物性型傳感器課件

第4章物性型傳感器4.1壓電式傳感器

4.2超聲波傳感器

4.3磁敏傳感器

4.4光電式傳感器

4.5光纖與激光傳感器

4.1壓電式傳感器4.1.1壓電效應(yīng)與壓電元件1.壓電效應(yīng)與壓電材料當(dāng)某些電介質(zhì)受到一定方向外力作用而變形時(shí)，

其內(nèi)部便會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，

在它們的上、

下表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的等量電荷；

當(dāng)外力的方向改變時(shí)，

其表面產(chǎn)生的電荷極性也隨之改變；

當(dāng)外力消失后又恢復(fù)不帶電狀態(tài)，

這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。

反之，

若在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，

也將產(chǎn)生機(jī)械形變，

這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。

有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，

但可用的有石英晶體，

壓電陶瓷，

壓電薄膜等，

其性能見(jiàn)表4-1。

表4-1常見(jiàn)的壓電材料及性能

圖4-1石英晶體（a)石英晶體外表；(b)石英晶體切片

2）縱向壓電效應(yīng)對(duì)X切族的晶體切片，

當(dāng)沿電軸方向有作用力Fx時(shí)，在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷。在晶體的線性彈性范圍內(nèi)，電荷量與力成正比，

可表示為

Qxx=d11Fx（4-1）

式中，d11稱(chēng)為縱向壓電系數(shù)［CN-1］，典型值為2.31，雙角標(biāo)第一位表示產(chǎn)生電荷表面所垂直的軸，第二位表示外力平行的軸，x為1，y為2，z為3。圖4-2石英晶體切片受力與電荷極性的關(guān)系示意圖

3.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷屬于鐵電體物質(zhì)，是一種人造的多晶體壓電材料。它由無(wú)數(shù)細(xì)微的電疇組成。在無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，各電疇雜亂分布，其極化效應(yīng)相互抵消，因此原始的壓電陶瓷不具有壓電特性。只有在一定的高溫(100～170℃)下，對(duì)兩個(gè)極化面加高壓電場(chǎng)進(jìn)行人工極化后，陶瓷體內(nèi)部保留有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，當(dāng)沿極化方向（定為z軸）施力時(shí)，則在垂直于該方向的兩個(gè)極化面上產(chǎn)生正、負(fù)電荷，其電荷量Q與力F成正比，即Q=d33F（4-3）

式中，d33稱(chēng)為縱向壓電系數(shù)，可達(dá)幾十至數(shù)百。實(shí)用的壓電陶瓷片的結(jié)構(gòu)形式與壓電極性如圖4-3所示。三角牌壓電陶瓷片的特性見(jiàn)表4-2。

圖4-3壓電陶瓷片

表4-2三角牌壓電蜂鳴器的特性

4.1.2電荷放大器1.壓電元件的等效電路和電路符號(hào)如圖4-4所示，當(dāng)壓電片受力時(shí)，在兩電極表面出現(xiàn)等量而極性相反的電荷，根據(jù)電容器原理，它可等效為一個(gè)電容器。當(dāng)兩極板聚集一定電荷時(shí)，兩極板就呈現(xiàn)一定的電壓。因此，壓電元件可等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容Ca的并聯(lián)電路；也可等效為一個(gè)電壓源Ua和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路。圖（d）為壓電元件的電路符號(hào)。由于材料存在泄漏電阻Ra，壓電片的電荷不可能長(zhǎng)久保存，只有外力以較高頻率不斷作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充。因此，壓電式傳感器不適用于靜態(tài)測(cè)量，在測(cè)量交變信號(hào)時(shí)，也應(yīng)該注意其下限頻率范圍，常用于加速度和動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量。圖4-4壓電元件的等效電路(a)原理圖；(b)電荷源；(c)電壓源；(d)電路符號(hào)

2.電荷放大器壓電式傳感器測(cè)量電路的關(guān)鍵是高輸入阻抗的前置放大器，它有電壓放大器和電荷放大器兩種形式?？紤]到壓電片的泄漏電阻Ra、連接電纜的等效電容Cc、前置放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci，其等效電路如圖4-5的左半部分所示。由于電壓放大器輸出電壓與電纜分布電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。電荷放大器是一個(gè)電容深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器，其原理電路如圖4-5所示。圖4-5電荷放大器的原理電路

4.2超聲波傳感器

4.2.1超聲波的傳輸特性人耳能夠聽(tīng)到的機(jī)械波，頻率在16Hz～20kHz之間，稱(chēng)為聲波。人耳聽(tīng)不到的機(jī)械波，

頻率高于20kHz的稱(chēng)為超聲波；

頻率低于16Hz的稱(chēng)為次聲波。超聲波的頻率越高，就越接近光學(xué)的反射、折射等特性。

超聲波可分為縱波、橫波和表面波。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向一致的波稱(chēng)為縱波，它能在固體、液體和氣體中傳播。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方面相垂直的波稱(chēng)為橫波，它只能在固體中傳播。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波和縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱(chēng)為表面波。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度取決于介質(zhì)密度、

介質(zhì)的彈性系數(shù)及波型。一般來(lái)說(shuō)，

在同一固體中橫波聲速為縱波聲速的一半左右，而表面波聲速又低于橫波聲速。當(dāng)超聲波在某一介質(zhì)中傳播，或者從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)時(shí)，遵循如下一些規(guī)律：

（3）超聲波的反射與折射：當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界面上，會(huì)發(fā)生反射與折射。同樣遵循反射定律和折射定律：入射角與反射角、折射角的正弦比等于入射波速與反射波速、折射波速之比。（4）

超聲波的波形轉(zhuǎn)換：

若選擇適當(dāng)?shù)娜肷浣牵?/p>

使縱波全反射，

那么在折射中只有橫波出現(xiàn)；

如果橫波也全反射，

那么在工件表面上只有表面波存在。

4.2.2超聲波換能器超聲波換能器也稱(chēng)為超聲波探頭，

即超聲波傳感器。

按原理有壓電式、

磁致伸縮式、

電磁式等，

其中壓電式最常用。

壓電式利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)制成超聲波發(fā)射頭，

利用壓電效應(yīng)制成超聲波接收頭。

按照不同的應(yīng)用目的，

超聲波傳感器有不同的結(jié)構(gòu)形式。

探傷用超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。

診斷及水和空氣中用超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。

圖4-6探傷用超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)圖（a）

直探頭；（b）

斜探頭；（c）

雙探頭

4.2.3空氣中傳播的超聲波傳感器及其基本電路1.遙控用超聲波傳感器超聲波遙控電路采用專(zhuān)用的在空氣中傳播的超聲發(fā)射器（用符號(hào)T表示）與接收器(用符號(hào)R表示)成對(duì)配套使用。

超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-7（c）所示，采用雙壓電陶瓷晶片結(jié)構(gòu)。

將雙壓電陶瓷晶片固裝在基座上，為了增強(qiáng)其效果，在壓電晶片上面加裝了錐形喇叭，最后將其裝在金屬殼體中并伸出兩根引線。它所發(fā)射的超聲波采用固定的中心頻率，諧振頻率f0一般為40kHz。這種傳感器有一種單峰特性，即在中心頻率f0處?kù)`敏度最高，輸出信號(hào)幅度最大，接收器的接收靈敏度最高，

而在中心頻率兩側(cè)則迅速衰減。由于超聲波接收器具有很好的選頻特性，

因此在組成電路系統(tǒng)時(shí)，不必另設(shè)選頻網(wǎng)絡(luò)。由于發(fā)射器需要發(fā)射出強(qiáng)度較高的超聲波信號(hào)，所以它的靈敏度大于100dB。接收器應(yīng)能良好地接收超聲波信號(hào)，因此它的靈敏度大于－60dB。

表4-3T/R40型超聲傳感器的外形與尺寸

圖4-9是采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路實(shí)例。電路中用NPN晶體管V放大頻率可調(diào)振蕩器OSC的輸出信號(hào)，放大的信號(hào)經(jīng)脈沖變壓器T升壓為較高的交流電壓供給超聲波傳感器MA40S2S。

超聲波傳感器MA40S2S產(chǎn)生40kHz能量的超聲波。

圖4-9采用脈沖變壓器的超聲波振蕩電路

3.超聲波接收電路由于超聲波傳感器接收到的信號(hào)極其微弱，因此，一般要接幾十dB以上的高增益放大器。如圖4-10所示，采用NPN晶體管V進(jìn)行放大構(gòu)成超聲波接收電路，超聲波傳感器采用MA40S2R。

超聲波傳感器一般用于檢測(cè)反射波，它遠(yuǎn)離超聲波發(fā)生源，能量衰減較大，只能接收到幾mV左右的微弱信號(hào)。因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)要加多級(jí)放大器。

圖4-10晶體管超聲波接收電路

圖4-11是采用運(yùn)放的超聲波接收電路，電路增益較高。電路輸出為高頻電壓，

實(shí)際上后面還要接檢波電路、放大電路以及開(kāi)關(guān)電路等。

圖4-11集成運(yùn)放超聲波接收電路

4.采用超聲波模塊RS-2410的測(cè)距計(jì)圖4-12是采用超聲波模塊RS-2410的測(cè)距計(jì)，RS-2401模塊內(nèi)有發(fā)送與接收電路以及相應(yīng)的定時(shí)控制電路等。KD-300為數(shù)字顯示電路，

用三位數(shù)字顯示RS-2410的輸出，單位為cm，

因此，

顯示最大距離為999cm。

這種超聲波測(cè)距計(jì)能測(cè)的最大距離為600cm左右，

最小距離為2cm左右，

但應(yīng)滿(mǎn)足被測(cè)物體較大、

反射效率高、入射角與反射角相等的條件。

圖4-12采用超聲波模塊的測(cè)距計(jì)

4.3磁

敏

傳

感

器

4.3.1霍爾元件1.霍爾效應(yīng)1879年霍爾發(fā)現(xiàn)，

在通有電流的金屬板上加一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，

當(dāng)電流方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，

在與電流和磁場(chǎng)都垂直的金屬板的兩表面間出現(xiàn)電勢(shì)差，

這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。

產(chǎn)生的電勢(shì)差稱(chēng)為霍爾電勢(shì)。

其成因可用帶電粒子在磁場(chǎng)中所受到的洛倫茲力來(lái)解釋。如圖4-13（a）所示，將金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)薄片時(shí)，電子受到洛倫茲力FL的作用向一側(cè)偏移，電子向一側(cè)堆積形成電場(chǎng)，該電場(chǎng)對(duì)電子又產(chǎn)生電場(chǎng)力。電子積累越多，電場(chǎng)力越大。洛倫茲力的方向可用左手定則判斷，它與電場(chǎng)力的方向恰好相反。當(dāng)兩個(gè)力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，在薄片的cd方向建立穩(wěn)定電場(chǎng)，即霍爾電勢(shì)。激勵(lì)電流越大，磁場(chǎng)越強(qiáng)，電子受到的洛侖茲力也越大，霍爾電勢(shì)也就越高。其次，薄片的厚度、半導(dǎo)體材料中的電子濃度等因素對(duì)霍爾電勢(shì)也有影響?；魻栯妱?shì)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為EH=KHIB

mV(4-7)式中，KH［mV／(mA·T)］稱(chēng)為霍爾元件的靈敏度系數(shù)?；魻栯妱?shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)I或B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果磁場(chǎng)方向與半導(dǎo)體薄片不垂直，而是與其法線方向的夾角為θ，則霍爾電勢(shì)為EH=KHIBcosθmV(4-8)

2.霍爾元件由于導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)很弱，霍爾元件都用半導(dǎo)體材料制作?；魻栐且环N半導(dǎo)體四端薄片，它一般做成正方形，在薄片的相對(duì)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)地焊上兩對(duì)電極引出線。一對(duì)稱(chēng)為激勵(lì)電流端，另外一對(duì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)輸出端。目前常用的霍爾元件材料是N型硅，它的霍爾靈敏度系數(shù)、

溫度特性、

線性度均較好。

銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)、N型鍺(Ge)等也是常用的霍爾元件材料。

銻化銦元件的輸出較大，

受溫度影響也較大；

砷化銦和鍺的輸出不及銻化銦的大，

但溫度系數(shù)小，

線性度好。

砷化鎵(GaAs)是新型的霍爾元件材料，

溫度特性和輸出線性都好，但價(jià)格貴。

圖4-13霍爾元件（a）

霍爾效應(yīng)原理圖；

（b）

圖形符號(hào)；

（c）外形

4.3.2集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件、放大器、穩(wěn)壓電源、功能電路及輸出電路等集成在一起的單片集成傳感器。集成霍爾傳感器中霍爾元件的材料仍以半導(dǎo)體硅為主，按輸出信號(hào)的形式可分為線性型和開(kāi)關(guān)型兩類(lèi)，如圖4-14所示。線性集成霍爾傳感器是將霍爾元件、恒流源、線性放大電路等集成在一個(gè)芯片上，輸出模擬電壓與外加磁場(chǎng)呈線性關(guān)系；開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器是將霍爾元件、恒流源、施密特電路、驅(qū)動(dòng)電路等集成在一個(gè)芯片上，驅(qū)動(dòng)電路為集電極開(kāi)路的三極管，輸出具有遲滯特性。線性集成霍爾傳感器用于無(wú)觸點(diǎn)電位器、無(wú)刷直流馬達(dá)、速度傳感器和位置傳感器等；開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器用于鍵盤(pán)開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、速度傳感器和位置傳感器?；魻柤呻娐酚斜馄椒庋b，DIP封裝和軟封裝幾種。圖4-14霍爾集成電路外形尺寸、內(nèi)部電路和輸出特性（a）

模擬型；（b）開(kāi)關(guān)型；（c）UGN3501M線性集成霍爾傳感器分為單端輸出和雙端輸出（差分輸出）兩種。UGN-3501為典型的單端輸出集成霍爾傳感器，是一種扁平塑料封裝的三端元件，腳1（UCC），2（GND），3（OUT），有T、U兩種型號(hào)，其區(qū)別僅是厚度不同。T型厚度為2.03mm，U型厚度為1.45mm。UGN-3501T在－0.15T~0.15T磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性，超過(guò)此范圍則呈飽和狀態(tài)。典型的雙端輸出集成霍爾傳感器型號(hào)為UGN-3501M，8腳DIP封裝，腳1和8（差動(dòng)輸出），2（空），3（UCC），4（GND），5、6、7間接一調(diào)零電位器，對(duì)不等位電勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)償，還可以改善線性，但靈敏度有所降低。根據(jù)測(cè)試，當(dāng)?shù)?腳和第6腳間的外接電阻R5-6=100Ω時(shí)，電路有良好的線性。隨R5-6阻值的減小，輸出電壓升高，但線性度下降。因此，若允許不等位電勢(shì)輸出，則可不接電位器。國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的集成霍爾傳感器有SL-N3000系列（中），SH100、300系列（中），DN830、6830系列（日），SAS200系列開(kāi)關(guān)UGN3000系列（美）等線性和開(kāi)關(guān)型，SAS200系列（德）開(kāi)關(guān)型等。表4-4～4-7列出了部分集成霍爾傳感器的參數(shù)。

表4-4國(guó)產(chǎn)開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器的參數(shù)

表4-5美國(guó)開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器

表4-6國(guó)產(chǎn)線性集成霍爾傳感器的參數(shù)

表4-7美國(guó)、日本線性集成霍爾傳感器的參數(shù)

4.3.3霍爾式傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域由式(4-8)可得出霍爾式傳感器具有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：（1）維持激勵(lì)電流I不變，可構(gòu)成磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)、霍爾轉(zhuǎn)速表、角位移測(cè)量?jī)x、磁性產(chǎn)品計(jì)數(shù)器、霍爾式角編碼器以及基于測(cè)量微小位移的霍爾式加速度計(jì)、微壓力計(jì)等。（2）

當(dāng)I、B兩者都為變量時(shí)，可構(gòu)成模擬乘法器、功率計(jì)等。

保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒定，

可做成過(guò)電流檢測(cè)裝置等。

4.4光電式傳感器

4.4.1光與光電效應(yīng)1.光的知識(shí)（1）

光的電磁說(shuō)：

光是一種電磁波，

其頻譜如圖4-15所示。

可見(jiàn)光只是電磁波譜中的一小部分，波長(zhǎng)在780～380nm之間，

紅光頻率最低，

紫光頻率最高。

光的頻率越高，

攜帶的能量越大。

圖4-15電磁波譜

（2）光的量子說(shuō)：光是一種帶有能量的粒子（稱(chēng)為光子）所形成的粒子流。光子的能量為We＝hυ。式中，h=6.63×10-34J·s為普朗克常數(shù)；υ為光的頻率。它是光電元件的理論基礎(chǔ)。

2.光電效應(yīng)1）外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)即光電子發(fā)射效應(yīng)，

在光的作用下使電子逸出物體表面。

基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電二極管和光電倍增管及紫外線傳感器等。

根據(jù)能量守恒定律，

要使電子逸出并具有初速度，

光子的能量必須大于物體表面的電子逸出功。

這一原理可用愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程來(lái)表示，即

(4-9)式中，m為電子的質(zhì)量；A為物體的電子表面逸出功。

由于光子的能量與光的頻率成正比，

因此要使物體發(fā)射光電子，

光的頻率必須高于某一限值。

這個(gè)能使物體發(fā)射光電子的最低光頻率稱(chēng)為紅限頻率。

小于紅限頻率的入射光，

光再?gòu)?qiáng)也不會(huì)激發(fā)光電子；

大于紅限頻率的入射光，

光再弱也會(huì)激發(fā)光電子。

單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)稱(chēng)為光電流，

它與入射光的光強(qiáng)成正比。

對(duì)光電管，

即使陽(yáng)極電壓為零也會(huì)有光電流產(chǎn)生。

欲使光電流為零必須加負(fù)向的截止電壓，

截止電壓應(yīng)與入射光的頻率成正比。

2）內(nèi)光電效應(yīng)（1）光電導(dǎo)效應(yīng)：在光的作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，從而引起材料的電阻率降低。基于這種效應(yīng)的光電元件有光敏電阻。（2）光電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)：當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子—空穴對(duì)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管和光敏晶閘管等。如一只玻璃封裝的二極管，接一只50μA的電流表，便不難驗(yàn)證：二極管受光照時(shí)有電流輸出，無(wú)光照時(shí)無(wú)電流輸出。（3）光的熱電效應(yīng)：利用人體輻射的紅外線的熱效應(yīng)制成熱釋電（人體）傳感器。4.4.2光電元件1.光電倍增管光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理如圖4-16所示，它由光電陰極K，陽(yáng)極A和倍增極(也稱(chēng)打拿極)D組成。光電陰極發(fā)射的光電子在電場(chǎng)作用下被加速，以高速射入倍增極，倍增極表面逸出加倍的電子，稱(chēng)為二次發(fā)射。倍增極數(shù)目一般為4～14個(gè)，增益G=106～108。常見(jiàn)的光電倍增管按進(jìn)光部位可分為側(cè)窗式和端窗式兩類(lèi)；按管內(nèi)電極構(gòu)造形狀又可分聚焦式、百葉窗式和盒柵式等。光電倍增管噪聲小、增益高、頻帶響應(yīng)寬，在探測(cè)微弱光信號(hào)領(lǐng)域是其他光電傳感器所不能取代的。使用和存放時(shí)必須特別注意：

絕對(duì)避免強(qiáng)光照射光陰極面，以防損壞光電陰極。

圖4-16光電倍增管結(jié)構(gòu)原理圖

2.紫外線傳感器紫外線傳感器是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)檢測(cè)紫外線的光電器件。

它的光譜響應(yīng)為85～260nm，

對(duì)紫外線特別敏感，尤其對(duì)燃燒時(shí)產(chǎn)生的紫外線反應(yīng)更為強(qiáng)烈，甚至可以檢測(cè)5m以?xún)?nèi)打火機(jī)火焰發(fā)出的紫外線。

它除了會(huì)受到高壓水銀燈、γ射線、

閃電及焊接弧光的干擾外，

對(duì)可見(jiàn)光不敏感。

此外，

它還具有靈敏度高、

受光角度寬（視角范圍達(dá)120°）、

響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

因此，

紫外線傳感器主要用作火災(zāi)報(bào)警敏感元件，

故又稱(chēng)它為火災(zāi)報(bào)警傳感器。它可以廣泛地用于石油、氣體燃料的火災(zāi)報(bào)警，也可以用于賓館、飯店、辦公室、倉(cāng)庫(kù)等重要場(chǎng)合的火災(zāi)報(bào)警。

紫外線傳感器的外形結(jié)構(gòu)如圖4-17所示，

其中(a)為頂式結(jié)構(gòu)，(b)為臥式結(jié)構(gòu)。

紫外線傳感器的結(jié)構(gòu)和光電管的結(jié)構(gòu)非常相似，在玻璃管內(nèi)有兩個(gè)電極，

陰極和陽(yáng)極。

在石英玻璃管內(nèi)封入了特殊的氣體。

在陰極和陽(yáng)極間加約350V的電壓，當(dāng)紫外線照射在光電陰極上時(shí)，

陰極就會(huì)發(fā)射光電子。

在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，光電子高速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，

與管內(nèi)氣體分子相碰撞而使氣體分子電離，氣體電離產(chǎn)生的電子再與氣體分子相碰撞，

最終使陰極和陽(yáng)極間被大量的光電子和離子所充斥，

造成輝光放電現(xiàn)象，

電路中形成很大的電流值。

紫外線傳感器的這種工作狀態(tài)與光電倍增管很相似。當(dāng)沒(méi)有紫外線照射時(shí)，

陰極和陽(yáng)極間沒(méi)有電子和離子的流動(dòng)，陰極和陽(yáng)極間呈現(xiàn)相當(dāng)高的阻抗。

圖4-17紫外線傳感器的外形結(jié)構(gòu)圖(a)頂式；(b)臥式

如圖4-18所示，

紫外線傳感器的基本電路是由RC構(gòu)成的充放電回路，

其時(shí)間常數(shù)稱(chēng)為阻尼時(shí)間，

電極間殘留離子的衰變時(shí)間一般為5～10ms；當(dāng)入射紫外線光通量低于某值時(shí)，

從輸出端可以得到與入射光量成正比的脈沖數(shù)，

但若光通量大于此值時(shí)，

由于電容的放電，

管內(nèi)電流就飽和了。

因此紫外線傳感器適合作光電開(kāi)關(guān)，不適合作精密的紫外線測(cè)量。

圖4-18紫外線傳感器基本電路及輸出波形（a）

基本電路；

（b）

輸出波形

3.光敏電阻光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管，是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電元件，當(dāng)光照射時(shí)其電阻值降低。將其與一電阻串聯(lián)并接到電源上，便可把光信號(hào)變成電信號(hào)。按光譜特性及最佳工作波長(zhǎng)范圍分類(lèi)，

可有紫外光、

可見(jiàn)光及紅外光光敏電阻類(lèi)。CdS光敏電阻覆蓋了紫外光和可見(jiàn)光范圍，其典型結(jié)構(gòu)如圖4-19所示。

將CdS粉末燒結(jié)在陶瓷襯底上，形成一層CdS膜，用兩根引線引出。為防止光敏電阻芯片受潮，均需采用密封結(jié)構(gòu)，常用金屬外殼、塑料或防潮涂料等密封。常用光敏電阻的性能參數(shù)見(jiàn)表4-8。

圖4-19光敏電阻的結(jié)構(gòu)(a)電路符號(hào)；(b)結(jié)構(gòu)圖

表4-8MG型光敏電阻的性能參數(shù)

4.光電池光電池也稱(chēng)太陽(yáng)能電池，

有硒光電池、

硅光電池及砷化鎵光電池等。目前發(fā)展最快，

應(yīng)用最廣的是單晶硅及非晶硅光電池。其形狀有圓形、

方形、矩形、

三角形或六角形等。

硅光電池的頻率特性?xún)?yōu)于硒光電池。

硅光電池的光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)約為800nm，適于接受紅外光；

硒光電池的光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)在540nm，適于接受可見(jiàn)光；

砷化鎵光電池光譜響應(yīng)特性與太陽(yáng)光最吻合，

適合用作宇航電源。

常用的硅光電池是在N型硅片上擴(kuò)散硼形成P型層，分別引出電極，再將受光面氧化以形成SiO2保護(hù)膜即成。當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，如果光子能量足夠大，就在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，載流子的運(yùn)動(dòng)平衡被打破，P區(qū)電子進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)空穴進(jìn)入P區(qū)，N區(qū)因電子集結(jié)帶負(fù)電，P區(qū)因空穴集結(jié)帶正電，兩端出現(xiàn)電位差，即光生電動(dòng)勢(shì)。應(yīng)用最廣的2CR為N型單晶硅，2DR為P型單晶硅。圖4-20(b)是硅光電池開(kāi)路電壓及短路電流與光照度的關(guān)系曲線，可見(jiàn)開(kāi)路電壓U與照度E間成非線性關(guān)系。當(dāng)E>1000Lx時(shí)，光生電壓開(kāi)始進(jìn)入飽和狀態(tài),用于低照度檢測(cè)并使負(fù)載電阻盡量大；而短路電流I與光照度E之間成線性關(guān)系，可用于高照度檢測(cè)并使負(fù)載電阻應(yīng)盡量接近短路狀態(tài)。

圖4-20硅光電池的電路符號(hào)與光照特性(a)電路符號(hào)；(b)光照特性

表4-92CR型硅光電池的特性參數(shù)

5.光敏管1）光敏二極管光敏二極管與普通半導(dǎo)體二極管的主要區(qū)別在于PN結(jié)面積較大、

距表面較淺，

上電極較小，

利于接受光照射以提高光電轉(zhuǎn)換效率。

如前所述，

它的工作機(jī)理是光生電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)，

即當(dāng)受到光照時(shí)，半導(dǎo)體本征載流子濃度增加，在P區(qū)和N區(qū)均為少數(shù)載流子，在PN結(jié)勢(shì)壘作用下，分別向?qū)Ψ絽^(qū)域漂移。

此時(shí)若將兩端短路，便構(gòu)成短路光電流；若兩端開(kāi)路或接負(fù)載，

則輸出光生電勢(shì)；

若加外電場(chǎng)，

則反向飽和電流增加。

光敏二極管正向伏安特性與普通二極管相似，光電流不明顯；反向特性受光照控制。因此，光敏二極管一般加反向偏置電壓，利用反向飽和電流隨光照強(qiáng)弱而變化進(jìn)行工作。光敏二極管的種類(lèi)很多。按制作材料來(lái)分，有硅光敏二極管(2CU、2DU類(lèi))，鍺光敏二極管（2AU類(lèi)）；按不同峰值波長(zhǎng)來(lái)分，有近紅外光硅光敏二極管，如對(duì)紅外光最敏感的鋰漂移性硅光敏二極管，藍(lán)光光敏二極管等；其他還有用于激光的PIN型硅光敏二極管（日本產(chǎn)SPD、S、MP、MBC、SP、PP、TP、PD、PH、TPS、M等多種系列，國(guó)產(chǎn)2CU101、2CU201等）和靈敏度更高的雪崩光敏二極管等。國(guó)產(chǎn)光敏二極管一般有2CU和2DU兩種，常用2CU型。表4-10給出了幾種類(lèi)型的光敏二極管的主要技術(shù)參數(shù)及其主要用途。表4-10一些國(guó)產(chǎn)光敏二極管的主要技術(shù)參數(shù)

圖4-21光敏二極管電路符號(hào)和外形

圖4-22光敏二極管應(yīng)用電路（a)亮通電路；

（b)暗通電路

2）光敏晶體管光敏晶體管與普通晶體管類(lèi)似，但發(fā)射區(qū)較小，當(dāng)光照射到發(fā)射結(jié)上時(shí)，產(chǎn)生基極光電流IL，集電極電流IC＝βIL，顯然集電極電流IC正比于照射光的強(qiáng)度。光敏三極管的電路符號(hào)及基本應(yīng)用電路如圖4-23所示。

國(guó)產(chǎn)光敏三極管的型號(hào)主要有3AU、3DU、ZL系列，日本型號(hào)有TPS、PT、PPT、PH、PS、PN、T等系列。

表4-11列出了國(guó)產(chǎn)光敏三極管的特性參數(shù)。

圖4-23光敏三極管電路符號(hào)及應(yīng)用電路（a）

電路符號(hào)；

（b）

基本應(yīng)用電路

表4-11國(guó)產(chǎn)光敏三極管的特性參數(shù)

3）光敏晶閘管光敏晶閘管和普通晶閘管的惟一不同之處就是門(mén)極控制信號(hào)。

普通晶閘管的門(mén)極控制信號(hào)為一外加正向電壓，

而光敏晶閘管的門(mén)極控制信號(hào)為光照，

如圖4-24所示。當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，

由光電流控制晶閘管導(dǎo)通；

當(dāng)無(wú)光照時(shí)，晶閘管在陽(yáng)極電流小于維持電流或陽(yáng)極電壓過(guò)零時(shí)關(guān)斷。

圖4-24光敏晶閘管（a）

結(jié)構(gòu)圖；

（b）

電路符號(hào)；

（c）

使用方法；

（d）、

（e）

外形圖

表4-12部分光敏晶閘管的技術(shù)參數(shù)

6.紅外光傳感器

1）熱釋電傳感器（PIR）

如4.1節(jié)介紹的壓電陶瓷等，

這類(lèi)電介質(zhì)在電極化后能保持極化狀態(tài)，

稱(chēng)為自發(fā)極化。自發(fā)極化隨溫度升高而減小，

在居里點(diǎn)溫度降為零。因此，當(dāng)這種材料受到紅外輻射而溫度升高時(shí)，

表面電荷將減少，相當(dāng)于釋放了一部分電荷，故稱(chēng)為熱釋電。將釋放的電荷經(jīng)放大器可轉(zhuǎn)換為電壓輸出。這就是熱釋電傳感器的工作原理。

熱釋電傳感器常用的陶瓷材料是熱電系數(shù)高的鋯鈦酸鉛（PZT）系、鉭酸鋰（LiTaO3）、

硫酸三甘鈦（TGS）等。

將這種熱釋電元件、

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管、

電阻等封裝在避光的殼體內(nèi)，

并配以濾光鏡片透光窗口，

便組成熱釋電傳感器。

如圖4-25所示為L(zhǎng)N074B型熱釋電傳感器的外形及內(nèi)部組成。

圖4-25LN074B型熱釋電傳感器的外形及內(nèi)部組成（a）

外形圖；

（b）內(nèi)部組成圖

濾光片對(duì)于太陽(yáng)和熒光燈的短波長(zhǎng)具有高的反射率，

而對(duì)人體發(fā)出來(lái)的紅外熱源有高的透過(guò)性，

其光譜響應(yīng)為6μm以上。

人體溫度為36.5℃時(shí)，

輻射紅外線波長(zhǎng)為9.36μm；38℃時(shí)，

輻射紅外線波長(zhǎng)為9.32μm。

因此熱釋電傳感器又稱(chēng)人體紅外傳感器，

被廣泛應(yīng)用于防盜報(bào)警、

來(lái)客告知及非接觸開(kāi)關(guān)等紅外領(lǐng)域。

當(dāng)輻射繼續(xù)作用于熱釋電元件，

使其表面電荷達(dá)到平衡時(shí)，

便不再釋放電荷。

因此，

熱釋電傳感器不能探測(cè)恒定的紅外輻射，

也不能測(cè)量居里點(diǎn)以上的溫度。

實(shí)際應(yīng)用中，

對(duì)于恒定的紅外輻射進(jìn)行調(diào)制（或稱(chēng)斬光），

使其變成交變輻射，

不斷引起探測(cè)器的溫度變化，

才能導(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生，

并輸出不變的電信號(hào)。

圖4-26HN911應(yīng)用電路

熱釋電元件同樣具有壓電效應(yīng)，

使用時(shí)應(yīng)避免振動(dòng)。

將兩個(gè)特性相同的熱釋電元件反極性串接，

可補(bǔ)償外界環(huán)境溫度和振動(dòng)的影響。

二元型熱釋電傳感器有TO-5金屬封裝的P228（LiTaO3）、LS-064、LN-074B、SDO2（PZT）等。此外，

用于測(cè)溫的熱釋電紅外傳感器，

其測(cè)溫范圍可達(dá)-80～1500℃。

HN911是一個(gè)將熱釋電傳感器、放大器、信號(hào)處理電路、延時(shí)電路和高低電平輸出電路集成在一起的熱釋電紅外探測(cè)模塊，其典型應(yīng)用電路如圖4-26所示。平時(shí)1端輸出低電平，2端輸出高電平，當(dāng)檢測(cè)到人體移動(dòng)時(shí)，則1端高、2端低。用菲涅耳透鏡與熱釋電傳感器配套，可以把熱釋電傳感器的檢測(cè)距離擴(kuò)大到10～15m，

視野角擴(kuò)展到84°～135°。平面型為壁掛式，如S-136；

球狀型為吸頂式，如S-99、RS-8等。

2）量子型紅外光敏器件的結(jié)構(gòu)及工作原理（1）PbS紅外光敏元件：其結(jié)構(gòu)如圖4-27所示。它是先在玻璃基板上制成金電極，然后蒸鍍PbS薄膜，再引出電極線即成。為防止PbS氧化，一般要將PbS光敏元件封入真空容器內(nèi)，并用玻璃或藍(lán)寶石做光窗。PbS紅外光敏元件對(duì)近紅外光到3μm波長(zhǎng)的紅外光有較高的靈敏度，

并可在室溫下工作。當(dāng)紅外光照射在PbS光敏元件上時(shí)，

由于光電導(dǎo)效應(yīng)，PbS光敏元件的阻值將發(fā)生變化，

電阻的變化也將引起PbS光敏元件兩電極間電壓的變化。

圖4-27PbS紅外線光敏元件的結(jié)構(gòu)示意圖

（2）ZnSb紅外光敏元件：

其結(jié)構(gòu)如圖4-28所示，

它和具有PN結(jié)的光敏二極管相似，

是把雜質(zhì)Zn等用擴(kuò)散法滲入N型半導(dǎo)體中形成P層，

構(gòu)成PN結(jié)，

然后再引出引線制成的。

圖4-28ZnSb紅外光敏元件的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)紅外光照射在ZnSb光敏元件的PN結(jié)上時(shí)，由于光生伏特效應(yīng)，在ZnSb光敏元件兩端產(chǎn)生電勢(shì)，此電勢(shì)的大小與光照強(qiáng)度成比例。ZnSb紅外光敏元件的靈敏度高于PbS紅外光敏元件，能在室溫下工作，也可在低溫下工作。若在低溫下工作時(shí)，可采用液態(tài)氮進(jìn)行冷卻。紅外光傳感器的選擇可參見(jiàn)表4-13。

表4-13國(guó)產(chǎn)紅外探測(cè)器的性能

7.CCD圖像傳感器電荷耦合器（ChargeCoupledDevices，CCD）具有存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移并逐一讀出信號(hào)電荷的功能。利用電荷耦合器件的這種功能，可以制成圖像傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、延遲線等，在軍事、工業(yè)和民用產(chǎn)品領(lǐng)域內(nèi)都有著廣泛的應(yīng)用。電荷耦合器的基本結(jié)構(gòu)如圖4-29所示，在一硅片上有一系列并排的MOS電容，這些MOS電容的電極以三相方式聯(lián)結(jié)，即：電極1、4、7…與時(shí)鐘￠1相連，電極2、5、8…與時(shí)鐘￠2相連，電極3、6、9…與時(shí)鐘￠3相連。只要在電極上加上電壓，硅片上就會(huì)形成一系列勢(shì)阱。有光照時(shí)，這些勢(shì)阱都能收集光生電荷。只要電極上的電壓不去掉，這些代表信息的電荷就一直存儲(chǔ)在那里。通常把這些被收集在勢(shì)阱中的信號(hào)電荷稱(chēng)為電荷包。圖4-29電荷耦合器的結(jié)構(gòu)原理

直接采用MOS電容感光的CCD圖像傳感器對(duì)藍(lán)光的透過(guò)率差、

靈敏度低。

現(xiàn)在CCD圖像傳感器已采用光敏二極管作為感光元件，如圖4-30所示，

它是一種家用攝像機(jī)CCD圖像傳感器的外形圖。它像一個(gè)大規(guī)模集成電路，

在它的正面有一個(gè)長(zhǎng)方形的感光區(qū)，感光區(qū)中有幾十萬(wàn)至幾百萬(wàn)個(gè)像素單元，

每一個(gè)像素單元上有一光敏二極管。

這些光敏二極管在受到光照時(shí)，

便產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的電荷，

再通過(guò)電注入法將這些電荷引入CCD器件的勢(shì)阱中，

便成為用光敏二極管感光的CCD圖像傳感器。

它的靈敏度極高，

在低照度下也能獲得清晰的圖像，

在強(qiáng)光下也不會(huì)燒傷感光面。

目前它不僅在家用攝像機(jī)中得到了應(yīng)用，

而且在廣播、

專(zhuān)業(yè)攝像機(jī)中也取代了攝像管。

圖4-30CCD圖像傳感器的外形圖

8.光電位置探測(cè)器光電位置探測(cè)器（PositionSensingDetector，PSD）是一種能測(cè)量光點(diǎn)在探測(cè)器表面上連續(xù)位置的光學(xué)探測(cè)器。PSD由P襯底、PIN光電二極管及表面電阻組成，如圖4-31所示，P型層在表面，N型層在底面，I層在中間。落在PSD上的入射光轉(zhuǎn)換成光電子后由P型兩端電極輸出光電流I1和I2。因電荷通過(guò)的P型層是一均勻的電阻，所以光電流與光的入射點(diǎn)到電極間的距離成反比。若以幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，則有(4-10)若以一端為坐標(biāo)原點(diǎn)，則有

(4-11)圖4-31PSD光電位置探測(cè)器的原理圖（a）

原理；

（b）

結(jié)構(gòu)

9.色彩傳感器與色彩識(shí)別1）雙結(jié)色彩傳感器如圖4-32所示，雙結(jié)色彩傳感器是在一個(gè)外殼內(nèi)封裝有兩個(gè)光敏二極管VD1和VD2的雙結(jié)二極管結(jié)構(gòu)。VD1和VD2有著不同光譜特性，

其短路電流比與入射光的波長(zhǎng)有著一定的比例關(guān)系，只要測(cè)出短路電流的比值，就能知道入射光的波長(zhǎng)，也就確定了入射光的色譜。

圖4-32雙結(jié)色彩傳感器的原理圖（a）

內(nèi)部結(jié)構(gòu)；

（b）

等效電路

2）全色色彩傳感器如圖4-33所示為全色色彩傳感器的結(jié)構(gòu)原理、等效電路、外形尺寸和頻譜響應(yīng)特性。該傳感器在非晶態(tài)硅的基片上平排做了三個(gè)光電二極管，并在各個(gè)光電二極管上分別加上紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)濾色鏡，將來(lái)自物體的反射光分解為三種顏色，根據(jù)R、G、B的短路電流輸出大小，通過(guò)電子線路及計(jì)算機(jī)可以識(shí)別12種以上的顏色。它也叫非晶態(tài)色彩傳感器。AN3301系列集成色彩傳感器的頻譜響應(yīng)特性（相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系）如圖4-33（d）所示，

其特性如表4-14所示。

圖4-33全色色彩傳感器（a）結(jié)構(gòu)原理；（b）等效電路；（c）外形；（d）光譜響應(yīng)特性表4-14AN3301系列集成色彩傳感器的特性

非晶態(tài)色彩傳感器的入射光線的照度與輸出電壓的關(guān)系如圖4-34所示。在負(fù)載電阻為100kΩ時(shí)，其照度與輸出電壓取用對(duì)數(shù)刻度時(shí)具有良好的線性度，并且其斜率接近于1；若將負(fù)載電阻接成1MΩ以上時(shí)，電壓幾乎成開(kāi)路狀態(tài)，其輸出呈非線性并進(jìn)入飽和狀態(tài)。因此，傳感器上有時(shí)并聯(lián)有一個(gè)100kΩ的電阻，

其放大電路如圖4-35所示。

圖4-34照度特性

圖4-35放大電路

4.4.3光電傳感器的類(lèi)型1.光電檢測(cè)的組合形式光電傳感器按輸出信號(hào)有開(kāi)關(guān)型和模擬型，

開(kāi)關(guān)型用于轉(zhuǎn)速測(cè)量、

模擬開(kāi)關(guān)、

位置開(kāi)關(guān)等；模擬型用于光電式位移計(jì)、

光電比色計(jì)等。

光電檢測(cè)必須具備光源、

被測(cè)物和光電元件。

按照光源、被測(cè)物和光電元件三者的關(guān)系，光電傳感器可分為四種類(lèi)型，如圖4-36所示。

圖4-36光電傳感器的類(lèi)型（a）

被測(cè)物發(fā)光；

（b）

被測(cè)物透光；

（c）

被測(cè)物反光；

（d）

被測(cè)物遮光

（1）被測(cè)物發(fā)光：被測(cè)物為光源，可檢測(cè)發(fā)光物的某些物理參數(shù)。如光電比色高溫計(jì)、光照度計(jì)等。（2）被測(cè)物反光：可檢測(cè)被測(cè)物體表面性質(zhì)參數(shù)或狀態(tài)參數(shù)，如光潔度計(jì)和白度計(jì)等。（3）被測(cè)物透光：可檢測(cè)被測(cè)物與吸收光或透射光特性有關(guān)的某些參數(shù)，如濁度計(jì)和透明度計(jì)等。（4）

被測(cè)物遮光：

檢測(cè)被測(cè)物體的機(jī)械變化，

如測(cè)量物體的位移、

振動(dòng)、

尺寸、

位置等。

2.光耦合器件1）光電耦合器如圖4-37所示，光電耦合器是把發(fā)光器件和光敏器件組裝在同一蔽光殼體內(nèi)，或用光導(dǎo)纖維把二者連接起來(lái)構(gòu)成的器件。

當(dāng)輸入端加電信號(hào)，發(fā)光器件發(fā)光，光敏器件受光照后，

輸出光電流，

實(shí)現(xiàn)以光為媒介質(zhì)的電信號(hào)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)輸入和輸出電流的電氣隔離，

所以可用它代替繼電器，變壓器和斬波器等。

它廣泛應(yīng)用于隔離線路、開(kāi)關(guān)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯電路、

長(zhǎng)線傳輸、

過(guò)流保護(hù)、

高壓控制等方面。

圖4-37光電耦合器（a）

結(jié)構(gòu)；

（b）

外形；

（c）

圖形符號(hào)

2）光斷續(xù)器（1）直射型光斷續(xù)器：如圖4-38所示，主要用于光電控制和光電計(jì)量等電路中及檢測(cè)物體的有無(wú)、運(yùn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速等。（2）

反射型光斷續(xù)器：

如圖4-39所示，主要用于光電式接近開(kāi)關(guān)、

光電自動(dòng)控制、

物體識(shí)別等。一些國(guó)產(chǎn)光斷續(xù)器的技術(shù)特性可參見(jiàn)表4-15。

圖4-38直射型光斷續(xù)器

圖4-39反射型光斷續(xù)器

表4-15一些國(guó)產(chǎn)光斷續(xù)器的技術(shù)特性

3.集成光電傳感器ULN3330ULN3330是美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的集成光電傳感器。

它是一種新穎的光電開(kāi)關(guān)，

將光敏二極管、

低電平放大器、

電平探測(cè)器、

輸出功率驅(qū)動(dòng)器和穩(wěn)壓電路等五部分都集成在了一塊1×1.8(mm×mm)的硅片上，

形成一種具有驅(qū)動(dòng)能力的光敏功率器件。

該器件可用于眾多使用光敏器件的場(chǎng)合，

使光敏器件的應(yīng)用變得更簡(jiǎn)單、

可靠。

1）工作原理ULN3330的內(nèi)電路框圖如圖4-40所示。光敏二極管的光敏區(qū)域約為1.1×1.1(mm×mm)，峰值波長(zhǎng)為880nm。當(dāng)它受到光照時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微安數(shù)量級(jí)的光電流。低電平放大器是一種低噪聲小電流放大器，能對(duì)微安級(jí)的光電流進(jìn)行放大、電平位移，最后輸出可供電平探測(cè)器進(jìn)行鑒別的電平。

電平探測(cè)器是由施密特電路構(gòu)成的，它具有約20％的“滯后”特性。

輸出功率驅(qū)動(dòng)器是NPN中功率晶體管，最大可通過(guò)100mA的電流，可以直接驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載。

穩(wěn)壓電路可確保當(dāng)電壓在4～15V范圍內(nèi)變化時(shí)電路也能穩(wěn)定地工作。ULN3330D接上電源與負(fù)載后，

不需要其他元件就能工作。當(dāng)器件頂部受到大于50Lx的光照時(shí)，

就輸出高電平，負(fù)載上沒(méi)有電流；當(dāng)光照不足45Lx時(shí)，器件就輸出低電平，負(fù)載上有電流通過(guò)。

圖4-40ULN3330內(nèi)電路框圖

表4-16ULN3330集成電路的主要電參數(shù)

2）引腳排列和電參數(shù)ULN3330集成電路有三種封裝形式，ULN3330D采用帶玻璃窗的圓形金屬封裝；ULN3330T采用平透明塑料封裝；ULN3330Y采用半橢圓透明塑料封裝，圖4-41是它們的外形底視圖。

圖4-41ULN3330系列外形底視圖

4.5光纖與激光傳感器

4.5.1光纖傳感器

1.光導(dǎo)纖維及其導(dǎo)光原理1）光纖的構(gòu)造光纖斷面構(gòu)造如圖4-42所示。纖芯為石英玻璃等材料制成的導(dǎo)光纖維細(xì)絲，直徑在5～125μm范圍內(nèi)；包層材料的折射率n2略低于纖芯材料的折射率n1，包層外徑在125～350μm范圍內(nèi)。包層外面涂敷硅樹(shù)酯之類(lèi)的緩沖層，最外層包有起保護(hù)及屏蔽作用的尼龍?zhí)坠堋?/p>

光纖呈圓柱形，兩端面為平面。

圖4-42光纖斷面構(gòu)造及光在光纖中的傳輸（a）

光纖斷面構(gòu)造；

（b）光纖中的光的傳輸

2）光在光纖中的傳輸原理如圖4-42（b）所示，當(dāng)空氣中一束光線自光纖端面中心點(diǎn)O以θi角射入纖芯時(shí)，光線產(chǎn)生折射。光以折射角θ0在纖芯中行進(jìn)，至纖芯與包層界面時(shí)，可能折射進(jìn)入包層，也可能繼續(xù)在纖芯中行進(jìn)反射。根據(jù)斯乃爾定理：當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)射入光疏物質(zhì)(折射率小)時(shí)，折射角大于入射角。因n1＞n2，所以折射角恒大于入射角(90°－θ)。當(dāng)sin(90°－θ)=n2/n1時(shí)，光線開(kāi)始出現(xiàn)全反射。因此，光線能在界面全反射、不再逸出芯體的條件是(4-12)3）光纖模式臨界角θim以?xún)?nèi)的入