光電探測(cè)器第一組

1、光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)1光電探測(cè)器光電探測(cè)器成員：2光電探測(cè)器光電探測(cè)器n光電探測(cè)器原理介紹光電探測(cè)器原理介紹n光電探測(cè)器參數(shù)特性光電探測(cè)器參數(shù)特性n光電探測(cè)器分類(lèi)光電探測(cè)器分類(lèi)n幾種常見(jiàn)的光電探測(cè)器幾種常見(jiàn)的光電探測(cè)器n光電探測(cè)器應(yīng)用光電探測(cè)器應(yīng)用3定義定義 光電探測(cè)： 光輻射流照射到物體表面，將被測(cè)信息轉(zhuǎn)換為光信號(hào)變化，再轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行處理分析的技術(shù)。光信號(hào)電信息，檢測(cè)41 光電效應(yīng)光電效應(yīng)5n光電效應(yīng)包括光電效應(yīng)包括外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)和和內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)。1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)6外光電效應(yīng)：材料受到光照后，向外發(fā)射電子的現(xiàn)象。外光電效應(yīng)：材料受到光照后，向外發(fā)射電子的現(xiàn)象。 1.

2、 光電管光電管 由光電陰極由光電陰極K和陽(yáng)極和陽(yáng)極A組成。組成。K接電源負(fù)極，接電源負(fù)極，A通過(guò)負(fù)載電阻通過(guò)負(fù)載電阻RL接電源正極。接電源正極。 2. 光電倍增管光電倍增管 由光電陰極由光電陰極K、倍增極、倍增極D和陽(yáng)極和陽(yáng)極A組成。經(jīng)過(guò)倍增極放大組成。經(jīng)過(guò)倍增極放大的電子被陽(yáng)極收集，形成陽(yáng)極電流的電子被陽(yáng)極收集，形成陽(yáng)極電流 ，在負(fù)載，在負(fù)載電阻電阻RL上產(chǎn)生信號(hào)電壓上產(chǎn)生信號(hào)電壓Uo。( KnKAIII NN21/ 二次發(fā)射系數(shù)二次發(fā)射系數(shù))71 光電效應(yīng)光電效應(yīng)81 光電效應(yīng)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：材料受光照后，電阻減小、導(dǎo)電性增加的現(xiàn)象。光電導(dǎo)效應(yīng)：材料受光照后，電阻減小、導(dǎo)電性增加的現(xiàn)象

3、。 內(nèi)光電效應(yīng)又分為內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和和光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)。91 光電效應(yīng)光電效應(yīng) RG2用遮光罩覆蓋，起溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。?dāng)帶材位于中間用遮光罩覆蓋，起溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。?dāng)帶材位于中間位置時(shí)，調(diào)節(jié)位置時(shí)，調(diào)節(jié)Rp使電橋平衡，輸出電壓使電橋平衡，輸出電壓Uo為零。如果帶材在為零。如果帶材在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中跑偏，則運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中跑偏，則RG1的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，Uo的大小和正負(fù)分別反映了帶材跑偏的程度和方向。的大小和正負(fù)分別反映了帶材跑偏的程度和方向。 帶材跑偏檢測(cè)帶材跑偏檢測(cè) 101 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)：材料受光照后，光生載流

4、子光生伏特效應(yīng)：材料受光照后，光生載流子(電子電子-空穴對(duì)空穴對(duì))在空間分開(kāi)而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。在空間分開(kāi)而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。1. 光敏二極管：一個(gè)光敏二極管：一個(gè)PN結(jié)，單向?qū)щ娊Y(jié)，單向?qū)щ?無(wú)光照時(shí)光敏二極管的反向無(wú)光照時(shí)光敏二極管的反向電阻很大，反向電流很小，電阻很大，反向電流很小，此時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流。有光照此時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流。有光照射時(shí)射時(shí)PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電結(jié)附近產(chǎn)生光生電子子-空穴對(duì)，并在反向電壓作用下空穴對(duì)，并在反向電壓作用下參與導(dǎo)電，形成光電流參與導(dǎo)電，形成光電流Ip，且光電流的大小與光照強(qiáng)度成正且光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比。比。工作在反偏狀態(tài)。工作在反偏狀態(tài)。 111

5、光電效應(yīng)光電效應(yīng) 晚上無(wú)光照時(shí)，流過(guò)晚上無(wú)光照時(shí)，流過(guò)VD的電流很小，的電流很小，A點(diǎn)電位升高，點(diǎn)電位升高，V1和V2都導(dǎo)通，繼電器都導(dǎo)通，繼電器K通電，常開(kāi)觸點(diǎn)通電，常開(kāi)觸點(diǎn)K1吸合，路燈點(diǎn)亮。吸合，路燈點(diǎn)亮。 白天有光照時(shí)，流過(guò)白天有光照時(shí)，流過(guò)VD的電流增加，的電流增加，A點(diǎn)電位降低，點(diǎn)電位降低，V1和V2均截止，繼電器均截止，繼電器K斷電，常開(kāi)觸點(diǎn)斷電，常開(kāi)觸點(diǎn)K1斷開(kāi)，路燈熄滅。斷開(kāi)，路燈熄滅。 n 光電二極管控制路燈 121 光電效應(yīng)光電效應(yīng)2. 光敏三極管：兩個(gè)光敏三極管：兩個(gè)PN結(jié)，具有電流放大作用結(jié)，具有電流放大作用 光敏三極管基極電流不僅受基極電壓控制，還受光照控光敏三極管

6、基極電流不僅受基極電壓控制，還受光照控制。當(dāng)有光照射時(shí)，在集電結(jié)附近產(chǎn)生光生電子制。當(dāng)有光照射時(shí)，在集電結(jié)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，在空穴對(duì)，在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電子流向集電極，空穴流向基極，相當(dāng)于內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電子流向集電極，空穴流向基極，相當(dāng)于外界向基極注入了控制電流。而基極、集電極、發(fā)射極又構(gòu)外界向基極注入了控制電流。而基極、集電極、發(fā)射極又構(gòu)成一個(gè)具有放大作用的三極管，完成光電流的放大。成一個(gè)具有放大作用的三極管，完成光電流的放大。131 光電效應(yīng)光電效應(yīng)產(chǎn)品計(jì)數(shù)產(chǎn)品計(jì)數(shù) 當(dāng)被測(cè)對(duì)象位于發(fā)光二極管當(dāng)被測(cè)對(duì)象位于發(fā)光二極管LED和光敏三極管和光敏三極管V1之間時(shí)，之間時(shí)，V1無(wú)法接收無(wú)法

7、接收LED發(fā)出的光發(fā)出的光(截止截止)，三極管，三極管V2截止，截止，Uo為高電平。為高電平。當(dāng)被測(cè)對(duì)象離開(kāi)后，當(dāng)被測(cè)對(duì)象離開(kāi)后，V1接收接收LED的光的光(導(dǎo)通導(dǎo)通)，V2導(dǎo)通，導(dǎo)通，Uo為低為低電平。電平。Uo經(jīng)整形后接入計(jì)數(shù)電路，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的目的。經(jīng)整形后接入計(jì)數(shù)電路，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的目的。 141 光電效應(yīng)光電效應(yīng)3. 光電池：比光敏二極管的光電池：比光敏二極管的PN結(jié)面積大結(jié)面積大+-PN 當(dāng)光照射當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，結(jié)區(qū)附近產(chǎn)生光生電子結(jié)時(shí)，結(jié)區(qū)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，結(jié)果空穴對(duì)，結(jié)果在在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電位差。用可見(jiàn)光作光源。結(jié)兩端產(chǎn)生電位差。用可見(jiàn)光作光源。 151 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 有

8、光照時(shí)光電池組發(fā)電，為負(fù)載供電，并對(duì)蓄電池充電。有光照時(shí)光電池組發(fā)電，為負(fù)載供電，并對(duì)蓄電池充電。無(wú)光照時(shí)，蓄電池向負(fù)載供電。二極管的作用是防止無(wú)光照無(wú)光照時(shí)，蓄電池向負(fù)載供電。二極管的作用是防止無(wú)光照時(shí)，蓄電池通過(guò)光電池組放電。時(shí)，蓄電池通過(guò)光電池組放電。n 應(yīng)用應(yīng)用n響應(yīng)特性響應(yīng)特性n噪聲特性噪聲特性n量子效率量子效率n線(xiàn)性度線(xiàn)性度n工作溫度工作溫度2 光電探測(cè)器件特性參數(shù)光電探測(cè)器件特性參數(shù)16 靈敏度：靈敏度：也稱(chēng)響應(yīng)度，是光電檢測(cè)器件輸出信號(hào)與輸入光功也稱(chēng)響應(yīng)度，是光電檢測(cè)器件輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測(cè)器件的光率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換

9、效率。電轉(zhuǎn)換效率。q靈敏度隨入射光波長(zhǎng)變化而變化靈敏度隨入射光波長(zhǎng)變化而變化q靈敏度分電壓靈敏度和電流靈敏度靈敏度分電壓靈敏度和電流靈敏度172.1 響應(yīng)特性響應(yīng)特性O(shè)ViUSPOIiISP 光譜靈敏度：光譜靈敏度：探測(cè)器在波長(zhǎng)為探測(cè)器在波長(zhǎng)為 的單色光照射下，輸出電壓或電的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比。流與入射的單色光功率之比。182.1 響應(yīng)特性響應(yīng)特性oViV ()S ()P () ()()()oIiISP 積分靈敏度：積分靈敏度：探測(cè)器輸出電壓或電流與入射總光通量之比。探測(cè)器輸出電壓或電流與入射總光通量之比。100S ()dSd 響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間：描述光電探測(cè)器

10、對(duì)入射光響應(yīng)快慢的參數(shù)。描述光電探測(cè)器對(duì)入射光響應(yīng)快慢的參數(shù)。q上升時(shí)間：入射光照射到光電探測(cè)器后，光電探上升時(shí)間：入射光照射到光電探測(cè)器后，光電探測(cè)器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。測(cè)器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。q下降時(shí)間：入射光遮斷后，光電探測(cè)器輸出下降下降時(shí)間：入射光遮斷后，光電探測(cè)器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。192.1響應(yīng)特性響應(yīng)特性時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 頻率響應(yīng)：頻率響應(yīng)：光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱(chēng)為頻率響應(yīng)。性稱(chēng)為頻率響應(yīng)。202.1 響應(yīng)特性響應(yīng)特性021 212/SS( f )(f) 為頻

11、率為為頻率為f 時(shí)的靈敏度；時(shí)的靈敏度； 為頻率為零時(shí)的靈敏度；為頻率為零時(shí)的靈敏度； 為時(shí)間常數(shù)（等于為時(shí)間常數(shù)（等于RC）。）。 S ( f )0S1122cfRC 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 決定了光電探測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬。決定了光電探測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬。n在一定波長(zhǎng)的光照下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)并在一定波長(zhǎng)的光照下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)并不是平直的，而是在平均值上下隨機(jī)地起伏，它不是平直的，而是在平均值上下隨機(jī)地起伏，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。01( )TIii t dtTn用均方噪聲來(lái)表示噪聲值大小用均方噪聲來(lái)表示噪聲值大小2201( )

12、 ( )( )Ti ti ti tdtT212.2 噪聲特性噪聲特性n噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是極其有害的。噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是極其有害的。n由于噪聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)由于噪聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)信號(hào)特別是微弱信號(hào)的正確探測(cè)。信號(hào)特別是微弱信號(hào)的正確探測(cè)。n一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往受探測(cè)系一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往受探測(cè)系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測(cè)量、通信、自動(dòng)統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測(cè)量、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，減小消除噪聲是十分重要的問(wèn)題?？刂频阮I(lǐng)域，減小消除噪聲是十分重要的問(wèn)題。222.2 噪聲特性噪聲特性光電探測(cè)器常見(jiàn)的噪聲光

13、電探測(cè)器常見(jiàn)的噪聲n熱噪聲熱噪聲n散粒噪聲散粒噪聲n產(chǎn)生產(chǎn)生-復(fù)合噪聲復(fù)合噪聲n1/f噪聲噪聲n暗電流噪聲暗電流噪聲232.2 噪聲特性噪聲特性散粒噪聲散粒噪聲n入射到光探測(cè)器表面的光子是隨機(jī)的，光電子從入射到光探測(cè)器表面的光子是隨機(jī)的，光電子從光電陰極表面逸出也是隨機(jī)的，光電陰極表面逸出也是隨機(jī)的，PN結(jié)中通過(guò)結(jié)區(qū)結(jié)中通過(guò)結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機(jī)的，由此產(chǎn)生的噪聲。的載流子數(shù)也是隨機(jī)的，由此產(chǎn)生的噪聲。n散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無(wú)關(guān)。散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無(wú)關(guān)。n散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性，對(duì)大多數(shù)光散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性，對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)器的研究表明：電探測(cè)器的研究表明：散

14、粒噪聲具有支配地位散粒噪聲具有支配地位。例如光伏器件的例如光伏器件的PN結(jié)勢(shì)壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要結(jié)勢(shì)壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。原因。242.2 噪聲特性噪聲特性2sh2NDCIqIf fD DC Cq q為為電電子子電電荷荷量量；I I是是電電流流的的直直流流分分量量； 是是噪噪聲聲帶帶寬寬。 信噪比信噪比SNRn信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)，是負(fù)載電阻上信信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)，是負(fù)載電阻上信號(hào)功率與噪聲功率之比。號(hào)功率與噪聲功率之比。n若用分貝（若用分貝（dB）表示，為）表示，為2222SSLSNNLNPI RISNPI RI 221020SSNNIISlglgNII 252.2 噪

15、聲特性噪聲特性l 噪聲的評(píng)價(jià)噪聲的評(píng)價(jià)n量子效率量子效率 （ ）：在某一特定波長(zhǎng)上，每秒鐘內(nèi)：在某一特定波長(zhǎng)上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。n對(duì)理想的探測(cè)器，入射一個(gè)光量子發(fā)射一個(gè)電子對(duì)理想的探測(cè)器，入射一個(gè)光量子發(fā)射一個(gè)電子或產(chǎn)生一對(duì)電子空穴對(duì)，或產(chǎn)生一對(duì)電子空穴對(duì)， 即即 =1；但；但實(shí)際上，一實(shí)際上，一般光電元件般光電元件 n2) 。 2. 光纖的種類(lèi)光纖的種類(lèi) 階躍型階躍型漸變型漸變型323 光纖傳感器光纖傳感器 3. 光纖的傳光原理光纖的傳光原理 （全反射現(xiàn)象）（全反射現(xiàn)象）01nn 21nn 全反射條件：全反射條件：12c1/arcs

16、innn NAnnnn022210c001arcsin1arcsin NA 數(shù)值孔徑，與數(shù)值孔徑，與n1和和n2有關(guān)，與光纖的幾何尺寸無(wú)關(guān)有關(guān)，與光纖的幾何尺寸無(wú)關(guān)。333 光纖傳感器光纖傳感器 n 光纖的損耗光纖的損耗當(dāng)光在光纖中傳輸時(shí)，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，當(dāng)光在光纖中傳輸時(shí)，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，這種現(xiàn)象即稱(chēng)為光纖的損耗。損耗一般用損耗系數(shù)這種現(xiàn)象即稱(chēng)為光纖的損耗。損耗一般用損耗系數(shù)表示：表示：oiPPLlg10 ( (單位：?jiǎn)挝唬篸B/km)dB/km) 損耗大小影響光纖的傳輸距離長(zhǎng)短和中繼距離的選擇。損耗大小影響光纖的傳輸距離長(zhǎng)短和中繼距離的選擇。損耗的種

17、類(lèi)損耗的種類(lèi)吸收損耗：來(lái)源于光纖物質(zhì)和雜質(zhì)的吸收作用；吸收損耗：來(lái)源于光纖物質(zhì)和雜質(zhì)的吸收作用；散射損耗：光纖材料的不均勻性和尺寸缺陷；散射損耗：光纖材料的不均勻性和尺寸缺陷；其他損耗：如光纖彎曲也引起散射損耗。其他損耗：如光纖彎曲也引起散射損耗。部分光纖傳感器利用了光纖的損耗特性。部分光纖傳感器利用了光纖的損耗特性。343 光纖傳感器光纖傳感器 n 色散色散 光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，隨傳輸距離增加，光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，隨傳輸距離增加，由于由于不同成分的光傳輸時(shí)延不同引起的脈沖展寬不同成分的光傳輸時(shí)延不同引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)。的物理效應(yīng)。色散主要影響系統(tǒng)的傳輸容量，

18、也對(duì)中繼距離有影響。色散主要影響系統(tǒng)的傳輸容量，也對(duì)中繼距離有影響。色散的色散的大小常用時(shí)延差表示大小常用時(shí)延差表示，時(shí)延差是光脈沖中不同模式或不同波長(zhǎng)，時(shí)延差是光脈沖中不同模式或不同波長(zhǎng)成分傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時(shí)間差。成分傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時(shí)間差。353 光纖傳感器光纖傳感器 n特點(diǎn)：特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，功耗低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，功耗低；靈敏度較高；靈敏度較高；容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控；容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控；幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；傳感器；可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋

19、轉(zhuǎn)等可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；）的器件；電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，可以用于高壓、電氣電絕緣性能好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接。耐腐蝕，防爆，光路有可撓曲性，便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接。364 光柵傳感器光柵傳感器 利用光柵的條紋測(cè)量位移的傳感器。傳感器由標(biāo)尺光利用光柵的條紋測(cè)量位移的傳感器。傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)四部分組成。標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)四部分組成。標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，便形成大致按

20、正弦規(guī)律分布的柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的莫爾條紋。這些條紋以光柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度移明暗相間的莫爾條紋。這些條紋以光柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度移動(dòng)，并直接照射到光電元件上，在輸出端得到一串電脈沖動(dòng)，并直接照射到光電元件上，在輸出端得到一串電脈沖，通過(guò)放大、整形、辨向和計(jì)數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)輸出，通過(guò)放大、整形、辨向和計(jì)數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)輸出，直接顯示被測(cè)的位移量，具有較高的測(cè)量精度。直接顯示被測(cè)的位移量，具有較高的測(cè)量精度。 374 光柵傳感器光柵傳感器 1. 光柵的結(jié)構(gòu)光柵的結(jié)構(gòu) 在玻璃尺在玻璃尺(或金屬尺或金屬尺)上進(jìn)行上進(jìn)行密集刻劃，得到黑白相間的條密集刻劃，得到黑白相

21、間的條紋。柵線(xiàn)的寬度為紋。柵線(xiàn)的寬度為a，縫隙寬度，縫隙寬度為為b，一般取，一般取a=b，a+b=W稱(chēng)作稱(chēng)作光柵的柵距或節(jié)距。光柵的柵距或節(jié)距。 384 光柵傳感器光柵傳感器 n 莫爾條紋莫爾條紋指示光柵和固定光柵錯(cuò)開(kāi)一個(gè)指示光柵和固定光柵錯(cuò)開(kāi)一個(gè)微小的角度，當(dāng)二者發(fā)生相對(duì)微小的角度，當(dāng)二者發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成莫爾條紋。運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成莫爾條紋。 莫爾條紋特點(diǎn)：莫爾條紋特點(diǎn)：位移放大作用位移放大作用誤差平均效應(yīng)誤差平均效應(yīng)394 光柵傳感器光柵傳感器 2 光柵的工作原理光柵的工作原理 WWBCABL 2sin22sin403 辯向原理與細(xì)分技術(shù)辯向原理與細(xì)分技術(shù) 4 光柵傳感器光柵傳感器 1. 辯

22、向原理辯向原理 在相距在相距L/4的位置安裝兩個(gè)光電器件，就可獲得兩路相位的位置安裝兩個(gè)光電器件，就可獲得兩路相位相差相差90o的正弦波信號(hào)的正弦波信號(hào)A和和B。兩路正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)零比較器后。兩路正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)零比較器后得到方波信號(hào)得到方波信號(hào) 和和 送入送入D觸發(fā)器，并將觸發(fā)器，并將D觸發(fā)器輸出信號(hào)觸發(fā)器輸出信號(hào)Q、 分別和分別和 、 做與運(yùn)算，并將做與運(yùn)算，并將 和和 送入可逆計(jì)數(shù)器的控制送入可逆計(jì)數(shù)器的控制端，然后根據(jù)可逆計(jì)數(shù)器加脈沖或減脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)辨向的目的。端，然后根據(jù)可逆計(jì)數(shù)器加脈沖或減脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)辨向的目的。A B QA B A B 414 光柵傳感器光柵傳感器 2. 細(xì)分技術(shù)細(xì)分技

23、術(shù) 直接細(xì)分原理圖直接細(xì)分原理圖 在一個(gè)莫爾條紋間距內(nèi)并列放置四個(gè)光電器件，當(dāng)光柵在一個(gè)莫爾條紋間距內(nèi)并列放置四個(gè)光電器件，當(dāng)光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，可得到相位差相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，可得到相位差90o的四個(gè)脈沖信號(hào)，的四個(gè)脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了四細(xì)分。從而實(shí)現(xiàn)了四細(xì)分。424 光柵傳感器光柵傳感器 光柵位移傳感器：光柵位移傳感器： 將光源、透鏡、指示將光源、透鏡、指示光柵和光電器件固定在機(jī)光柵和光電器件固定在機(jī)床床身上，主光柵固定在床床身上，主光柵固定在機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件上。機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件上。 當(dāng)兩光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)便產(chǎn)生莫爾條紋，該條紋隨光柵以當(dāng)兩光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)便產(chǎn)生莫爾條紋，該條紋隨光柵以一定的速度移動(dòng)

24、，用光電器件檢測(cè)條紋亮度的變化，即可得一定的速度移動(dòng)，用光電器件檢測(cè)條紋亮度的變化，即可得到周期變化的電信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)前置放大器送入數(shù)字顯示到周期變化的電信號(hào)，電信號(hào)通過(guò)前置放大器送入數(shù)字顯示器，直接顯示被測(cè)位移的大小。器，直接顯示被測(cè)位移的大小。435 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） 電荷耦合器件的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它電荷耦合器件的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號(hào)。大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號(hào)。 CCD有線(xiàn)陣和面陣兩種形式，是一種半導(dǎo)體集成器件。有線(xiàn)陣和面陣兩種形式，是一種半導(dǎo)體集成器件。 它由它由MOS光敏元、移位寄存器、電荷

25、轉(zhuǎn)移柵等部分光敏元、移位寄存器、電荷轉(zhuǎn)移柵等部分組成組成。 它可以把光信息轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，而且每個(gè)脈沖只反映一個(gè)光它可以把光信息轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，而且每個(gè)脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映了該光敏元受光照的強(qiáng)弱，輸敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映了該光敏元受光照的強(qiáng)弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這樣就起到了圖像傳感的作用出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這樣就起到了圖像傳感的作用。 它的基本功能是電荷的存儲(chǔ)與電荷的轉(zhuǎn)移。因此它工作過(guò)程的主它的基本功能是電荷的存儲(chǔ)與電荷的轉(zhuǎn)移。因此它工作過(guò)程的主要問(wèn)題就是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。要問(wèn)題就是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存

26、儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。44MOS光敏元的工作原理光敏元的工作原理5 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） 所謂所謂MOS結(jié)構(gòu)一般都以硅作為半導(dǎo)體襯底，在其上熱生長(zhǎng)一層二氧結(jié)構(gòu)一般都以硅作為半導(dǎo)體襯底，在其上熱生長(zhǎng)一層二氧化硅化硅(SiO2)，并在二氧化硅上面淀積具有一定形狀的金屬層。因?yàn)樗怯山穑⒃诙趸枭厦娴矸e具有一定形狀的金屬層。因?yàn)樗怯山饘賹?M)氧化物氧化物(O)半導(dǎo)體半導(dǎo)體(S)三層所組成，故稱(chēng)三層所組成，故稱(chēng)MOS結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。n構(gòu)成構(gòu)成CCD的基本單元是的基本單元是MOS(金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體半導(dǎo)體)電容器電容器nCCD像素?cái)?shù)目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會(huì)越清

27、晰。像素?cái)?shù)目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會(huì)越清晰。451. 線(xiàn)陣線(xiàn)陣CCD外形外形 5 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）465 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）2.面陣面陣CCD面陣面陣CCD能在能在x、y兩個(gè)方向都能實(shí)現(xiàn)電子自?huà)呙?，可以獲得二維圖像。兩個(gè)方向都能實(shí)現(xiàn)電子自?huà)呙?，可以獲得二維圖像。475 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）CCDCCD的主要參量的主要參量 電荷包從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到下一個(gè)勢(shì)阱時(shí)，有電荷包從一個(gè)勢(shì)阱轉(zhuǎn)移到下一個(gè)勢(shì)阱時(shí)，有 部分的電荷轉(zhuǎn)部分的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)去，余下移過(guò)去，余下 部分沒(méi)有被轉(zhuǎn)移，稱(chēng)轉(zhuǎn)移損失率部分沒(méi)有被轉(zhuǎn)移，稱(chēng)轉(zhuǎn)移損失率 1好的好的CCD具有

28、極高的電荷轉(zhuǎn)移效率，一般可達(dá)具有極高的電荷轉(zhuǎn)移效率，一般可達(dá)0.999995，所以電荷在多次，所以電荷在多次轉(zhuǎn)移過(guò)程中的損失可以忽略不計(jì)。轉(zhuǎn)移過(guò)程中的損失可以忽略不計(jì)。n一個(gè)電荷量為一個(gè)電荷量為Qo的電荷包，經(jīng)過(guò)的電荷包，經(jīng)過(guò)n次轉(zhuǎn)移后的輸出電荷量應(yīng)為次轉(zhuǎn)移后的輸出電荷量應(yīng)為： nonQQn總效率為：總效率為：nonQQ/1 1）轉(zhuǎn)移效率轉(zhuǎn)移效率 485 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） 2 2）光電特性）光電特性 在低照度下，在低照度下，CCDCCD的輸出電壓與照度有良好的線(xiàn)性關(guān)系。的輸出電壓與照度有良好的線(xiàn)性關(guān)系。照度超過(guò)照度超過(guò)1001x1001x以后，輸出有飽和現(xiàn)象。以后，輸出有飽

29、和現(xiàn)象。3 3）光譜特性）光譜特性 現(xiàn)在固體攝象器件中的感光元件都是用半導(dǎo)體硅材料來(lái)現(xiàn)在固體攝象器件中的感光元件都是用半導(dǎo)體硅材料來(lái)作的，所以靈敏范圍為作的，所以靈敏范圍為0.40.41.15m1.15m左右，但光譜特性曲左右，但光譜特性曲線(xiàn)不象單個(gè)硅光電二極管那么銳利，峰值波長(zhǎng)為線(xiàn)不象單個(gè)硅光電二極管那么銳利，峰值波長(zhǎng)為0.650.650.9m0.9m左右。左右。495 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）4 4）分辨率）分辨率 對(duì)物像的明暗細(xì)節(jié)分辨能力，可用極限分辨率（每毫米對(duì)物像的明暗細(xì)節(jié)分辨能力，可用極限分辨率（每毫米分辨的黑白線(xiàn)對(duì)數(shù)）和調(diào)制傳遞函數(shù)表示。像素單元尺寸分辨的黑白線(xiàn)對(duì)數(shù)）

30、和調(diào)制傳遞函數(shù)表示。像素單元尺寸以及像素?cái)?shù)都可以影響以及像素?cái)?shù)都可以影響CCDCCD采集圖像的分辨率。采集圖像的分辨率。505 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） CCD CCD相機(jī)為固體器件，它的體積小、重量輕、工作電壓相機(jī)為固體器件，它的體積小、重量輕、工作電壓低、惰性小、功耗小、輸入光的動(dòng)態(tài)范圍大、掃描無(wú)畸變低、惰性小、功耗小、輸入光的動(dòng)態(tài)范圍大、掃描無(wú)畸變、機(jī)械抗震性能好。、機(jī)械抗震性能好。線(xiàn)陣線(xiàn)陣CCDCCD多用于文字字符識(shí)別、傳真和尺寸檢測(cè)。多用于文字字符識(shí)別、傳真和尺寸檢測(cè)。面陣面陣CCDCCD主要用于小型攝象機(jī)。主要用于小型攝象機(jī)。 雖然雖然CCDCCD具有技術(shù)成熟、噪聲低、

31、靈敏度高、分辨率高等具有技術(shù)成熟、噪聲低、靈敏度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，但是也有一些不足：驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，很難與優(yōu)點(diǎn)，但是也有一些不足：驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，很難與CCDCCD成像陣成像陣列集成；工作電壓高，功耗高；藍(lán)光響應(yīng)差，有光暈、拖尾現(xiàn)列集成；工作電壓高，功耗高；藍(lán)光響應(yīng)差，有光暈、拖尾現(xiàn)象等。象等。 CMOS CMOS圖像傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，功耗小，體積圖像傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，功耗小，體積小，成本低，成品率高，易于和信號(hào)處理電路集成等特點(diǎn)。小，成本低，成品率高，易于和信號(hào)處理電路集成等特點(diǎn)。515 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）n CMOS CMOS與與CCDCCD對(duì)比對(duì)比

32、CCDCMOS像素結(jié)構(gòu)像素結(jié)構(gòu)MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)CMOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)信號(hào)讀取方式信號(hào)讀取方式逐行讀取逐行讀取晶體管陣列讀取晶體管陣列讀取成像類(lèi)型成像類(lèi)型線(xiàn)成像線(xiàn)成像點(diǎn)成像點(diǎn)成像噪聲噪聲低低高高響應(yīng)速度響應(yīng)速度慢慢快，為快，為CCD的的10-100倍倍功耗功耗高高低低成本成本高高低低 普通相機(jī)和攝像頭一般以普通相機(jī)和攝像頭一般以CMOSCMOS型傳感器為主，專(zhuān)業(yè)和型傳感器為主，專(zhuān)業(yè)和高級(jí)成像器件大多是高級(jí)成像器件大多是CCDCCD型傳感器。型傳感器。 光電器件在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式光電器件在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式(直射式直射式)、吸收式、遮光式、反射式。、吸收式、遮光式、反射式。 測(cè)量物體的溫

33、度測(cè)量物體的溫度6 光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)測(cè)量半透明體的透明度測(cè)量半透明體的透明度6 光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)測(cè)量非透明體的位置和尺寸測(cè)量非透明體的位置和尺寸6 光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)測(cè)量表面粗糙度測(cè)量表面粗糙度6 光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)56 對(duì)于大多數(shù)的光電裝置，光電器件需要通過(guò)檢測(cè)電路才對(duì)于大多數(shù)的光電裝置，光電器件需要通過(guò)檢測(cè)電路才能實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的變換作用。通常，光電檢測(cè)電路是由光電能實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的變換作用。通常，光電檢測(cè)電路是由光電檢測(cè)器件、輸入電路和前置放大器組成。檢測(cè)器件、輸入電路和前置放大器組成。6 光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì) 輸入電路

34、是連接光電器件和電信輸入電路是連接光電器件和電信號(hào)放大器的中間環(huán)節(jié)，它的基本作用號(hào)放大器的中間環(huán)節(jié)，它的基本作用是為光電器件提供正常的電路工作條是為光電器件提供正常的電路工作條件，進(jìn)行電參量的變換（例如將電流件，進(jìn)行電參量的變換（例如將電流和電阻轉(zhuǎn)換為電壓），同時(shí)完成和前和電阻轉(zhuǎn)換為電壓），同時(shí)完成和前置放大器的電路匹配。置放大器的電路匹配。576 光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì) 輸入電路的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)電信號(hào)的性質(zhì)、大小，光學(xué)的和器輸入電路的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)電信號(hào)的性質(zhì)、大小，光學(xué)的和器件的噪聲電平等初始條件以及輸出電平和通頻帶等技術(shù)要求來(lái)件的噪聲電平等初始條件以及輸出電平和通頻帶等技術(shù)要求來(lái)確定電

35、路的連接形式和工作參數(shù)，保證光電器件和后級(jí)電路最確定電路的連接形式和工作參數(shù)，保證光電器件和后級(jí)電路最佳的工作狀態(tài)，并最終使整個(gè)檢測(cè)電路滿(mǎn)足下列技術(shù)要求：佳的工作狀態(tài)，并最終使整個(gè)檢測(cè)電路滿(mǎn)足下列技術(shù)要求： 1 1）靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力：使給定的輸入光信號(hào)在允許的非）靈敏的光電轉(zhuǎn)換能力：使給定的輸入光信號(hào)在允許的非線(xiàn)性失真條件下有最佳的信號(hào)傳輸系數(shù)，得到最大的功率、電線(xiàn)性失真條件下有最佳的信號(hào)傳輸系數(shù)，得到最大的功率、電壓或電流輸出。壓或電流輸出。 2 2）快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力：滿(mǎn)足信號(hào)通道所要求的頻率選擇）快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力：滿(mǎn)足信號(hào)通道所要求的頻率選擇性或?qū)λ沧冃盘?hào)的快速響應(yīng)。性或?qū)λ沧冃盘?hào)的

36、快速響應(yīng)。 3 3）最佳的信號(hào)檢測(cè)能力：具有為可靠檢測(cè)所必需的信噪比）最佳的信號(hào)檢測(cè)能力：具有為可靠檢測(cè)所必需的信噪比或最小可檢測(cè)信號(hào)功率?；蜃钚】蓹z測(cè)信號(hào)功率。 4 4）長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性和可靠性。）長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性和可靠性。 根據(jù)這些要求，檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)通常包括的步驟為：電路根據(jù)這些要求，檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)通常包括的步驟為：電路靜態(tài)計(jì)算、電路動(dòng)態(tài)計(jì)算和噪聲估算。靜態(tài)計(jì)算、電路動(dòng)態(tài)計(jì)算和噪聲估算。586 光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)1 1、光電檢測(cè)器件的選擇要點(diǎn)、光電檢測(cè)器件的選擇要點(diǎn) 在以信息檢測(cè)和信號(hào)傳送為目的的光電系統(tǒng)中，光電檢在以信息檢測(cè)和信號(hào)傳送為目的的光電系統(tǒng)中，光電檢測(cè)器件的作用

37、是將載有被測(cè)信息的光輻射能量變換為電能，測(cè)器件的作用是將載有被測(cè)信息的光輻射能量變換為電能，并在實(shí)現(xiàn)這種變換的過(guò)程中完成信息的傳遞。并在實(shí)現(xiàn)這種變換的過(guò)程中完成信息的傳遞。 檢測(cè)器件是溝通光學(xué)和電子系統(tǒng)的接口環(huán)節(jié)，它既是光檢測(cè)器件是溝通光學(xué)和電子系統(tǒng)的接口環(huán)節(jié)，它既是光路元件又是電路元件，有著光學(xué)和電子學(xué)的雙重屬性。路元件又是電路元件，有著光學(xué)和電子學(xué)的雙重屬性。 作為光路元件，它是光信號(hào)接收器，是前級(jí)光學(xué)系統(tǒng)的作為光路元件，它是光信號(hào)接收器，是前級(jí)光學(xué)系統(tǒng)的輸出端口；作為電路元件，它是信號(hào)發(fā)生器，是后續(xù)電子系輸出端口；作為電路元件，它是信號(hào)發(fā)生器，是后續(xù)電子系統(tǒng)的輸入端口。統(tǒng)的輸入端口。 正

38、是由于利用了光電檢測(cè)器件的雙重屬性，才建立了光正是由于利用了光電檢測(cè)器件的雙重屬性，才建立了光路和電路的聯(lián)系，使彼此間得以連通。路和電路的聯(lián)系，使彼此間得以連通。 因此，光電檢測(cè)器件類(lèi)型的選擇和工作狀態(tài)的確定對(duì)光因此，光電檢測(cè)器件類(lèi)型的選擇和工作狀態(tài)的確定對(duì)光電系統(tǒng)的工作品質(zhì)至關(guān)重要，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題。電系統(tǒng)的工作品質(zhì)至關(guān)重要，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題。 596 光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)n光電檢測(cè)器件的選擇要點(diǎn)：光電檢測(cè)器件的選擇要點(diǎn)： 1 1）檢測(cè)器件和輻射源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配）檢測(cè)器件和輻射源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配 光電系統(tǒng)中光載波信號(hào)的能量來(lái)源是輻射源或光源。

39、輻射光電系統(tǒng)中光載波信號(hào)的能量來(lái)源是輻射源或光源。輻射能量由光源經(jīng)測(cè)試目標(biāo)、傳輸介質(zhì)、接收光學(xué)系統(tǒng)被光電檢能量由光源經(jīng)測(cè)試目標(biāo)、傳輸介質(zhì)、接收光學(xué)系統(tǒng)被光電檢測(cè)器接收。為了提高有用光信號(hào)的能量利用，要求檢測(cè)器的測(cè)器接收。為了提高有用光信號(hào)的能量利用，要求檢測(cè)器的光譜靈敏度分布和輻射源的光譜輻射度分布以及各傳輸環(huán)節(jié)光譜靈敏度分布和輻射源的光譜輻射度分布以及各傳輸環(huán)節(jié)的光譜透過(guò)率分布相覆蓋。的光譜透過(guò)率分布相覆蓋。 實(shí)際上，在含有許多光譜分量的復(fù)合光通量實(shí)際上，在含有許多光譜分量的復(fù)合光通量()()作用下作用下、探測(cè)器的復(fù)合輸出、探測(cè)器的復(fù)合輸出I()I()是由單色輻射通量作用下的輸出是由單色輻射

40、通量作用下的輸出值在整個(gè)光譜分布范圍內(nèi)的積分值確定的，即值在整個(gè)光譜分布范圍內(nèi)的積分值確定的，即 探測(cè)器對(duì)波長(zhǎng)探測(cè)器對(duì)波長(zhǎng)的電流靈敏度的電流靈敏度 0)()()(dSII606 光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)2 2）探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換特性和入射輻射能量的大小相匹配）探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換特性和入射輻射能量的大小相匹配 根據(jù)光電系統(tǒng)輻射源的發(fā)光強(qiáng)度、傳輸介質(zhì)和目標(biāo)的傳輸根據(jù)光電系統(tǒng)輻射源的發(fā)光強(qiáng)度、傳輸介質(zhì)和目標(biāo)的傳輸及調(diào)制損耗、接收光學(xué)系統(tǒng)接收孔徑的限制及反射吸收等損失及調(diào)制損耗、接收光學(xué)系統(tǒng)接收孔徑的限制及反射吸收等損失的影響，可以計(jì)算出入射到探測(cè)器光敏面上的實(shí)際輻射能量，的影響，可以計(jì)算出入射到

41、探測(cè)器光敏面上的實(shí)際輻射能量，通常它們是很微弱的，探測(cè)器的選擇應(yīng)充分利用這些有用的信通常它們是很微弱的，探測(cè)器的選擇應(yīng)充分利用這些有用的信號(hào)能量，為此要考慮：號(hào)能量，為此要考慮： 使探測(cè)器有足夠高的探測(cè)率，以確保獲得一定裕度的信使探測(cè)器有足夠高的探測(cè)率，以確保獲得一定裕度的信噪比。噪比。 探測(cè)器有合適的靈敏度探測(cè)器有合適的靈敏度S S，以保證對(duì)應(yīng)于入射輻射通量，以保證對(duì)應(yīng)于入射輻射通量的微小變化，有足夠幅度的電信號(hào)輸出。的微小變化，有足夠幅度的電信號(hào)輸出。 使入射通量的變化中心處于探測(cè)器光電特性的線(xiàn)性范圍使入射通量的變化中心處于探測(cè)器光電特性的線(xiàn)性范圍內(nèi)，以確保獲得良好的線(xiàn)性檢測(cè)。內(nèi)，以確保獲

42、得良好的線(xiàn)性檢測(cè)。616 光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì)光電檢測(cè)器件設(shè)計(jì) 3 3）使檢測(cè)器件和光信號(hào)的調(diào)制形式、信號(hào)頻率及波形相）使檢測(cè)器件和光信號(hào)的調(diào)制形式、信號(hào)頻率及波形相匹配，以保證得到良好的時(shí)間響應(yīng)和沒(méi)有頻率失真的輸出匹配，以保證得到良好的時(shí)間響應(yīng)和沒(méi)有頻率失真的輸出波形。為作到這一點(diǎn)，首先要選擇有良好的時(shí)間特性或頻波形。為作到這一點(diǎn)，首先要選擇有良好的時(shí)間特性或頻率特性的光電器件，此外也取決于電路動(dòng)態(tài)參數(shù)的選擇。率特性的光電器件，此外也取決于電路動(dòng)態(tài)參數(shù)的選擇。 4 4）使檢測(cè)器件和輸入電路在電特性上匹配以得到良好的）使檢測(cè)器件和輸入電路在電特性上匹配以得到良好的電信號(hào)輸出。這包括：足夠的轉(zhuǎn)換系數(shù)

43、和線(xiàn)性范圍、快速電信號(hào)輸出。這包括：足夠的轉(zhuǎn)換系數(shù)和線(xiàn)性范圍、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、良好的信噪比。的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、良好的信噪比。 5 5）使檢測(cè)器件具有長(zhǎng)期工作的可靠性和對(duì)工作環(huán)境的適）使檢測(cè)器件具有長(zhǎng)期工作的可靠性和對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)能力。為使器件工作可靠，需要使器件在額定條件下使應(yīng)能力。為使器件工作可靠，需要使器件在額定條件下使用。這些條件包括額定功耗、工作電壓以及工作環(huán)境溫度用。這些條件包括額定功耗、工作電壓以及工作環(huán)境溫度等。器件的裝置空間、受光面積、電源設(shè)備、價(jià)格等在某等。器件的裝置空間、受光面積、電源設(shè)備、價(jià)格等在某些情況下甚至是選擇器件的主要考慮因素，需要根據(jù)待設(shè)些情況下甚至是選擇器件的主要

44、考慮因素，需要根據(jù)待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的要求和條件優(yōu)先選定。計(jì)系統(tǒng)的要求和條件優(yōu)先選定。n火災(zāi)報(bào)警器中的光電探測(cè)器火災(zāi)報(bào)警器中的光電探測(cè)器n火災(zāi)探測(cè)器主要針對(duì)火的火災(zāi)探測(cè)器主要針對(duì)火的光、溫、煙、可燃?xì)夤?、溫、煙、可燃?xì)怏w體等特征進(jìn)行辨別，下面介紹最常用是等特征進(jìn)行辨別，下面介紹最常用是光電感光電感煙火災(zāi)探測(cè)器煙火災(zāi)探測(cè)器n光電感煙式探測(cè)器的基本原理是，利用煙霧粒光電感煙式探測(cè)器的基本原理是，利用煙霧粒子對(duì)光線(xiàn)。產(chǎn)生子對(duì)光線(xiàn)。產(chǎn)生遮擋和散射遮擋和散射作用來(lái)檢測(cè)煙霧的作用來(lái)檢測(cè)煙霧的存在。存在?；馂?zāi)煙霧的絕大部分火災(zāi)煙霧的絕大部分粒子分布在粒子分布在0.010.011um1um。n下面主要介紹下面主要介紹

45、遮光型遮光型感煙探測(cè)器。感煙探測(cè)器。627 光電檢測(cè)器件應(yīng)用（光電檢測(cè)器件應(yīng)用（1）n( (一一) )遮光型感煙探測(cè)原理遮光型感煙探測(cè)原理 n遮光型感煙探測(cè)器遮光型感煙探測(cè)器具體又可分為具體又可分為點(diǎn)型點(diǎn)型和和線(xiàn)型線(xiàn)型兩種類(lèi)型。兩種類(lèi)型。n1 1點(diǎn)型遮光感煙探測(cè)器點(diǎn)型遮光感煙探測(cè)器：這種探測(cè)器原理如圖所示。其中的煙室為特殊結(jié)構(gòu)的暗室，外部：這種探測(cè)器原理如圖所示。其中的煙室為特殊結(jié)構(gòu)的暗室，外部光線(xiàn)進(jìn)不去，但煙霧粒子可以進(jìn)入煙室。光線(xiàn)進(jìn)不去，但煙霧粒子可以進(jìn)入煙室。煙室內(nèi)有一個(gè)發(fā)光元件及一個(gè)受光元件。發(fā)光元件煙室內(nèi)有一個(gè)發(fā)光元件及一個(gè)受光元件。發(fā)光元件發(fā)出的光直射在受光元件上，產(chǎn)生一個(gè)固定的光

46、敏電流。當(dāng)煙霧粒子進(jìn)入煙室后，光被煙霧發(fā)出的光直射在受光元件上，產(chǎn)生一個(gè)固定的光敏電流。當(dāng)煙霧粒子進(jìn)入煙室后，光被煙霧粒子遮擋，到達(dá)受光元件的光通量減弱，相應(yīng)的光敏電流減小粒子遮擋，到達(dá)受光元件的光通量減弱，相應(yīng)的光敏電流減小，當(dāng)光敏電流減小到某個(gè)設(shè)定，當(dāng)光敏電流減小到某個(gè)設(shè)定值時(shí)，該感煙探測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。值時(shí)，該感煙探測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 63輸出控制輸出控制放大電路放大電路開(kāi)關(guān)元件開(kāi)關(guān)元件光學(xué)透鏡光學(xué)透鏡暗箱暗箱光敏二極管光敏二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管電源電源脈沖信號(hào)脈沖信號(hào)7 光電檢測(cè)器件應(yīng)用（光電檢測(cè)器件應(yīng)用（1）發(fā)光二極管選擇發(fā)光二極管選擇q接受元件一般為接受元件一般為光電三極管光電

47、三極管，既有，既有光敏二極管的感光性，又有三極管的放大功能光敏二極管的感光性，又有三極管的放大功能。根。根據(jù)下圖光敏二極管的據(jù)下圖光敏二極管的光譜特性光譜特性，選擇發(fā)光二極管。，選擇發(fā)光二極管。q發(fā)射元件一般為砷化鎵發(fā)射元件一般為砷化鎵GaAs,GaAs,砷鋁化鎵砷鋁化鎵GaAlAsGaAlAs等材料制成。由下圖可知波長(zhǎng)在等材料制成。由下圖可知波長(zhǎng)在800900nm800900nm之間，光敏二極管才有較高的效率，因此選擇之間，光敏二極管才有較高的效率，因此選擇OP231OP231系列發(fā)光二極管，接收器系列發(fā)光二極管，接收器件選擇件選擇OP801SLOP801SL系列元件。系列元件。nOP231

48、OP231系列系列發(fā)光二極管發(fā)光二極管其波長(zhǎng)集中在其波長(zhǎng)集中在890nm890nm范圍，在工作電范圍，在工作電流為流為100100時(shí)，發(fā)射管發(fā)光功率可達(dá)時(shí)，發(fā)射管發(fā)光功率可達(dá)6mw6mw以上。以上。 OP231 OP231系系列前端封裝有透鏡，從而使發(fā)射的光束更集中，從而改善列前端封裝有透鏡，從而使發(fā)射的光束更集中，從而改善光束的發(fā)散問(wèn)題。光束的發(fā)散問(wèn)題。nOP801SLOP801SL系列密封封裝的系列密封封裝的NPNNPN硅硅光電三極管光電三極管，其，其接收峰值波接收峰值波長(zhǎng)也集中在長(zhǎng)也集中在890nm890nm附近，與附近，與OP231OP231進(jìn)行高靈敏度匹配，它既進(jìn)行高靈敏度匹配，它既有光敏二極管的感光性能又具有三極管的放大功能，狹窄有光敏二極管的感光性能又具有三極管的放大功能，狹窄的接收角度提供了與發(fā)射管在軸線(xiàn)方向的禍合。的接收角度提供了與發(fā)射管在軸線(xiàn)方向的禍合。66感煙探測(cè)器 火災(zāi)探測(cè)器性能指標(biāo)參數(shù) 響應(yīng)閾值:火災(zāi)探測(cè)器動(dòng)作的最小參數(shù)值. 感煙靈敏度:感