光電傳感器課件

1、第5章 光電式傳感器5.1 常用光電器件5.2 光柵傳感器5.3 固態(tài)圖像傳感器上一頁下一頁返 回光電式傳感器定義：是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。 以光電元件作為轉(zhuǎn)化元件，可以將被測的非電量通過光量的變化再轉(zhuǎn)化成電量的傳感器。光電式傳感器一般由光源、光學(xué)元件和光電元件三部分組成。物理基礎(chǔ)：光電效應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、精度高、反映快。應(yīng)用：現(xiàn)代測量和自動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)用廣泛，前景廣闊。上一頁下一頁返 回光電效應(yīng)下一頁返 回 是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(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：1）外光電效應(yīng) 在光線

2、的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量： 根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時(shí)間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定理 式中 m電子質(zhì)量；v0電子逸出速度。 該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程下一頁返 回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)勢的現(xiàn)

3、象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類： （1） 光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg （2） 光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。 基

4、于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。 勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）。 接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢。 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)，載流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。 當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)時(shí)，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子

5、就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動(dòng)勢?；谠撔?yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）。5.1 常用光電器件5.1.1 光敏電阻5.1.2 光電池5.1.3 光敏二極管和光敏晶體管5.1.4 常用光電器件的應(yīng)用下一頁返 回511 光敏電阻1. 光敏電阻的光電效應(yīng)2光敏電阻種類3光敏電阻的主要參數(shù)4. 光敏電阻的基本特性上一頁下一頁返 回1. 光敏電阻的光電效應(yīng)光敏電阻特性：當(dāng)無光照時(shí)：光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小 當(dāng)有光照時(shí)：光敏電阻值(亮電阻)急劇

6、減少，電流迅速增加光照停止時(shí)：恢復(fù)高阻狀態(tài)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過載能力強(qiáng)和壽命長等。不足：需要外部電源，有電流時(shí)會(huì)發(fā)熱。 上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回接受光照時(shí)： 其共價(jià)鍵中的價(jià)電子吸收光子能量，由價(jià)帶穿越禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，成為光生自由電子，使得半導(dǎo)體中自由電子空穴對(duì)增加，導(dǎo)電率提高，電阻值下降。光照停止時(shí)： 失去光子能量的光生自由電子又重新迭落回價(jià)帶與空穴復(fù)合，自由電子空穴對(duì)減少，導(dǎo)電率下降，電阻值提高。Eg禁帶寬度，價(jià)電子吸收光子能量EEg，才能穿越禁帶成為自由電子。 光照越強(qiáng)、E越大，光生自由電子越多，電阻值越小。 光照停止或

7、光強(qiáng)減小使EEg時(shí)，光生自由電子又迭回價(jià)帶成為價(jià)電子，使電阻值增加或恢復(fù)高阻狀態(tài)。 形成原因：光敏電阻的結(jié)構(gòu) 1.玻璃 2.光電導(dǎo)層 3.電極 4.絕緣襯底 5.金屬殼 6.黑色絕緣玻璃 7.引線光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在帶有玻璃的殼體中。上一頁下一頁返 回2. 光敏電阻種類 光敏電阻是一個(gè)純電阻性兩端器件，適用于交、直流電路，因而應(yīng)用廣泛，種類很多。對(duì)光照敏感的半導(dǎo)體光敏元件都可以制成光敏電阻。半導(dǎo)體光敏元件的敏感光波長為納米波，按其最佳工作波長范圍分三類：（1）對(duì)紫外光敏感元件 紫外光是指紫外線(波長10380nm)的內(nèi)側(cè)光波，波長約300380nm。對(duì)這類

8、光敏感的材料有氧化鋅、硫化鋅等，適于作射線檢測及光電控制電路。 （2）對(duì)可見光敏感元件 可見光波長范圍約380760nm，對(duì)這類光敏感的材料有硒、硅、鍺等，適用于光電計(jì)數(shù)、光電鍋臺(tái)、光電控制等場合。（3）對(duì)紅外光敏感元件 紅外光是紅外線(波長 7601106nm)的內(nèi)側(cè)光波，波長約7606000nm。對(duì)這類光敏感的材料有硫化鉛、硒化鉗等，主要用來探測不可見目標(biāo)。 上一頁下一頁返 回4光敏電阻的基本特性 （1）光譜特性（2）光照特性（3）伏安特性 （4）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性（5）溫度特性（6）穩(wěn)定性上一頁下一頁返 回（1）光譜特性 定義：光電流對(duì)不同波長的單色光，靈敏度是不同的。 上一頁下一頁返

9、回光波： 波長為10106nm的電磁波可見光：波長380780nm紫外線：波長10380nm， 波長300380nm稱為近紫外線 波長200300nm稱為遠(yuǎn)紫外線 波長10200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線：波長780106nm 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光區(qū)域。結(jié)論： 在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。 上一頁下一頁返 回204060801004008001200160020002400/nm312相對(duì)靈敏度1硫化鎘2硒化鎘3硫化鉛 （2）

10、光照特性 定義：在一定電壓下，光敏電阻的光電流I與光強(qiáng)E之間的關(guān)系。 上一頁下一頁返 回012345I/mA L/lx10002000 右圖表示CdS硫化鎘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)中用作光電開關(guān)。（3）伏安特性 定義：在一定強(qiáng)度的光照下，光敏電阻的端電壓與光電流的關(guān)系。 上一頁下一頁返 回 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。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。但

11、是電壓不能無限地增大，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。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。501001502001220I/ A040U/V （4）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性時(shí)延特性： 當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(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。 通常用響應(yīng)時(shí)間t表示。 上一頁下一頁返 回（5）溫度特性 光敏電阻性能(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短的方向移動(dòng)。硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系如圖所示。有時(shí)為了提高靈敏度，

12、或?yàn)榱四軌蚪邮蛰^長波段的輻射，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。上一頁下一頁返 回I / A100150200-50-10305010-30T / C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C（6）穩(wěn)定性 上一頁下一頁返 回 圖中曲線1、2分別表示兩種型號(hào)CdS硫化鎘光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機(jī)構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達(dá)到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、I / %408012016021T/h040080012001600光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在開

13、始一段時(shí)間的老化過程中，有些樣品阻值上升，有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。 光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是無限長的。 1 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理上一頁下一頁返 回 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，電路中有電流流過，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，就可測出光生電動(dòng)勢。光電池的示意圖+光PN

14、SiO2RL(a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b) 光電池的工作原理示意圖 P N上一頁下一頁返 回光電池的表示符號(hào)、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)光電池符號(hào)和基本工作電路2 基本特性(1) 光譜特性(2) 光照特性(3) 頻率響應(yīng) (4) 溫度特性 (5) 穩(wěn)定性上一頁下一頁返 回 （1）光譜特性上一頁下一頁返 回 光電池對(duì)不同波長光的靈敏度是不同的，不同材料的光電池對(duì)入射光波長的敏感范圍是不同的，因此光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm1100nm，

15、峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m1硒光電池2硅光電池(2)光照特性 上一頁下一頁返 回開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢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L/klxL/klx5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc /V0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅光電池(b)硒光電池開路電壓短路電流短路電流光電池的短路電流 上一頁下一頁返 回定義：指外接負(fù)載

16、相對(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。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx50 10010005000RL=0結(jié)論：負(fù)載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。(3)頻率特性 結(jié)論：硅光電池具有較高的頻率響應(yīng) ,用于高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換 上一頁下一頁返 回 光電池作為測量、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

17、。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光電池2硅光電池 (4)溫度特性上一頁下一頁返 回 光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC開路電壓ISC 短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線 (5)穩(wěn)定性當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時(shí)，光電池的性能

18、是相當(dāng)穩(wěn)定的 硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定 影響性能和壽命因素：光電池的材料及制造工藝使用環(huán)境條件 上一頁下一頁返 回5.1.3 光敏二極管和光敏晶體管 1 工作原理2 基本特性上一頁下一頁返 回1 工作原理上一頁下一頁返 回 光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾A到幾十A。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。1）光敏二極管上一頁下一頁返 回 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管

19、相似、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)，如圖所示。PN光光敏二極管符號(hào)RL 光PN光敏二極管接線上一頁下一頁返 回 光敏二極管在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；受光照射時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下， P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)

20、入N區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。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，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。2）光敏三極管上一頁下一頁返 回 光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，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,

21、形成輸出電流,且集電極電流為光電流的倍。 PPNNNPe bc RL Eec b2 基本特性（1）光譜特性 （2）光照特性（3）伏安特性（4）頻率特性（5）溫度特性上一頁下一頁返 回（1）光譜特性 存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長。當(dāng)入射光的波長增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降。因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子空穴對(duì)。當(dāng)入射光的波長縮短時(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。硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性 可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。在紅外光進(jìn)行探測時(shí)，則鍺管較為適宜。 上一頁下一頁返 回 （2）光照特性

22、 硅光敏管的光照特性 上一頁下一頁返 回 光敏二極管與光敏晶體管的光照特性明顯不同，以硅管為例如圖所示。光敏二極管的光照特性近似為線性關(guān)系，光敏晶體管的光照特性為非線性， 照度較小時(shí)，光電流隨光照度加強(qiáng)而緩慢增加，當(dāng)光照度較大時(shí)，光電流又趨于飽和。從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。 （3）伏安特性上一頁下一頁返 回 光敏管的輸出電流與所加的偏量電壓關(guān)系不大，具有近似的恒流特性； 光敏晶體管比光敏二極管的光電流大近百倍，因而具有更高的靈敏度； 光敏二極管在零偏壓下就有一定的 電流輸出，光敏晶體管卻有一段死區(qū)電壓。 （4）頻率特性硅光敏晶體管的頻率響應(yīng) 上一頁下一頁返 回 光敏二

23、極管的頻率特性較好，是半導(dǎo)體光敏器件中最好的一種，其響應(yīng)速度達(dá) 0.1s，截止頻率高，適用于快速變化的光調(diào)制信號(hào)。光敏晶體管由于基區(qū)面積大， 載流子穿越基區(qū)所需的時(shí)間長，因而其頻率特性比二極管差。無論是哪一類光敏管，其負(fù)載電阻越大，頻率特性愈差。 0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光調(diào)制頻率 / HZ相對(duì)靈敏度/% （5）溫度特性 無論是硅管還是鍺管，對(duì)溫度的變化都比較敏感。 溫度升高，熱激發(fā)產(chǎn)生的電子電穴對(duì)增加，使暗電流上升。尤其是鍺管，其暗電流較大，溫度特性較差。 溫度升高對(duì)光電流影響不大。 對(duì)于高溫低照度下工作的光敏晶體

24、管，此時(shí)暗電流上升、亮電流下降，使信噪比減小；為了提高信噪比，應(yīng)采取相應(yīng)的溫度補(bǔ)償或降溫措施。 上一頁下一頁返 回5.1.4 常用光電器件的應(yīng)用光電耦合器光電轉(zhuǎn)速器反射式固體表面粗糙度計(jì)透射式薄膜厚度計(jì)煙塵濁度監(jiān)測儀上一頁下一頁返 回1 光電耦合器上一頁下一頁返 回定義：光電耦合器是由一個(gè)發(fā)光元件和一個(gè)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

25、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。光電耦合器的組合形式上一頁下一頁返 回光電耦合器的組合形式有多種，如圖所示。(a)(b)(c)(d)該形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。該形式采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器,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。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。通用光耦高速光耦高效光耦高速高效光耦發(fā)光二極管上一頁下一頁返 回 發(fā)光二極管是只有一個(gè)PN結(jié)的半導(dǎo)體器件。管芯是一個(gè)具有單向?qū)щ娦阅艿腜N結(jié)，在正向偏壓作用下

26、，PN結(jié)空間電荷區(qū)勢壘下降，引起過量的載流子注入，注入的電子與空穴加速復(fù)合時(shí)釋放出光子能量，即把電能轉(zhuǎn)換成光能。 目前，發(fā)光二極管和光電轉(zhuǎn)換器可以集成到一個(gè)芯片上，因而可以作成集成光電耦合器。 If發(fā)光二極管的正向電流 Ic光電轉(zhuǎn)換器輸出電流結(jié)論：輸出、輸入電流間線性關(guān)系較差，不宜作運(yùn)算電路，但可以廣泛應(yīng)用于電平轉(zhuǎn)換、電路隔離、固態(tài)繼電器及無觸點(diǎn)開關(guān)等控制電路中。 光電耦合器基本特性2 光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表 上一頁返 回3 反射式固體表面粗糙度計(jì)上一頁返 回 光源發(fā)出一定照度的光入射到被測 固定的表面上，一部分被表面吸收，一部分反射到光電池上。被測表面越光滑，反射到光電池上的光越強(qiáng)，光電池輸出電壓

27、越大。根據(jù)電壓表指示的電壓數(shù)，就可以判斷被測表面的組糙度。 4 透射式薄膜厚度計(jì)上一頁返 回 光源發(fā)出一定照度的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡調(diào)制成平行光束，垂直入射到被測薄膜上，一部分被薄膜吸收，一部分穿過薄膜出射到光電他上；薄膜越薄，出射光越強(qiáng)，光電池輸出電壓越大。根據(jù)這種原理，不但可以用于檢測薄膜的厚度，印刷機(jī)紙張監(jiān)控，還可以檢測液體的混濁度，或氣體和固體的透明度。 5 煙塵濁度監(jiān)測儀上一頁返 回 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、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，

28、光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。上一頁返 回平行光源光電探測放大顯示刻度 校正報(bào)警器吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖煙道5.2 光柵傳感器5.2.1 莫爾條紋5.2.2 光柵傳感器的組成5.2.3 辨向原理5.2.4 細(xì)分技術(shù)上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回 光柵傳感器是用于測位移的光電傳感器。光透過光柵照射到光電器件上，根據(jù)光柵的莫爾條紋現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)角位移或線位移的測量。 直光柵：用于測量直線位移的光柵； 圓光柵：用于測量角位移的光柵。5.2.1 莫爾條紋上一頁下一頁返 回光柵 光柵又叫光柵尺，是由在光學(xué)玻璃上均

29、勻刻有許多線條，形成規(guī)律排列的透光和不透光的明暗條紋所組成。Wmn稱為光柵的柵距或光柵常數(shù)2 莫爾條紋形成把光柵常數(shù)W相等的兩光柵尺相對(duì)疊合在一起，柵條間保持很小夾角，在與柵條近乎垂直的方向出現(xiàn)明暗相間的條紋，稱為莫爾條紋。莫爾條紋間距莫爾條紋寬度BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決定 上一頁下一頁返 回3 莫爾條紋的主要特性（1）莫爾條紋的間距BH對(duì)光柵常數(shù)W具有放大作用 調(diào)整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了放大作用，又提高了測量精度。（2）莫爾條紋具有消除光柵尺局部缺陷引起的誤差 由于光柵尺在制作時(shí)工藝的分散性，難免有的光柵尺的柵條或柵條間距存在著局部缺陷，但這些缺陷不會(huì)引起莫爾條紋的誤差。

30、因?yàn)樵跍y量時(shí)，光電元件上接收到的光信號(hào)，是透過眾多柵條形成亮帶的光信號(hào)，光柵尺的局部缺陷對(duì)亮帶透光量影響極小。 （3）莫爾條紋的移動(dòng)大小和方向可以反映兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)大小和方向 當(dāng)固定斜光柵尺、左右移動(dòng)直光柵尺時(shí)，莫爾條紋則作上下移動(dòng)。若被測體跟隨直光柵尺移動(dòng)，則可根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)的大小和方向，判斷被測體移動(dòng)的大小和方向。 （4）莫爾條紋的光強(qiáng)度變化近似正弦變化，便于將電信號(hào)作進(jìn)一步細(xì)分，即采用“倍頻技術(shù)”。這樣可以提高測量精度或可以采用較粗的光柵。上一頁下一頁返 回5.2.2 光柵傳感器的組成 根據(jù)莫爾條紋特性制作的光柵位移傳感器，按光路形成方式可分為兩大類，即反射式光柵傳感器和透射式光柵傳

31、感器。 上一頁下一頁返 回1 透射式光柵傳感器上一頁下一頁返 回此光路適合于粗柵距的黑白透射光柵。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，應(yīng)用廣泛。光源 常用鎢絲燈泡或砷化鎵發(fā)光二極管，鎢絲燈泡有較大的輸出功率， 較寬的工作溫度范圍(40一130)，但使用壽命短，要定期更換；砷化鎵發(fā)光二極管輸出功率低，工作溫度范圍(一66一100)也略小，但其與光敏晶體管組合比鎢絲燈泡與光敏晶體管組合轉(zhuǎn)換效率高(約30)，且響應(yīng)速度快(約2s)， 可使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，以減小功耗和熱耗散。光電元件 常用光電池或光敏晶體管，在光電元件輸出端常接放大器，以獲得盡可能大的信號(hào)輸出，以提高抗干擾能力。 透鏡 作用

32、是把光源發(fā)出的光變換成平行光束，垂直投射到主光柵上。主光柵 又稱標(biāo)尺光柵，它有固定的光柵常數(shù)W、亮條寬度m和暗條寬度n。通常，測位移時(shí)，被測體保持與主光柵相同的位移大小和方向。指示光柵 比主光柵短很多，通常具有與主光柵相同的光柵常數(shù)和亮、暗條寬度。測位移時(shí)，指示光柵不動(dòng)，主光柵移動(dòng)。 上一頁下一頁返 回2. 反射式光柵傳感器上一頁下一頁返 回該光路適用于黑白反射光柵。 光源發(fā)射的光，經(jīng)聚光鏡和物鏡后形成平行光束，以一定的角度穿過指示光柵、射向主光柵。這里的主光柵不形成透射光。照射到主光柵上的光產(chǎn)生反射光后與指示光柵形成莫爾條紋，此莫爾條紋光再經(jīng)反射鏡反射、物鏡組聚焦后投射到光電元件上，以實(shí)現(xiàn)位

33、移的測量。 5.2.3 辨向原理單個(gè)光電元件接收一固定點(diǎn)的莫爾條紋信號(hào)，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動(dòng)方向，因而就不能判別運(yùn)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)方向，以致不能正確測量位移。如果能夠在物體正向移動(dòng)時(shí)，將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動(dòng)時(shí)可從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測量結(jié)果。上一頁下一頁返 回辨向光路設(shè)置在相距的位置上設(shè)置兩個(gè)光電元件1和2，以得到兩個(gè)相位互差90的正弦信號(hào) 上一頁下一頁返 回辨向電路正向移動(dòng)時(shí)脈沖數(shù)累加，反向移動(dòng)時(shí)，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)所得到的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可辨向。上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回辨向電路各點(diǎn)波形圖4.

34、細(xì)分技術(shù)提高分辨力方法：在選擇合適的光柵柵距的前提下，以對(duì)柵距進(jìn)行測微，電子學(xué)中稱“細(xì)分”，來得到所需的最小讀數(shù)值。細(xì)分就是在莫爾條紋變化一周期時(shí)，不只輸出一個(gè)脈沖，而是輸出若干個(gè)脈沖，以減小辨向電路輸出脈沖間隔，提高分辨力。 上一頁下一頁返 回（1）直接細(xì)分直接細(xì)分又稱位置細(xì)分，常用的細(xì)分?jǐn)?shù)為4。四細(xì)分可用4個(gè)依次相距的光電元件，在莫爾條紋的一個(gè)周期內(nèi)將產(chǎn)生4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)了四細(xì)分。 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)莫爾條紋信號(hào)波形要求不嚴(yán)格，電路簡單，可用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)。缺點(diǎn)：光電元件安放困難，細(xì)分?jǐn)?shù)不能太高。 也可通過對(duì)u1和u2都取反來實(shí)現(xiàn)，即在主光柵位移一個(gè)柵距W期間，可以得到四個(gè)等間隔的計(jì)數(shù)觸發(fā)脈

35、沖、從而實(shí)現(xiàn)四倍頻直接細(xì)分。缺點(diǎn)：受到辨向電路結(jié)構(gòu)的限制，也不可能得到很高的細(xì)分。 上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回未細(xì)分(a)與細(xì)分(b)的波形比較（2）電阻電橋細(xì)分法（矢量和法）則電橋平衡條件：u1R2=u2R1 取u1Um cos，u2Um sin 則：tan R2/R1，且x W/2結(jié)論：選擇不同的R1和R2，可得到在02范圍內(nèi)變化；對(duì)應(yīng)地可以獲得主光柵移動(dòng)量x在0W范圍內(nèi)細(xì)分。從理論上說，在0W范圍內(nèi)可任意細(xì)分，從而得到很高的位移分辨率，實(shí)際上受多方面影響，分得越細(xì)，誤差越大，因而這種細(xì)分也是有限的。 上一頁下一頁返 回輸出端開路時(shí)（RL）：5.3 固態(tài)圖像傳感器定義：指在同一半

36、導(dǎo)體襯底上生成若干個(gè)光敏單元與移位寄存器構(gòu)成一體的集成光電器件，其功能是把按空間分布的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換成按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、耗電少、耐振動(dòng)、抗電磁干擾、堅(jiān)固耐用缺點(diǎn)：分辨率不高，圖像質(zhì)量還趕不上攝像管。 固態(tài)圖像傳感器的敏感元件有多種類型，日前應(yīng)用最廣泛的是電耦合器件(CCD)，它是一個(gè)硅光敏半導(dǎo)體器件，由MOS光敏元件陣列和讀出移位寄存器組成。 上一頁下一頁返 回5.3 固態(tài)圖像傳感器5.3.1 CCD基本結(jié)構(gòu)5.3.2 CCD工作原理5.3.3 CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)5.3.4 圖像傳感器的應(yīng)用上一頁下一頁返 回5.3.1 CCD基本結(jié)構(gòu)CCD是一種半導(dǎo)體器件 MOS

37、電容的結(jié)構(gòu)1金屬 2絕緣層SiO2上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回 CCD是由按一定規(guī)律排列的MOS陣列組成。CCD的最小單元是在P型（或N型）硅襯底上生長一層厚度約為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)，形成電荷包（勢阱）。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。CCD電荷的產(chǎn)生方式： 電壓信號(hào)注入CCD在用作信號(hào)處理或存儲(chǔ)

38、器件時(shí)，電荷輸入采用電注入。 CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。 光信號(hào)注入CCD在用作圖像傳感時(shí)，信號(hào)電荷由光生載流子得到，即光注入 。電極下收集的電荷大小取決于照射光的強(qiáng)度和照射時(shí)間。 在沒有外界電荷注入時(shí)，CCD各單元?jiǎng)葳蹇煽闯煽遮濉?當(dāng)有光照時(shí)，光生電子在正偏壓下迅速注入勢阱。光照越強(qiáng)，注入的光生電子就越多，此時(shí)勢阱中的光生電子數(shù)反映光照強(qiáng)度，故稱勢阱中的電荷為光照強(qiáng)度信號(hào)電荷。由于CCD的MOS單元密集，眾多單元?jiǎng)葳迨占男盘?hào)電荷數(shù)，可以反映一幅空間的光圖像。 上一頁下一頁返 回5.3.2 CCD工作原理信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移 CCD的基本功能是存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷為實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)換： 1、必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。2、控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺，使信號(hào)電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處。3、在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。 上一頁下一頁返 回定向轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰MOS電荷為一單元的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)。每一單元稱為一位，將每位中對(duì)應(yīng)位置上的電容柵極分別連到各自共同電極上，此共同電極稱相線。一位CCD中含的電容個(gè)數(shù)即為CCD的相數(shù)。每相電極連接的電容個(gè)數(shù)一般來說即為CCD的位數(shù)。通常CCD有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們所施加的時(shí)鐘