有一定能量的粒子所組成，而每一個光可以認為是由具有一定能量的粒子所組成，而每一個粒子具有的能量粒子具有的能量E E與其頻率大小成正比，光照射就可看成是與其頻率大小成正比，光照射就可看成是一連串具有能量一連串具有能量E E的粒子轟擊在物體上，物體吸收了這些能的粒

3、子轟擊在物體上，物體吸收了這些能量為量為E E的粒子后產(chǎn)生的效應為的粒子后產(chǎn)生的效應為光電效應光電效應。光電導效應光電導效應 光生伏特效應光生伏特效應中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 在光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱在光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效外光電效應應。 光照射物體時，電子吸收入射光子的能量，每個光照射物體時，電子吸收入射光子的能量，每個 光子具有的能量是：光子具有的能量是： EhhJ S 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)( ) ( ) 光的頻率（光的頻率（HzHz），波長短，頻率高，能量），波長短，頻率高，能量大中國礦業(yè)

4、大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器能否產(chǎn)生外光電效應，取決于光子的能量是否能否產(chǎn)生外光電效應，取決于光子的能量是否大于物體表面的電子逸出功。大于物體表面的電子逸出功。 8.1 8.1 光電效應光電效應 如果光子的能量如果光子的能量E E大于電子的逸出功大于電子的逸出功A A，這時逸，這時逸出物體表面的電子就具有動能，產(chǎn)生光電子發(fā)射。出物體表面的電子就具有動能，產(chǎn)生光電子發(fā)射。 2012EhmvA由能量守恒定律有由能量守恒定律有：常見的器件有常見的器件有光電管、光電光電管、光電倍增管等倍增管等中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光

5、電式傳感器光電式傳感器u光電導效應：光電導效應： 入射光強改變物質導電率的物理現(xiàn)象稱入射光強改變物質導電率的物理現(xiàn)象稱光電導效應光電導效應。 這種效應幾乎所有高電阻這種效應幾乎所有高電阻 率半導體都有，為使電子從率半導體都有，為使電子從 價帶激發(fā)到導帶，入射光子價帶激發(fā)到導帶，入射光子 的能量的能量E0E0應大于禁帶寬度應大于禁帶寬度EgEg。 基于光電導效應的光電器件基于光電導效應的光電器件常見的有常見的有光敏電阻光敏電阻。8.1 8.1 光電效應光電效應u在光線的作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或在光線的作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電勢的效應稱為產(chǎn)生光生電勢的效應稱為內光電效應內

6、光電效應。中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器u光生伏特效應：光生伏特效應： 光生伏特效應是半導體材料吸收光能后，在光生伏特效應是半導體材料吸收光能后，在PNPN結上產(chǎn)生電動勢的效應。結上產(chǎn)生電動勢的效應。 為什么為什么PNPN結會因光照產(chǎn)生光生伏特效應呢？結會因光照產(chǎn)生光生伏特效應呢？ 有下面兩種情況：有下面兩種情況： 8.1 8.1 光電效應光電效應中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 當光照射在當光照射在PNPN結時，如果電子能量大于半導體禁帶結時，如果電子能量大于半導體禁帶 寬度（寬度（E0

7、 E0 EgEg）, ,可激發(fā)出電子可激發(fā)出電子空穴對，在空穴對，在 PNPN結內電場作用下空穴移向結內電場作用下空穴移向P P區(qū)，而電子移向區(qū)，而電子移向N N區(qū)，區(qū)， 使使P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，區(qū)之間產(chǎn)生電壓， 這個電壓就是光生電動勢這個電壓就是光生電動勢. . 基于這種效應的器件有基于這種效應的器件有 光電池光電池8.1 8.1 光電效應光電效應中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 處于反偏的處于反偏的PNPN結：結： 無光照時，反向電阻很大，反向電流很小；無光照時，反向電阻很大，反向電流很??； 有光照時，光子能量足夠大產(chǎn)生光

8、生電子有光照時，光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子空穴對，空穴對， 在在PNPN結電場作用下，形成光電流，結電場作用下，形成光電流， 光照越大光電流越大。光照越大光電流越大。 具有這種性能的器件有：具有這種性能的器件有： 光敏二極管、光敏晶體管光敏二極管、光敏晶體管. .8.1 8.1 光電效應光電效應中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光電器件是將光能轉換為電能的一種傳感器件光電器件是將光能轉換為電能的一種傳感器件, , 它是構成光電式傳感器最主要的部件。它是構成光電式傳感器最主要的部件。8.2 8.2 光電器件光電器件光電器件工作的物理基礎是光電器

9、件工作的物理基礎是光電效應光電效應：中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件 1.1.光電管光電管RUI光強 當光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量當光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量E E大于電大于電子的逸出功子的逸出功A A（E EA A），會有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子），會有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，被帶有正電的陽極吸引， 在光電管內形成電子流，在光電管內形成電子流， 電流在回路電阻電流在回路電阻R R上產(chǎn)生上產(chǎn)生 正比于電流大小的壓降。正比于電流大小的壓降。因此因此中國礦業(yè)大學計算

10、機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件 1. 1.光電管光電管中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件2.2.光電倍增管光電倍增管光電倍增管是利用二次電子釋放光電倍增管是利用二次電子釋放效應，高速電子撞擊固體表面，發(fā)效應，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內進行出二次電子，將光電流在管內進行放大。放大。中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光敏電阻的工作原理是基于光電導效應，其結構是在玻光敏電阻的

11、工作原理是基于光電導效應，其結構是在玻璃底板上涂一層對光敏感的半導體物質，兩端有金屬電極，璃底板上涂一層對光敏感的半導體物質，兩端有金屬電極，然后在半導體上覆蓋一層漆膜。然后在半導體上覆蓋一層漆膜。 光敏電阻結構及符號光敏電阻結構及符號 8.2 8.2 光電器件光電器件 3.3.光敏電阻光敏電阻中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光敏電阻光照特性光敏電阻光照特性 無光照時，內部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；無光照時，內部電子被原子束縛，具有很高的電阻值； 有光照時，電阻值隨光強增加而降低；有光照時，電阻值隨光強增加而降低； 光照停止時，自由電

12、子與空穴復合，電阻恢復原值。光照停止時，自由電子與空穴復合，電阻恢復原值。 光敏電阻主要參數(shù)光敏電阻主要參數(shù) 暗電阻暗電阻無光照時的電阻；無光照時的電阻； 暗電流暗電流無光照時的電流；無光照時的電流； 亮電阻、亮電流亮電阻、亮電流受光照時的阻值、電流；受光照時的阻值、電流； 光電流光電流亮電流與暗電流之差稱光電流亮電流與暗電流之差稱光電流 。8.2 8.2 光電器件光電器件 3. 3.光敏電阻光敏電阻 光敏電阻具有光譜特性好、光敏電阻具有光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長、體積小的特點，使用壽命長、體積小的特點，因此應用廣泛。因此應用廣泛。中國礦業(yè)大學計

13、算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 伏安特性伏安特性 給定偏壓給定偏壓 光照越大光電流越大；光照越大光電流越大； 給定光照度給定光照度 電壓越大光電流越大；電壓越大光電流越大； 光敏電阻的伏安特性光敏電阻的伏安特性 曲線不彎曲、無飽和，曲線不彎曲、無飽和， 但受最大功耗限制。但受最大功耗限制。 8.2 8.2 光電器件光電器件 3.3.光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性光敏電阻伏安特性光敏電阻伏安特性中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光譜特性光譜特性 光敏電阻靈敏度與入射波長有關光敏電阻靈敏度與入射波長有關;

14、 ; 光敏電阻靈敏度與半導體摻雜的材料有關，光敏電阻靈敏度與半導體摻雜的材料有關， 例圖：例圖： 硫化鎘（硫化鎘（CdSCdS）0.30.30.8(m) 0.8(m) 硫化鉛（硫化鉛（PbSPbS）1.01.03.5(m) 3.5(m) 銻化銦（銻化銦（InSbInSb）1.01.07.3(m) 7.3(m) 8.2 8.2 光電器件光電器件 3.3.光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光敏電阻的頻率特性光敏電阻的頻率特性100806040200101001000100002硫化鉈硫化鉈1硫化鉛硫化鉛f / HzS

15、r / % 光電器件相對光譜靈敏光電器件相對光譜靈敏度度( (輸出端電壓輸出端電壓( (電流電流) )的振的振幅幅) )隨調制光頻率的變化關隨調制光頻率的變化關系稱為光電器件的頻率特性。系稱為光電器件的頻率特性。由于光電器件有一定的惰性由于光電器件有一定的惰性, ,在一定幅度的正弦調制光照在一定幅度的正弦調制光照射下射下, ,當頻率較低時當頻率較低時, ,靈敏度靈敏度與頻率無關與頻率無關; ;若頻率增高若頻率增高, ,靈靈敏度就會逐漸降低。敏度就會逐漸降低。頻率特性頻率特性8.2 8.2 光電器件光電器件 3.3.光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第

16、8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 溫度特性溫度特性 光敏電阻的靈敏度、光敏電阻的靈敏度、 暗電流與溫度的關系。暗電流與溫度的關系。 1008060402001.02.03.04.0入射光波長 /m相對靈敏度 / 20 208.2 8.2 光電器件光電器件 3.3.光敏電阻光敏電阻基本特性基本特性中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光敏電阻開關電路光敏電阻開關電路8.2 8.2 光電器件光電器件 3.3.光敏電阻光敏電阻應用應用( (測試電路測試電路) )中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 8.

17、2 8.2 光電器件光電器件 4. 4. 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏晶體管工作原理主要基于內光電效應。光敏晶體管工作原理主要基于內光電效應。 特點：響應速度快、頻率響應好、靈敏度高、特點：響應速度快、頻率響應好、靈敏度高、 可靠性高可靠性高; ; 廣泛應用于可見光和遠紅外探測，以及自動控制、自動報廣泛應用于可見光和遠紅外探測，以及自動控制、自動報警、自動計數(shù)等領域和裝置。警、自動計數(shù)等領域和裝置。 中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件 4. 4. 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管

18、 光敏二極管光敏二極管 光敏二極管結構與一般二光敏二極管結構與一般二極管相似，它們都有一個極管相似，它們都有一個P PN N結，并且都是單向導電結，并且都是單向導電的非線性元件。為了提高轉的非線性元件。為了提高轉換效率大面積受光，換效率大面積受光，PNPN結面結面積比一般二極管大。積比一般二極管大。中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器工作原理：工作原理： 光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)， 無光照時，反向電阻很大，無光照時，反向電阻很大， 反向電流很小；反向電流很?。?有光照時，有光照時，PNPN結處

19、產(chǎn)生光生結處產(chǎn)生光生 電子空穴對；電子空穴對； 在電場作用下形成光電流，在電場作用下形成光電流， 光照越強光電流越大；光照越強光電流越大； 光電流方向與反向電流一致。光電流方向與反向電流一致。 8.2 8.2 光電器件光電器件 4.4.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏二極管光敏二極管 光敏二極管基本電路光敏二極管基本電路 中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器v 基本特性：基本特性： （自學）（自學）P133 P133 光照特性，光照特性， 光譜特性光譜特性 伏伏安特性安特性 頻率特性頻率特性 溫度特性溫度特性8.2 8.2 光電

20、器件光電器件 4.4.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏二極管光敏二極管中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 伏安特性伏安特性 當反向偏壓較低時，光電當反向偏壓較低時，光電流隨電壓變化比較敏感，流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，光生隨反向偏壓的加大，光生電流趨于飽和，這時光生電流趨于飽和，這時光生電流與所加偏壓幾乎無關，電流與所加偏壓幾乎無關，只取決于光照強度。只取決于光照強度。光敏二極管的伏安特性光敏二極管的伏安特性8.2 8.2 光電器件光電器件 4.4.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏二極管光敏二極管

21、中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 與普通晶體管不同的是，光敏晶與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極體管是將基極集電極結作為光敏集電極結作為光敏二極管，集電結做受光結。二極管，集電結做受光結。 大多數(shù)光敏晶體管的基極無引線，大多數(shù)光敏晶體管的基極無引線，集電結加反偏。玻璃封裝上有個小集電結加反偏。玻璃封裝上有個小孔，讓光照射到集電結?？祝尮庹丈涞郊娊Y。8.2 8.2 光電器件光電器件 4.4.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管光敏三極管光敏三極管光敏晶極管結構光敏晶極管結構 NNPb b ICOICN輸入光輸入光發(fā)射極發(fā)射極電

22、極電極基極電極基極電極ICO基極基極 B集電極集電極 C發(fā)射極發(fā)射極 E保護膜保護膜(SiO2)集電極電極集電極電極(a)中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 硅（硅（SiSi）光敏晶體極管一般都是）光敏晶體極管一般都是NPNNPN結構，光照射在集電結結構，光照射在集電結的基區(qū)，產(chǎn)生電子、空穴，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下的基區(qū)，產(chǎn)生電子、空穴，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高，這樣，發(fā)正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高，這樣，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，射極便有大

23、量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流增益。在負載電阻使晶體管具有電流增益。在負載電阻RLRL上的上的輸出電壓為：輸出電壓為： 0pLViRbb晶體管電流放大系數(shù)晶體管電流放大系數(shù) 8.2 8.2 光電器件光電器件 4.4.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管光敏三極管光敏三極管中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器補應用補應用8.2 8.2 光電器件光電器件4.4.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光電池工作原理也是基于光

24、生伏特效應，可以直接將光能光電池工作原理也是基于光生伏特效應，可以直接將光能轉換成電能的器件。有光線作用時就是電源，廣泛用于宇航轉換成電能的器件。有光線作用時就是電源，廣泛用于宇航電源，另一類用于檢測和自動控制等。電源，另一類用于檢測和自動控制等。 光電池種類很多，有硒光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化光電池種類很多，有硒光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等。銅等等。8.2 8.2 光電器件光電器件 5.5.光電池（有源器件）光電池（有源器件）光光 電電 池池 符符 號號中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件5.5.光電

25、池（有源器件）結構光電池（有源器件）結構 結構：光電池實質是一個大面積結構：光電池實質是一個大面積PNPN結，上電極為柵狀受光電結，上電極為柵狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。極，下電極是一層襯底鋁。 原理：當光照射原理：當光照射PNPN結的一個面時，電子結的一個面時，電子空穴對迅速擴散，空穴對迅速擴散，在結電場作用下建立一個與光照強度有關的電動勢。一般可產(chǎn)在結電場作用下建立一個與光照強度有關的電動勢。一般可產(chǎn)生生0.2V0.2V0.6V0.6V電壓電壓50mA50mA電流。電流。 光電池結構光電池結構 光電池工作原理圖光電池工作原理圖 中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章

26、 光電式傳感器光電式傳感器光照特性光照特性 開路電壓開路電壓短路電流短路電流光譜特性光譜特性頻率特性頻率特性溫度特性溫度特性8.2 8.2 光電器件光電器件5.5.光電池（有源器件）特性光電池（有源器件）特性中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器v 電路連接電路連接 光電池作為控制元件時通常接非線性負載，光電池作為控制元件時通常接非線性負載，控制晶體管工作?？刂凭w管工作。 光電池作為電源使用時，根據(jù)使用要求進行光電池作為電源使用時，根據(jù)使用要求進行連接。連接。 需要高電壓時應將光電池串聯(lián)使用；需要高電壓時應將光電池串聯(lián)使用； 需要大電流時應將光電

27、池并聯(lián)使用。需要大電流時應將光電池并聯(lián)使用。 8.2 8.2 光電器件光電器件 5.5.光電池（有源器件）光電池（有源器件）中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 硅管的發(fā)射結導通電壓為硅管的發(fā)射結導通電壓為0.6V0.6V0.7V0.7V，光電池的，光電池的 0.5V0.5V電壓起不到控制作用，可將兩個光電池串聯(lián)電壓起不到控制作用，可將兩個光電池串聯(lián) 后接入基極，或用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。后接入基極，或用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。 有光照度變化時，引起基極電流有光照度變化時，引起基極電流IbIb變化，集電極變化，集電極 電流發(fā)生電流發(fā)生倍的變化。電流

28、倍的變化。電流IcIc與光照近似線性關系。與光照近似線性關系。中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件 6.6.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和光電接收元件合并使用, , 以光作為媒介傳遞信號以光作為媒介傳遞信號的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導體的發(fā)光二極管體的發(fā)光二極管, , 光電接收元件有光敏電阻、光敏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等。根

29、據(jù)其結構和二極管、光敏三極管或光可控硅等。根據(jù)其結構和用途不同，又可分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器用途不同，又可分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關。和用于檢測有無物體的光電開關。 中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 又稱光電隔離器又稱光電隔離器: :“光耦光耦”器件由發(fā)光元件和接收光器件由發(fā)光元件和接收光敏元件（光敏電阻、光敏二極管、晶體管等）集成敏元件（光敏電阻、光敏二極管、晶體管等）集成在一起，發(fā)光管輻射可見光或紅外光，受光器件在在一起，發(fā)光管輻射可見光或紅外光，受光器件在光輻射作用下控制輸出電流大小。通過電光輻射作

30、用下控制輸出電流大小。通過電光、光、光光電，兩次轉換進行輸入輸出耦合。電，兩次轉換進行輸入輸出耦合。8.2 8.2 光電器件光電器件6.6.光電耦合器件光電耦合器件( (光電耦合器光電耦合器) )中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內內, , 一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。 耦合器常見的耦合器常見的組合形式如下圖所示。組合形式如下圖所示。 光電耦合器實際上是一個電量隔離轉換器光電耦合器實際上是一個電量隔離轉換器, , 它具有抗干擾性

31、它具有抗干擾性能和單向信號傳輸功能能和單向信號傳輸功能, , 廣泛應用在電路隔離、電平轉換、廣泛應用在電路隔離、電平轉換、噪聲抑制、無觸點開關等場合噪聲抑制、無觸點開關等場合. . 8.2 8.2 光電器件光電器件6.6.光電耦合器件光電耦合器件( (光電耦合器光電耦合器) )中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光電耦合器用于光電耦合器用于天然氣點火器電路天然氣點火器電路8.2 8.2 光電器件光電器件6.6.光電耦合器件光電耦合器件( (光電耦合器光電耦合器) )中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感

32、器 透射式，當不透明物質位于中透射式，當不透明物質位于中間時會阻斷光路，接受器產(chǎn)生間時會阻斷光路，接受器產(chǎn)生相應的電信號。相應的電信號。 反射式，光電開關的發(fā)射與接反射式，光電開關的發(fā)射與接受器件光軸在同一平面上，以受器件光軸在同一平面上，以某一角度相交，交點處為待測某一角度相交，交點處為待測點，當有物體經(jīng)過待測點時，點，當有物體經(jīng)過待測點時，接受元件接收到物體表面反射接受元件接收到物體表面反射的光線。的光線。8.2 8.2 光電器件光電器件6.6.光電耦合器件光電耦合器件( (光電開關光電開關) ) 光電開關結構與外形光電開關結構與外形中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章

33、章 光電式傳感器光電式傳感器6.6.應用應用( (鼠標鼠標) )電路板上的光電收發(fā)器（感應垂電路板上的光電收發(fā)器（感應垂直軌跡轉軸和水平軌跡轉軸上的直軌跡轉軸和水平軌跡轉軸上的圓盤光柵的移動，光敏三極管在圓盤光柵的移動，光敏三極管在接收發(fā)光二極管發(fā)出的光時被圓接收發(fā)光二極管發(fā)出的光時被圓盤光柵間斷地阻擋，產(chǎn)生與二維盤光柵間斷地阻擋，產(chǎn)生與二維空間位移相關的脈沖信號。空間位移相關的脈沖信號。中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 當光電鼠標移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組當光電鼠標移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像。最后利用光電鼠

34、標內部的一塊專高速拍攝的連貫圖像。最后利用光電鼠標內部的一塊專用圖像分析芯片（用圖像分析芯片（DSPDSP，即數(shù)字微處理器）對移動軌跡，即數(shù)字微處理器）對移動軌跡上攝取的一系列圖像進行分析處理，通過對這些圖像上上攝取的一系列圖像進行分析處理，通過對這些圖像上特征點位置的變化進行分析，來判斷鼠標的移動方向和特征點位置的變化進行分析，來判斷鼠標的移動方向和移動距離。移動距離。6.6.應用應用( (鼠標鼠標) )中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件6.6.應用應用討論：如何使用光電耦合器、電阻、討論：如何使用光電耦合器、

35、電阻、NPNNPN三極管搭建基三極管搭建基本邏輯電路（本邏輯電路（A A、B B為輸入信號，為輸入信號，C C為輸出信號）為輸出信號） BACBACC=A+B C=AB B 中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器BACBAC8.2 8.2 光電器件光電器件6.6.應用應用中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器C=A+BC=A+B C=AB 8.2 8.2 光電器件光電器件6.6.應用應用中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 電荷耦合器件，又稱電荷耦合器件，

36、又稱CCDCCD圖象傳感器，是一種大規(guī)模集成電圖象傳感器，是一種大規(guī)模集成電路光電器件路光電器件, ,它以電荷為信號，具有具有光電信號轉換，存它以電荷為信號，具有具有光電信號轉換，存儲、轉移并讀出信號電荷的功能儲、轉移并讀出信號電荷的功能。 特點：集成度高、尺寸小、電壓低（特點：集成度高、尺寸小、電壓低（DC7DC712V12V）、功耗小。）、功耗小。 該技術的發(fā)展促進了各種視頻裝置的普及和微型化，應用遍該技術的發(fā)展促進了各種視頻裝置的普及和微型化，應用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個領域。及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個領域。8.2 8.2 光電器件光電器件

37、 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） ChargeChargeCoupled DevicesCoupled Devices 中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件電荷耦合器件電荷耦合器件基于基于CCDCCD光電耦器件的輸入設備：光電耦器件的輸入設備：數(shù)字攝像機、數(shù)字相機、平板掃數(shù)字攝像機、數(shù)字相機、平板掃描儀、指紋機描儀、指紋機中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）CCDCCD基本結構和工作

38、原理基本結構和工作原理 CCD CCD的基本單元是的基本單元是MOS MOS （金屬（金屬氧化氧化物物半導體半導體.）電容器，與其它電容器一）電容器，與其它電容器一樣，樣，MOSMOS電容器能夠存儲電荷。每一個電容器能夠存儲電荷。每一個MOSMOS結構稱為一個光敏元或像素。結構稱為一個光敏元或像素。 電荷耦合器件是在半導體硅片上制電荷耦合器件是在半導體硅片上制作成百上千（萬）個光敏元，在半導體作成百上千（萬）個光敏元，在半導體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。排列。CCDCCD結構示意圖結構示意圖 顯微鏡下的MOS元表面中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學

39、計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 在這種在這種P P型硅襯底中，在電極施加柵極電壓型硅襯底中，在電極施加柵極電壓VGVG之前，空之前，空穴的分布是均勻的，當電極相對于襯底施加正柵壓穴的分布是均勻的，當電極相對于襯底施加正柵壓VGVG時，時，在電極下的空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡層，當柵壓繼續(xù)增加，在電極下的空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡層，當柵壓繼續(xù)增加，耗盡層將進一步向半導體內延伸。當光信號照射到耗盡層將進一步向半導體內延伸。當光信號照射到CCDCCD硅片硅片表面時表面時, , 在柵極附近的半導體體內產(chǎn)生電子在柵極附近的半導體體內產(chǎn)生電子- -空穴對空穴對, , 其多其多數(shù)載流子（空穴）被排

40、斥進入襯底數(shù)載流子（空穴）被排斥進入襯底, , 而少數(shù)載流子（電子）而少數(shù)載流子（電子）則被收集在勢阱中則被收集在勢阱中, , 形成信號電荷形成信號電荷, , 并存儲起來。存儲電并存儲起來。存儲電荷的多少正比于照射的光強。荷的多少正比于照射的光強。 如果照射在這些光敏元上是如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖像，那么一幅明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就感生出一幅與這些光敏元就感生出一幅與光照度響應的光生電荷圖像。光照度響應的光生電荷圖像。 中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件 7.7.電荷耦合器件（電荷耦合器件

41、（CCDCCD） 電荷的轉移電荷的轉移 要求要求CCDCCD是由一系列彼此非常靠近的是由一系列彼此非?？拷腗OSMOS電容器組成，電容器組成，用同一半導體做襯底，其上有許多相互絕緣的金屬電極。用同一半導體做襯底，其上有許多相互絕緣的金屬電極。讀出移位寄存器也是讀出移位寄存器也是MOSMOS結構，結構，由金屬電極、氧化物、半導體三由金屬電極、氧化物、半導體三部分組成部分組成中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件 7.7.電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） 讀出讀出中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第

42、第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 CCDCCD器件分為線陣器件分為線陣CCDCCD和面陣和面陣CCDCCD，面陣，面陣CCDCCD又可又可分為線轉移型、幀轉移型、行間轉移型。分為線轉移型、幀轉移型、行間轉移型。 線型線型CCDCCD圖像傳感器主要用在測試、傳真和光圖像傳感器主要用在測試、傳真和光學文字識別技術等方面，面型學文字識別技術等方面，面型CCDCCD圖像傳感器主要圖像傳感器主要用于攝像機及測試技術。用于攝像機及測試技術。 電荷耦合器用于固態(tài)圖像傳感器，作為攝像或像電荷耦合器用于固態(tài)圖像傳感器，作為攝像或像敏的器件。敏的器件。CCDCCD固態(tài)圖像傳感器由感光部分和移位固態(tài)圖像傳感器

43、由感光部分和移位寄存器組成。寄存器組成。8.2 8.2 光電器件光電器件 7.7.電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）CCDCCD器件器件中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 CCDCCD傳感器應用時是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導纖維、傳感器應用時是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學元件結合，主要用來裝配輕濾光鏡及反射鏡等各種光學元件結合，主要用來裝配輕型攝像機、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。型攝像機、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。 CCDCCD應用技術是光、機、電和計算機相結合的高新技術，應用技術是光、機、電和計算機相結合的高新技術，

44、作為一種非常有效的非接觸檢測方法，作為一種非常有效的非接觸檢測方法，CCDCCD被廣泛用于再被廣泛用于再線檢測尺寸、位移、速度、定位和自動調焦等方面。線檢測尺寸、位移、速度、定位和自動調焦等方面。8.2 8.2 光電器件光電器件 7.7.電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） CCD CCD傳感器的應用傳感器的應用 中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.2 8.2 光電器件光電器件 7.7.電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） CCD CCD傳感器的應用傳感器的應用 中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳

45、感器光電式傳感器光導纖維光導纖維簡稱光纖簡稱光纖 光纖傳感器是光纖傳感器是2020世紀世紀7070年代中期發(fā)展起來的一門年代中期發(fā)展起來的一門新技術，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術的發(fā)新技術，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術的發(fā)展，光纖傳感器得到進一步發(fā)展。與其它傳感器展，光纖傳感器得到進一步發(fā)展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點：相比較，光纖傳感器有如下特點： 不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火；不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火； 可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲；可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲； 可以用于高溫、高壓、絕緣性能好，耐腐蝕?？梢杂糜诟邷?、高壓、絕緣性能好，耐腐

46、蝕。8.3 8.3 光纖傳感器光纖傳感器中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.3 8.3 光纖傳感器光纖傳感器1.1.光纖的結構和傳輸原理光纖的結構和傳輸原理 光纖結構：光纖結構：基本采用石英玻璃，基本采用石英玻璃， 有不同摻雜，主要有不同摻雜，主要 由三部分組成由三部分組成 中心中心纖芯；纖芯； 外層外層包層；包層； 護套護套尼龍料。尼龍料。 光導纖維的導光能力取決于纖芯和包層的性質，光導纖維的導光能力取決于纖芯和包層的性質， 纖芯折射率纖芯折射率N1N1略大于包層折射率略大于包層折射率N2N2（N1N1N2N2）。）。中國礦業(yè)大學計算機學院

47、中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器8.3 8.3 光纖傳感器光纖傳感器1.1.光纖的結構和傳輸原理光纖的結構和傳輸原理 光纖的傳光原理：光纖的傳光原理： 光纖的傳播基于光的光纖的傳播基于光的全反射全反射。當光線以不同角。當光線以不同角 度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進入光纖；度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進入光纖； v 光線在光纖端面入射角光線在光纖端面入射角減小到某一角度減小到某一角度cc時，光線全時，光線全部反射。部反射。 v 只要只要cc，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。前傳播，

48、最后從另一端面射出。2211sinsinnn中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器為保證全反射，必須滿足全反射條件（即為保證全反射，必須滿足全反射條件（即cc） 實現(xiàn)全反射的臨界入射角為：實現(xiàn)全反射的臨界入射角為： 221201a rc s in ()cNNN空氣中空氣中01N 2212arcsin()cNNv 可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質（可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質（N1N1、N2N2）決定的，與光纖的幾何尺寸無關。）決定的，與光纖的幾何尺寸無關。中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式

49、傳感器光電式傳感器8.3 8.3 光纖傳感器光纖傳感器2.2.光纖的性能（幾個重要參數(shù)）光纖的性能（幾個重要參數(shù)） 數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NANA） 臨界入射角臨界入射角cc的正弦函數(shù)定義為光纖的數(shù)值孔徑的正弦函數(shù)定義為光纖的數(shù)值孔徑. . 221201sincNANNN空氣中：空氣中：2212NANN12()NN中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器NANA表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在大，只要在22c c張角之內的入射光才能被光纖接收、張角之內的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超

50、出這一范圍，光線會進入包層漏傳播。若入射角超出這一范圍，光線會進入包層漏光。光。 一般一般NANA越大集光能力越強，但越大集光能力越強，但NANA越大光信號畸變越越大光信號畸變越大，要選擇適當。大，要選擇適當。 產(chǎn)品光纖不給出折射率產(chǎn)品光纖不給出折射率N N，只給數(shù)值孔徑，只給數(shù)值孔徑NANA，石英光，石英光纖的數(shù)值孔徑一般為纖的數(shù)值孔徑一般為0.2-0.40.2-0.4。NANA意義討論：意義討論：中國礦業(yè)大學計算機學院中國礦業(yè)大學計算機學院第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器 光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方式，不同入射光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方式，不同入射角度光線在界面上反射的次數(shù)不同，光波之間的干涉產(chǎn)角度光線在界面上反射的次數(shù)不同，光波之間的干涉產(chǎn)生的強度分布也不同。可分為單模和多模。生的強度分布也不同。可分為單模和多模。8.3 8.3 光纖傳感器光纖傳感器2.2.光纖的性能（幾個重要參數(shù)）光纖的性能（幾個重要參數(shù)） 光纖模式光纖模式模式值越大，允許傳播的模式值越多。在信息傳播中，模式值越大，允許傳播的模式值越多。在信息傳播中，若同一光信號采用多種模式會使光信號分不同時間到達若同一光信號采用多種模式會使光信號分不同時間到達多個信號，導致合成信