光電傳感器課件

第六章光電傳感器目的要求：通過學(xué)習(xí)要求掌握光電傳感器的基本原理，學(xué)會(huì)選用方法和技巧，能用其組成測(cè)量系統(tǒng)。本章主要講述的內(nèi)容：光電效應(yīng)及光電元件光的產(chǎn)生和常見光源光電傳感器的類型及應(yīng)用CCD圖像傳感器概述電荷耦合器件（CCD）CCD的主要特性CCD應(yīng)用舉例光電傳感器以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測(cè)和控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。1.概述LED（發(fā)光二極管）最早出現(xiàn)在19世紀(jì)60年代，現(xiàn)在可以經(jīng)常在電氣和電子設(shè)備上看到這些二極管作為指示燈來(lái)用。LED就是一種半導(dǎo)體元件，其電氣性能與普通二極管相同，不同之處在于當(dāng)給LED通電流時(shí)，它會(huì)發(fā)光。由于LED是固態(tài)的，所以能延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。使用LED的光電傳感器能做得很小，且比白熾燈傳感器可靠。LED抗震動(dòng)抗沖擊能力強(qiáng)，并且沒有燈絲。LED所發(fā)出的光能只相當(dāng)于同尺寸白熾燈所產(chǎn)生光能的一部分。（激光二極管除外，它與普通LED的原理相同，但能產(chǎn)生幾倍的光能，并能達(dá)到更遠(yuǎn)的檢測(cè)距離）。LED能發(fā)射人眼看不到的紅外光，也能發(fā)射可見的綠光、黃光、紅光、藍(lán)光、藍(lán)綠光或白光。1970年，人們發(fā)現(xiàn)LED還有一個(gè)比壽命長(zhǎng)更好的優(yōu)點(diǎn)，就是它能夠以非?？斓乃俣葋?lái)開關(guān)，開關(guān)速度可達(dá)到KHz。將接收器的放大器調(diào)制到發(fā)射器的調(diào)制頻率，那么它就只能對(duì)以此頻率振動(dòng)的光信號(hào)進(jìn)行放大。我們可以將光波的調(diào)制比喻成無(wú)線電波的傳送和接收。將收音機(jī)調(diào)到某臺(tái)，就可以忽略其他的無(wú)線電波信號(hào)。經(jīng)過調(diào)制的LED發(fā)射器就類似于無(wú)線電波發(fā)射器，其接收器就相當(dāng)于收音機(jī)。如果一個(gè)金屬發(fā)射出的光比周圍的光強(qiáng)很多的話，那么它就可以被周圍光源接收器可靠檢測(cè)到。紅外光LED是效率最高的光束，同時(shí)也是在光譜上與光電三極管最匹配的光束。但是有些傳感器需要用來(lái)區(qū)分顏色（如色標(biāo)檢測(cè)），這就需要用可見光源。安裝空間非常有限或使用環(huán)境非常惡劣的情況下，我們可以考慮使用光纖。光纖與傳感器配套使用，是無(wú)源元件，另外，光纖不受任何電磁信號(hào)的干擾，并且能使傳感器的電子元件與其他電的干擾相隔離。光纖有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一層金屬外皮。這層金屬外皮的密度比光芯要低，因而折射率低。光束照在這兩種材料的邊界處（入射角在一定范圍內(nèi)），被全部反射回來(lái)。根據(jù)光學(xué)原理，所有光束都可以由光纖來(lái)傳輸。光電效應(yīng)的分類：（1）在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。（2）在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等。（3）在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，陰極受到光子轟擊時(shí)，由于一個(gè)光子的能量只能傳給一個(gè)電子，因此，單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子，從而使自由電子的能量增加hv。當(dāng)自由電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時(shí)，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射，這種電子稱為光電子。光電子逸出金屬表面后的初始動(dòng)能為(1／2)mv2。根據(jù)能量守恒定律可知：該式稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。2.1外光電效應(yīng)結(jié)論：（1）當(dāng)光子能量hv大于逸出功A時(shí)，才能發(fā)射出光電子，即才能產(chǎn)生光電效應(yīng)；當(dāng)光子能量hv小于逸出功A時(shí)，物體不能發(fā)射出光電子，也就不能產(chǎn)生光電效應(yīng)；當(dāng)光電子能量hv恰好等于逸出功A時(shí)，光電子獲得的初速度v=0，此時(shí)光電子相應(yīng)的單色光頻率為v0，且有：hv0=A，v0為該物體產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率，稱為紅限頻率。（2）光電子的初動(dòng)能取決于入射光的頻率v。因?yàn)閷?duì)于某種物質(zhì)而言，其電子的逸出功是一定的。入射光頻率v越高，則電子吸收的能量hv越大，即電子的初動(dòng)能越大。電子的初動(dòng)能與頻率成正比。（3）因?yàn)橐粋€(gè)光子能量只能傳給一個(gè)電子，所以電子吸收能量不需要積累能量的時(shí)間，在光一照到物體上，就立即有光電子發(fā)出，據(jù)測(cè)該時(shí)間不超過10-9s。光電管有多種類型，最典型的是真空光電管。正常工作時(shí)，陽(yáng)極電位高于陰極。在入射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時(shí)若光強(qiáng)增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。電流IФ和電阻只RL上的電壓降U0就和光強(qiáng)成一定函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。陰極材料不同的光電管，具有不同的紅限頻率，因此適用于不同的光譜范圍。此外，即使入射光的頻率大于紅限，并保持其強(qiáng)度不變，但陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會(huì)隨入射光頻率的變化而改變，即同一種光電管對(duì)不同頻率的入射光靈敏度并不相同。光電管的這種光譜特性，要求人們應(yīng)當(dāng)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象是紫外光、可見光還是紅外光去選擇陰極材料不同的光電管，以便獲得滿意的靈敏度。（2）光電倍增管由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽(yáng)極A組成，并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進(jìn)行真空封裝。依據(jù)分裝方法，可分成端窗式和側(cè)窗式兩大類。端窗式光電倍增管的陰極通常為透射式陰極，通過管殼的端面接受入射光。側(cè)窗式陰極則是通過管殼的側(cè)面接收入射光，它的陰極通常為反射式陰極。ΦD1D2D3D4D5D6AKU0IΦRL光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖D1產(chǎn)生的二次電子被D2和D1之間的電場(chǎng)加速后轟擊D2，……。這樣的過程一直持續(xù)到最后一級(jí)倍增極Dn，每經(jīng)過一級(jí)倍增極，電子數(shù)目便被放大一次，倍增極的數(shù)目有8～13個(gè)，最后一級(jí)倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽(yáng)極A收集。若倍增電極有n級(jí)，各級(jí)的倍增率為б，則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是бn，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。光電倍增管的這個(gè)特點(diǎn)，使它多用于微光測(cè)量。若將靈敏檢流計(jì)串接在陽(yáng)極回路中，則可直接測(cè)量陽(yáng)極輸出電流。若在陽(yáng)極串接電阻RL作為負(fù)載，則可測(cè)量RL兩端的電壓，此電壓正比于陽(yáng)極電流。與測(cè)量有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)：（1）暗電流光電倍增管接上工作電壓后，在沒有光照的情況下陽(yáng)極仍會(huì)有一個(gè)很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流。光電倍增管在工作時(shí)，其陽(yáng)極輸出電流由暗電流和信號(hào)電流兩部分組成。當(dāng)信號(hào)電流比較大時(shí)，暗電流的影響可以忽略，但是當(dāng)光信號(hào)非常弱，以至于陽(yáng)極信號(hào)電流很小甚至和暗電流在同一數(shù)量級(jí)時(shí)，暗電流將嚴(yán)重影響對(duì)光信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性。所以暗電流的存在決定了光電倍增管可測(cè)量光信號(hào)的最小值。一只好的光電倍增管，要求其暗電流小并且穩(wěn)定。（2）光譜響應(yīng)特征光電倍增管對(duì)不同波長(zhǎng)的光入射的響應(yīng)能力是不相同的，這一特性可用光譜響應(yīng)率表示。在給定波長(zhǎng)的單位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽(yáng)極電流大小稱為光電倍增管的絕對(duì)光譜響應(yīng)率，表示為：P(λ)為入射到光陰極上的單色輻射功率；I(λ)是在該輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽(yáng)極電流；S(λ)是波長(zhǎng)的函數(shù)，它與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光電倍增管的絕對(duì)光譜響應(yīng)曲線。2.2.1光電導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體材料在外界光線的作用下，電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的數(shù)目，如果載流子的數(shù)目增加，則半導(dǎo)體的導(dǎo)電率會(huì)增加。半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的載流子有自由電子和空穴兩種。通常情況下，半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子被束縛在價(jià)帶中，當(dāng)價(jià)電子從外界獲取了足夠的能量后，它會(huì)受到激發(fā)而從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，成為一個(gè)自由電子，與此同時(shí)價(jià)帶原來(lái)價(jià)電子的位置上會(huì)形成空穴。由于自由電子和空穴都參與導(dǎo)電，所以使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加了。2.2.2光敏電阻光敏電阻是一種光電效應(yīng)半導(dǎo)體器件，應(yīng)用于光存在與否的感應(yīng)（數(shù)字量）以及光強(qiáng)度的測(cè)量（模擬量）等領(lǐng)域。它的體電阻系數(shù)隨照明強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小，容許更多的光電流流過。這種阻性特征使得它具有很好的品質(zhì)：通過調(diào)節(jié)供應(yīng)電源就可以從探測(cè)器上獲得信號(hào)流，且有著很寬的范圍。光敏電阻是薄膜元件，它是在陶瓷底襯上覆一層光電半導(dǎo)體材料。金屬接觸點(diǎn)蓋在光電半導(dǎo)體面下部。這種光電半導(dǎo)體材料薄膜元件有很高的電阻。所以在兩個(gè)接觸點(diǎn)之間，做的狹小、交叉，使得在適度的光線時(shí)產(chǎn)生較低的阻值。光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性：（1）光電流光敏電阻在室溫、無(wú)光照的全暗條件下，經(jīng)過一定穩(wěn)定時(shí)間之后，測(cè)得的電阻值稱為暗電阻，或稱暗阻，此時(shí)流過光敏電阻的電流稱為暗電流。光敏電阻在受到某一光線照射時(shí)的電阻值稱為亮電阻，或稱亮阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。亮電流和暗電流之差稱為光電流。光敏電阻的暗電阻越大越好，亮電阻越小越好；即暗電流要小，亮電流要大，這樣光電流才可能大，光敏電阻的靈敏度才會(huì)高。（2）光敏電阻的伏安特性在一定光照強(qiáng)度下，光敏電阻兩端所加的電壓和流過的光電流之間的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的伏安特性。光照強(qiáng)度越大，光電流就越大；電壓越大，產(chǎn)生的光電流也就越大。（3）光敏電阻的光照特性光敏電阻的光電流I和光強(qiáng)F之間的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的光照特性。不同類型的光敏電阻，其光照特性是不同的，但大多數(shù)的光敏電阻的光照特性曲線類似。由于光敏電阻的光照特性曲線呈現(xiàn)非線性，因此它不適宜作為線性測(cè)量元件，這是光敏電阻的一個(gè)缺點(diǎn)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，一般被用作開關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。ΦPN結(jié)NPE結(jié)構(gòu)示意圖圖形符號(hào)2.3.3基本特性（1）光譜特性光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光，靈敏度是不同的。不同材料的光電池適用的入射光波長(zhǎng)范圍也不相同。硅光電池的適用范圍寬，對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)可在0.45~1.1之間，而硒光電池只能在0.34～0.57波長(zhǎng)范圍，它適用于可見光檢測(cè)。20406080100Kr(%)12λ(μm)0.60.40.81.01.21.硅光電池2.硒光電池在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)來(lái)選擇光電池，當(dāng)然也可根據(jù)現(xiàn)有的光電池來(lái)選擇光源，但是要注意光電池的光譜峰值位置不僅和制造光電池的材料有關(guān)，同時(shí)，也和制造工藝有關(guān)，而且隨著使用溫度的不同會(huì)有所移動(dòng)。（2）光照特性光電池在不同的光照度下，光生電動(dòng)勢(shì)和光電流是不相同的。如圖所示，曲線1是負(fù)載電阻無(wú)窮大時(shí)的開路電壓特性曲線，曲線2是負(fù)載電阻相對(duì)于光電池內(nèi)阻很小時(shí)的短路電流特性曲線。開路電壓與光照度的關(guān)系是非線性的，而且在光照度為20001x時(shí)就趨于飽和，而短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，負(fù)載電阻越小，這種線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬。因此檢測(cè)連續(xù)變化的光照度時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量減小負(fù)載電阻，使光電池在接近短路的狀態(tài)工作，也就是把光電池作為電流源來(lái)使用。在光信號(hào)斷續(xù)變化的場(chǎng)合，也可以把光電池作為電壓源使用。（3）溫度特性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情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。從圖中可以看出硅光電池開路電壓隨溫度上升而明顯下降，溫度上升1℃，開路電壓約降低3mV。短路電流隨溫度上升卻是緩慢增加的。因此，光電池作為檢測(cè)元件時(shí)，應(yīng)考慮溫度漂移的影響，并采用相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償。（4）頻率特性光電池的頻率特性是指輸出電流與入射光調(diào)制頻率的關(guān)系。當(dāng)入射光照度變化時(shí)，由于光生電子.空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合都需要一定時(shí)間，因此入射光調(diào)制頻率太高時(shí)，光電池輸出電流的變化幅度將下降。硅光電池的頻率特性較好，工作頻率的上限約為數(shù)萬(wàn)赫茲，而硒光電池的頻率特性較差。在調(diào)制頻率較高的場(chǎng)合，應(yīng)采用硅光電池，并選擇面積較小的硅光電池和較小的負(fù)載電阻，進(jìn)一步減小響應(yīng)時(shí)間，改善頻率特性。光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管，它們的工作原理也是基于內(nèi)光電效應(yīng)，和光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，PN結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過程。光敏二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管相似，只是它的PN結(jié)裝在管殼頂部，光線通過透鏡制成的窗口，可以集中照射在PN結(jié)上，光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)。μAEV-+IΦ結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號(hào)基本電路2.3.3光敏晶體管PN結(jié)加反向電壓時(shí)，反向電流的大小取決于P區(qū)和N區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，無(wú)光照時(shí)P區(qū)中少數(shù)載流子(電子)和N區(qū)中的少數(shù)載流子(空穴)都很少，因此反向電流很小。但是當(dāng)光照PN結(jié)時(shí)，只要光子能量h大于材料的禁帶寬度，就會(huì)在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加，它們?cè)谕饧臃聪螂妷汉蚉N結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，分別在兩個(gè)方向上渡越PN結(jié)，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生電子-空穴對(duì)的濃度將相應(yīng)變動(dòng)，通過外電路的光電流強(qiáng)度也會(huì)隨之變動(dòng)，光敏二極管就把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)。光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)，可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度。當(dāng)光敏三極管的集電結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)。無(wú)光照時(shí)僅有很小的穿透電流流過，當(dāng)光線通過透明窗口照射集電結(jié)時(shí)，和光敏二極管的情況相似，將使流過集電結(jié)的反向電流增大，EU0ceIcRLNNP結(jié)構(gòu)示意圖基本電路這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累，發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子(電子)將大量注人基區(qū)，由于基區(qū)很薄，只有一小部分從發(fā)射區(qū)注入的電子與基區(qū)的空穴復(fù)合，而大部分電子將穿過基區(qū)流向與電源正極相接的集電極，形成集電極電流IC。這個(gè)過程與普通三極管的電流放大作用相似，它使集電極電流IC是原始光電流的(l+β)倍。這樣集電極電流IC將隨入射光照度的改變而更加明顯地變化。（1）光敏晶體管的光譜特性在入射光照度一定時(shí)，光敏晶體管的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)的變化而變化，一種光敏晶體管只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的入射光敏感，這就是光敏晶體管的光譜特性。當(dāng)入射光波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降，這是因?yàn)楣庾幽芰刻。蛔阋约ぐl(fā)電子-空穴對(duì)。當(dāng)入射光波長(zhǎng)太短時(shí)，光波穿透能力下降，光子只在半導(dǎo)體表面附近激發(fā)電子-空穴對(duì)，卻不能達(dá)到PN結(jié)，因此相對(duì)靈敏度也下降。光敏晶體管的基本特性：（3）光敏晶體管的光照特性光敏晶體管的光照特性，即晶體管的輸出電流Ic和照度Ee之間的關(guān)系曲線，電流Ic和照度Ee之間近似呈線性關(guān)系。（2）光敏晶體管的伏安特性光敏晶體管在不同照度Ee下的伏安特性與一般晶體在不同基極電流下的輸出特性類似。只要將入射光在基極和發(fā)射極之間的PN結(jié)附近所產(chǎn)生的光電流看成基極電流，就可以把光敏晶體管當(dāng)作一般的晶體管來(lái)看待。（4）光敏晶體管的溫度特性溫度變化對(duì)光敏晶體管的亮電流影響較小，但對(duì)暗電流的影響卻十分顯著。因此，光敏晶體管在高照度下工作時(shí)，由于亮電流比暗電流大得多，溫度的影響相對(duì)來(lái)說比較小。但在低照度下工作時(shí)，因?yàn)榱岭娏鬏^小，暗電流隨溫度變化就會(huì)嚴(yán)重影響輸出信號(hào)的溫度穩(wěn)定性。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)選用硅光敏管，這是因?yàn)楣韫艿陌惦娏饕孺N管小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)還可以在電路中采取適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償措施，或者將光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，對(duì)輸出的電信號(hào)采用交流放大，利用電路中隔直電容的作用，就可以隔斷暗電流，消除溫度的影響。3.1光的產(chǎn)生3.光的產(chǎn)生和常見光源3.1.1光的輻射光是從實(shí)物中發(fā)射出來(lái)的，是以電磁波形式傳播的物質(zhì)。發(fā)光物質(zhì)受激發(fā)而發(fā)光包括兩個(gè)過程：激勵(lì)和復(fù)合。3.1.2光的產(chǎn)生方法激勵(lì)可以使發(fā)光物質(zhì)發(fā)光，外界所提供的激勵(lì)有多種形式，常用的有以下4種：電致發(fā)光、光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、熱發(fā)光。3.2常見光源3.2.1發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制設(shè)備中。3.2.2激光激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，是很理想的光源。3.2.3白熾燈這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對(duì)紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時(shí)可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。3.3光電轉(zhuǎn)換電路由光源、光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測(cè)時(shí)，還必須配備適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路。測(cè)量電路能夠把光電效應(yīng)造成的光電元件電性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流。不同的光電元件，所要求的測(cè)量電路也不相同。下面介紹幾種半導(dǎo)體光電元件常用的測(cè)量電路。半導(dǎo)體光敏電阻可以通過較大的電流，所以在一般情況下，無(wú)需配備放大器。在要求較大的輸出功率時(shí)，可用下圖左圖所示的電路。光敏電阻測(cè)量電路光敏晶體管測(cè)量電路a)光敏二極管測(cè)量電路b)光敏三極管測(cè)量電路U+UU0U0RV右圖中a給出帶有溫度補(bǔ)償?shù)墓饷舳O管橋式測(cè)量電路。當(dāng)入射光強(qiáng)度緩慢變化時(shí)，光敏二極管的反向電阻也是緩慢變化的，溫度的變化將造成電橋輸出電壓的漂移，必須進(jìn)行補(bǔ)償。圖中一個(gè)光敏二極管作為檢測(cè)元件，另一個(gè)裝在暗盒里，置于相鄰橋臂中，溫度的變化對(duì)兩只光敏二極管的影響相同，因此，可消除橋路輸出隨溫度的漂移。光敏三極管在低照度入射光下工作時(shí)，或者希望得到較大的輸出功率時(shí)，也可以配以放大電路，如右圖中b所示。半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運(yùn)算放大器。硅光敏二極管通過集成運(yùn)放可得到較大輸出幅度，如下左圖所示。下右圖給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運(yùn)放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的特點(diǎn)，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓U0=2IФRF。

光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。圖中Ф1是光源發(fā)出的光信號(hào)，Ф2是光電器件接受的光信號(hào)，被測(cè)量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號(hào)I。光電傳感器在越來(lái)越多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。3.光電傳感器的類型及應(yīng)用Ix1x2x3Φ1Φ2光源光學(xué)通路光電元件由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件(光學(xué)測(cè)控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分為兩類：模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系。模擬式光電傳感器按被測(cè)量(檢測(cè)目標(biāo)物體)方法可分為輻射式、透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻檔)四大類。1.模擬式光電傳感器透射式是指被測(cè)物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測(cè)物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上。漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物上，再?gòu)谋粶y(cè)物體表面反射后投射到光電元件上。遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物遮住其中一部份光之后，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測(cè)物體在光路中的位置有關(guān)。脈沖式光電傳感器中，光電元件接受的光信號(hào)是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關(guān)工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號(hào)，多用于光電計(jì)數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量等場(chǎng)合。2.脈沖(開關(guān))式光電傳感器（1）透射式光電傳感器及在煙塵濁度監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用透射式光電傳感器是將發(fā)光管和光敏三極管等，以相對(duì)的方向裝在中間帶槽的支架上。當(dāng)槽內(nèi)無(wú)物體時(shí)，發(fā)光管發(fā)出的光直接照在光敏三極管的窗口上，從而產(chǎn)生輸出電流，當(dāng)有物體經(jīng)過槽內(nèi)時(shí)則擋住光線，光敏管無(wú)輸出，以此可識(shí)別物體的有無(wú)。適用于光電控制、光電計(jì)量等電路中，可檢測(cè)物體的有無(wú)、運(yùn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速等方面。3.常見光電傳感器應(yīng)用實(shí)例透射型BYD3M-TDT光電傳感器示意圖發(fā)射器左右調(diào)節(jié)上下調(diào)節(jié)接收器光軸防止工業(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通過光在煙道在傳輸過程中的變化大小來(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。因此光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。本應(yīng)中應(yīng)用奧托尼克斯(Autonics)公司的BYD3M-TDT透射式小型光電傳感器，其光源(發(fā)光器)與接收器不在同一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，先將發(fā)射器和接收器對(duì)準(zhǔn)并固定好后才可以通電(12/24V)DC；接著在ON狀態(tài)設(shè)定好發(fā)射器的中心位置，然后左右上下方向調(diào)節(jié)接收器和發(fā)射器的位置；最后檢測(cè)目標(biāo)穩(wěn)定后固定好發(fā)射器和接收器。吸收式煙塵濁度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成框圖：為了檢測(cè)出煙塵中對(duì)人體危害性最大的亞微米顆粒的濁度和避免水蒸氣與二氧二碳對(duì)光源衰減的影響，選取可見光作光源(400.700nm波長(zhǎng)的白熾光)。光檢測(cè)器光譜響應(yīng)范圍為400.600nm的光電管，獲取隨濁度變化的相應(yīng)電信號(hào)。為了提高檢測(cè)靈敏度，采用具有高增閃、高輸入阻抗、低零漂、高共模抑制比的運(yùn)算放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大?？潭刃Ｕ挥脕?lái)進(jìn)行調(diào)零與調(diào)滿刻度，以保證測(cè)試準(zhǔn)確性。顯示器可顯示濁度瞬時(shí)值。報(bào)警電路由多諧振蕩器組成，當(dāng)運(yùn)算放大器輸出濁度信號(hào)超過規(guī)定時(shí)，多諧振蕩器工作，輸出信號(hào)經(jīng)放大后推動(dòng)喇叭發(fā)出報(bào)警信號(hào)。吸收式煙塵濁度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖（2）漫射型光電傳感器漫射型光電傳感器有時(shí)也稱作接近傳感器。在這種傳感器中，發(fā)光器和接收器裝在同一個(gè)機(jī)殼中。發(fā)光器發(fā)出的光線射到目標(biāo)物體上，目標(biāo)物體光線反射回來(lái)，什么角度的反射光都有。反射光中有一部分送回到接收器，于是便把目標(biāo)物體檢測(cè)出來(lái)了。由于目標(biāo)物體的角度以及反射性能，發(fā)光器產(chǎn)生的能量大部分是損失掉，所以與鏡面反射(回射)型和光束阻檔型光電傳感器相比，漫射型光電傳感器的敏感范圍比較小。漫射聚焦型傳感器這是效率較高的一種漫射型光電傳感器，其原理如下圖。發(fā)光器透鏡聚焦在傳感器前面固定的一點(diǎn)上，接收器透鏡也是聚焦在同一點(diǎn)上。這種傳感器能夠檢測(cè)在焦點(diǎn)上的物體，允許物體前后偏離焦點(diǎn)一定距離，這個(gè)距離稱作“敏感窗口”。當(dāng)物體在敏感窗口以外，在焦點(diǎn)之前或者之后便檢測(cè)不到。光聚焦型光電傳感器對(duì)于具有電子式背景光抑制功能的漫射型傳感器，在傳感器中使用一只位置敏感元件(PSD)而不是使用機(jī)械元件，如下圖所示。發(fā)光器發(fā)出一束光線，光束反射回來(lái)，從目標(biāo)物體反射回來(lái)的光線和從背景物體反射回來(lái)的光線到達(dá)位置敏感元件的兩個(gè)不同位置。電子方法抑制背景光光電式帶材跑偏檢測(cè)器原理如圖所示。光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡1會(huì)聚為平行光束，投向透鏡2，被會(huì)聚到光敏電阻上。在平行光束到達(dá)透鏡2的途中，有部分光線受到被測(cè)帶材的遮擋，使傳到光敏電阻的光通量減少。

（3）光電式帶材跑偏檢測(cè)器光源被測(cè)帶材9090亮暗光敏電阻透鏡2透鏡1其測(cè)量電路圖如下，當(dāng)帶材左偏時(shí)，遮光面積減少，光敏電阻Ｒ1阻值減少，電橋失去平衡。輸出電壓為負(fù)值，它反映了帶材跑偏的方向及大小。反之，輸出正電壓信號(hào)。一方面由顯示器顯示出來(lái)，另一方面被送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號(hào)。

下圖所示為借助光電檢測(cè)技術(shù)控制充填高度的原理，當(dāng)充填高度ｈ偏差太大時(shí)，光電接頭沒有電信號(hào)，即由執(zhí)行機(jī)構(gòu)將包裝物品推出進(jìn)行處理。利用光電開關(guān)還可以進(jìn)行產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、對(duì)裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，例如灌裝時(shí)瓶蓋是否壓上、商標(biāo)是否漏貼，以及送料機(jī)構(gòu)是否斷料等。（4）包裝充填物高度檢測(cè)隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，人類正在穩(wěn)步地進(jìn)入高度信息化社會(huì)。CCD（ChargeCoupledDevices—電荷耦合器件）圖像傳感器成為當(dāng)今社會(huì)獲得信息必不可少的一種重要手段。CCD圖像傳感器及圖像處理一、CCD圖像傳感器CCD圖像傳感器具有尺寸小、工作電壓低（DC7-12V），壽命長(zhǎng)、堅(jiān)固耐沖擊以及電子自掃描等優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了各種視頻系統(tǒng)和自動(dòng)化辦公設(shè)備的高速普及和微型化。加之無(wú)圖形曲折，信息處理容易的突出特點(diǎn)，非常適用于工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)和機(jī)器人視覺系統(tǒng)，而且便于與計(jì)算機(jī)接口實(shí)現(xiàn)各種高速圖像處理。采用大規(guī)模集成技術(shù)，可將數(shù)十萬(wàn)個(gè)像素集于一個(gè)單片上，這是光導(dǎo)攝像管無(wú)法比擬的。CCD圖像傳感器的應(yīng)用已經(jīng)遍及航天、遙感、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、天文、通信等軍用及民用領(lǐng)域。1.1CCD的優(yōu)點(diǎn)：1.工業(yè)檢測(cè)1.2視覺檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用（1）零件的識(shí)別與定位自動(dòng)連接引線、對(duì)準(zhǔn)芯片和封裝；自動(dòng)安裝部件，自動(dòng)焊接或自動(dòng)切割加工、自動(dòng)澆注系統(tǒng)等。例：雙目立體視覺檢測(cè)系統(tǒng)——簡(jiǎn)單視覺的機(jī)器人系統(tǒng)。雙目立體視覺檢測(cè)系統(tǒng)（2）零件尺寸的在線測(cè)量（3）零件外觀及內(nèi)部缺陷檢測(cè)芯片定位芯片管腳檢測(cè)鋼板厚度的在線測(cè)量木料檢測(cè)原理例：木料檢測(cè)：缺陷、體積（4）產(chǎn)品分類、分組（5）產(chǎn)品標(biāo)識(shí)、編碼識(shí)別蘋果分級(jí)、分色、配色商品條碼、印鑒、標(biāo)簽2.機(jī)器人導(dǎo)航“手—眼”定位：兩個(gè)攝像機(jī)—兩幅平面圖像—三維場(chǎng)景信息。用于：目標(biāo)識(shí)別、道路識(shí)別、障礙物判斷、主動(dòng)導(dǎo)航、自動(dòng)視覺導(dǎo)航、無(wú)人駕駛汽車、無(wú)人駕駛飛機(jī)、無(wú)人戰(zhàn)車、探測(cè)機(jī)器人等。實(shí)例：美國(guó)Sojourner系列和Rocky系列火星探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人?！皺C(jī)遇”號(hào)火星車拍攝火星土壤的顯微照片“勇氣”號(hào)火星車發(fā)回的彩色照片美國(guó)勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人。3.生物醫(yī)學(xué)圖像分析（1）醫(yī)學(xué)臨床診斷：X射線、B超、CT、核磁共振（MRI）醫(yī)學(xué)影像融合分析細(xì)胞個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)CT圖像自動(dòng)檢測(cè)：染色體切片、癌細(xì)胞切片、超聲波圖象三維人體掃描（2）生物圖像分析：形狀、組織切片、染色體配對(duì)、細(xì)菌、病毒、病原體外形尺寸檢測(cè)、顏色識(shí)別、表面損傷檢測(cè)以及組織分析。葉片細(xì)胞顯微放大圖片轉(zhuǎn)基因大豆孢