第8章 光電式傳感器原理及其應用

第8章光電式傳感器原理及其應用8.1概述8.2光電器件8.3光電式傳感器的測量電路及應用8.4圖像傳感器8.5光纖傳感器8.1光電式傳感器概述光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和軍事裝置中獲得廣泛應用。光電傳感器以光電效應為基礎(chǔ)，是一種將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路、光電元件和測量電路等部分組成。8.1.1光的產(chǎn)生和常見光源光是電磁波譜中的一員，不同波長光的頻率（波長）各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。1、光的產(chǎn)生光是從實物中發(fā)射出來的，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)光包括兩個過程：激勵和復合。

激勵可以使發(fā)光物質(zhì)發(fā)光，外界所提供的激勵有多種形式，常用的有以下4種：電致發(fā)光、光致發(fā)光、化學發(fā)光、熱發(fā)光。2、常見光源

（1）發(fā)光二極管

發(fā)光二極管是一種電致發(fā)光的半導體器件，它直接把電能轉(zhuǎn)變成光能。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應快、機械強度高，便于與集成電路相匹配等優(yōu)點，廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設(shè)備中。發(fā)光二極管可用LED表示，它的種類很多，發(fā)出的光的波長也各不相同。（2）激光

激光是高亮度光，它是由各類氣體、固體或半導體激光器產(chǎn)生的頻率單純的光。激光具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點，是很理想的光源。方向性強、亮度高：激光束的發(fā)散角很小，一般約為0.18°。單色性好：激光源發(fā)射出的光的頻率單純，且光的光譜范圍愈窄，光的單色性就愈好。相干性好：光的相干性是指兩光束相遇，并在相遇區(qū)域內(nèi)發(fā)生疊加時，能形成較清晰的干涉圖樣或能接收到穩(wěn)定的拍頻信號。

（3）白熾燈

白熾燈是一種最常用的光源，白熾光源中最常用的是鎢絲燈。它產(chǎn)生的光，譜線較豐富，包含可見光與豐富的紅外線，使用時常加用濾色片來獲得不同窄帶頻率的光。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時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，可有效防止其他光線的干擾。（4）鹵鎢燈鹵鎢燈是一種改進的鎢絲白熾燈。鎢絲在高溫下蒸發(fā)使燈泡變黑，如果降低白熾燈的燈絲溫度，則發(fā)光效率降低。在燈泡中充入6價元素氟、氯、溴或碘等鹵族元素，使它們與蒸發(fā)在玻璃殼上的鎢形成鹵化物。當這些鹵化物回到燈絲附近時，遇到高溫便會分解，鎢又回到鎢絲上。燈絲的溫度可以大大提高，而玻璃殼也不會發(fā)黑。因此，燈絲發(fā)光亮度高、效率高，使鹵鎢燈具有形體小，成本低的特點。常用的鹵鎢燈有碘鎢燈和溴鎢燈。在光電傳感器技術(shù)中應用最多的鹵鎢燈為溴鎢燈。

（5）氣體放電光源氣體放電光源是通過高壓使氣體電離放電產(chǎn)生很強的光輻射，而不像鎢絲燈那樣是通過加熱燈絲使其發(fā)光，即電流通過氣體會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，利用這種原理制成的光源稱為氣體放電光源。因而也稱氣體放電燈，它為冷光源。氣體放電燈的共同特點是發(fā)出的光譜為線光譜或帶狀光譜，因為它們的發(fā)光機理屬于等離子體發(fā)光。氣體放電光源輻射的光譜是不連續(xù)的，要持續(xù)向外輻射光，不僅要維持其溫度，而且有賴于氣體的原子或分子的激發(fā)過程。常見的氣體放電光源有低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈等，統(tǒng)稱為光譜燈，常用作單色光源。（6）紅外輻射紅外輻射又稱紅外光，隨著頻率和波長的不同，從紫光到紅光熱效應逐漸增大，而熱效應最大的為紅外光。在自然界中只要物體本身具有一定溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外光。例如電機、電器、爐火、甚至冰塊都能產(chǎn)生紅外輻射，又稱熱輻射。紅外光和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的紅外輻射的物體稱為黑體；能全部反射的物體稱為鏡體；能全部透過的物體稱為透明體；能部分反射、部分吸收的物體稱為灰體。嚴格地講，在自然界中，不存在黑體、鏡體與透明體。8.1.2光電效應及分類根據(jù)愛因斯坦光子假設(shè)學說，光可以看作是一串具有一定能量的運動著的粒子流，這些粒子稱為光子，每個光子所具有的能量等于普朗克常數(shù)h乘以頻率γ。即：用光照射某一物體時，可看作是物體受到一連串能量為hγ的光子的不斷轟擊，物體由于吸收光子能量后產(chǎn)生相應電效應的物理現(xiàn)象稱為光電效應。光線照射到物體上所產(chǎn)生的光電效應通?？梢苑譃橥夤怆娦ㄒ卜Q光電發(fā)射）、光電導效應和光伏特效應三類。根據(jù)光電效應的不同可以制成不同的光電元件。

（1）外光電效應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。根據(jù)外光電效應制成的光電元件類型很多，主要有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。當入射光照射在陰極上時，陰極受到光子轟擊時，由于一個光子的能量只能傳給一個電子，因此，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加hγ。

根據(jù)能量守恒定律可知：該式稱為愛因斯坦光電效應方程。結(jié)論：

1）光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A。2）當入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。3）光電子的初動能取決于入射光的頻率γ。4）因為一個光子能量只能傳給一個電子，所以電子吸收能量不需要積累能量的時間，在光一照到物體上，就立即有光電子發(fā)出。（2）內(nèi)光電效應光線照射在半導體材料上，材料中處于價帶的電子吸收光子能量，通過禁帶躍入導帶，使導帶內(nèi)電子濃度和價帶內(nèi)空穴增多，但這些被釋放的電子并不能逸出物體表面，而是停留在物體內(nèi)部，使其導電能力發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應。內(nèi)光電效應按其工作原理可分為兩種：光電導效應和光伏特效應。在光線作用下，物體兩端產(chǎn)生一定方向的電動勢，這種現(xiàn)象稱為光伏特效應。根據(jù)光伏特效應制成的光電元件主要是光電池等。8.2光電器件8.2.1光電管光電管和光電倍增管同屬于根據(jù)外光電效應制成的光電轉(zhuǎn)換器件。（1）光電管光電管有多種類型，最典型的是真空光電管。光電管是裝有光陰極和陽極的真空玻璃管。光電管結(jié)構(gòu)示意圖和測量電路（2）光電倍增管

真空光電管的靈敏度低，光照很弱時，產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常使用光電倍增管。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)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進行放大，其工作原理如圖。

光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖KD1D2D3D4D5D6A光RLU,I光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽極A組成，并據(jù)要求采用不同性能玻璃殼進行真空封裝。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。一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用。但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，光電倍增管接上工作電壓后，在沒有光照的情況下陽極仍會有一個很小的電流輸出，這種電流稱為暗電流。光電倍增管在工作時，其陽極輸出電流由暗電流和信號電流兩部分組成。暗電流的存在決定了光電倍增管可測量光信號的最小值。一只好光電倍增管，要求其暗電流小，且穩(wěn)定。光電倍增管對不同波長的光入射的響應能力是不相同的，這一特性可用光譜響應率表示。在給定波長的單位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流大小稱為光電倍增管的絕對光譜響應率，表示為：8.2.2光敏電阻光敏電阻是一種光電效應半導體器件，應用于光存在與否的感應（數(shù)字量）以及光強度的測量（模擬量）等領(lǐng)域。

（1）光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻是薄膜元件，它是在陶瓷底襯上覆一層光電半導體材料，常用的半導體有硫化鎘和硒化銀等。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，金屬接觸點蓋在光電半導體面下部，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。

光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導光電導體嚴密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其電路連接如圖所示。光敏電阻的工作原理RGRLEI（2）光敏電阻的工作原理光敏電阻由半導體材料構(gòu)成，利用內(nèi)光電效應而工作。光敏電阻沒有極性，純粹是電阻器件，工作時即可以加直流電壓，也可以加交流電壓。當光線照射光敏電阻時，若光電導體為本征半導體材料，而且光輻射能量又足夠強，光導材料價帶上的電子將激發(fā)到導帶上去，從而使導帶的電子和價帶的空穴增加，因材料中的電子-空穴對增加，其電導率變大，電阻值會急劇減小，電路中電流增加；當光照消失時，電阻會恢復原值。根據(jù)電路中電流值的變換即可推算出光照強度的大小。檢測光敏電阻好壞的方法：1）用一黑紙片將光敏電阻的透光窗口遮住，此時萬用表的指針基本保持不動，阻值接近無窮大。此值越大說明光敏電阻性能越好。若此值很小或接近為零，說明光敏電阻已燒穿損壞，不能再繼續(xù)使用。2）將一光源對準光敏電阻的透光窗口，此時萬用表的指針應有較大幅度的擺動，阻值明顯減小，此值越小說明光敏電阻性能越好。若此值很大甚至無窮大，表明光敏電阻內(nèi)部電路損壞，也不能再繼續(xù)使用。3）將光敏電阻透光窗口對準入射光線，用小黑紙片在光敏電阻的遮光窗上部晃動，使其間斷受光，此時萬用表指針應隨黑紙片的晃動而左右擺動。如果萬用表指針始終停在某一位置不隨紙片晃動而擺動，說明光敏電阻的光敏材料已經(jīng)損壞。（3）光敏電阻的主要參數(shù)

光電流光敏電阻在室溫且受到某一光線照射時測得的電阻值稱為亮電阻，或稱亮阻，此時流過的電流稱為亮電流。光敏電阻接在電路上，亮電流（大）與暗電流（?。┲罘Q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高。為了提高光敏電阻的靈敏度，應盡量減小電極間的距離。對于面積較大的光敏電阻，通常采用光敏電阻薄膜上蒸鍍金屬形成梳狀電極。光敏電阻的伏安特性在一定光照強度下，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。光照強度越大，光電流就越大；電壓越大，產(chǎn)生的光電流也就越大。光敏電阻的伏安特性曲線

光敏電阻的光照特性光電器件的靈敏度可用光照特性來表征，它反映了光電器件輸入光量與輸出光電流（光電壓）之間的關(guān)系。光敏電阻的光電流I和光強F之間的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的光照特性。大多數(shù)光敏電阻的光照特性曲線如圖所示。

光敏電阻的光照特性曲線光敏電阻的光譜特性光敏電阻的相對靈敏度與入射光波長之間的關(guān)系，稱為光譜響應特性。對于不同波長的入射光，其靈敏度是不相同的，對包含光源與光電器件的傳感器，為提高靈敏度，應根據(jù)光電器件的光譜特性選擇相匹配的光源和光電器件。光敏電阻的光譜特性曲線

光敏電阻的頻率特性光頻率與靈敏度之間的關(guān)系稱為光敏電阻的頻率特性。對于采用調(diào)制光的光電傳感器，調(diào)制頻率上限受響應時間的限制。光電器件的響應時間反映它的動態(tài)特性，響應時間小，表示動態(tài)特性好。光敏電阻的響應時間一般為10-1～10-3s。光敏電阻的頻率特性曲線光敏電阻的溫度特性

溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時對光譜特性也有很大影響。一般來說，光敏器件的光譜響應峰值隨溫度升高而向短波方向移動。因此，采取降溫措施，往往可以提高光敏電阻對長波長的響應。光敏電阻的溫度特性曲線8.2.3光敏二極管和光敏三極管光電管和光電倍增管同屬于根據(jù)外光電效應制成的光電轉(zhuǎn)換器件。（1）光敏二極管光敏二極管是一種利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件，與一般半導體二極管不同之處在于光敏二極管將PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光線通過透鏡制成的窗口，可以集中照射在PN結(jié)上。和光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導體PN結(jié)上，PN結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過程。光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)，PN結(jié)加反向電壓時，反向電流大小取決于P區(qū)和N區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，在沒有光照時，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，二極管處于反向偏置，具有高阻特性。（a）結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號（b）基本應用電路光敏二極管（2）光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。它有兩個PN結(jié)，其結(jié)構(gòu)與普通三極管相似，具有電流增益，但它比光敏二極管具有更高的靈敏度，可以看成是一個eb結(jié)為光敏二極管的三極管。光敏二極管和三極管均用硅或鍺制成。由于硅器件暗電流小、溫度系數(shù)小，又便于用平面工藝大量生產(chǎn)，尺寸易于精確控制，因此硅光敏器件比鍺光敏器件更為普通。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負（c、e）兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似。光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)及測量電路如圖所示：

（a）內(nèi)部組成（b）管芯結(jié)（c）結(jié)構(gòu)簡圖（d）測量電路光敏三極管結(jié)構(gòu)及測量原理圖（3）PIN光電二極管

PIN光電二極管是在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小了PN結(jié)的電容，提高了工作頻率。PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應頻率可達數(shù)十兆赫，可用作各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極管還可用于測量紫外線或射線等。

（4）光敏晶閘管

光敏晶閘管有三個引出電極，即陽極A、陰極K和門極G。它的頂部有一個玻璃透鏡，光敏晶閘管的陽極與負載串聯(lián)后接電源正極，陰極接電源負極，門極可懸空。當有一定照度的光信號通過玻璃窗口照射到正向阻斷的PN結(jié)上時，將產(chǎn)生門極電流，從而使光敏晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)。導通后，即使光照消失，光敏晶閘管仍維持導通。

光敏晶體管的基本特性：光敏晶體管的光譜特性

光電器件的光譜特性是指相對靈敏度K與入射光波長λ之間的關(guān)系，又稱光譜響應。在入射光照度一定時，光敏晶體管的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化，一種光敏晶體管只對一定波長范圍入射光敏感，是光敏晶體管的光譜特性。光敏晶體管的光譜特性曲線

光敏晶體管的伏安特性

光敏晶體管在不同照度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。光敏晶體管的伏安特性曲線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。其光照特性近似成線性關(guān)系，它的靈敏度和線性度均好。光敏晶體管的光照特性曲線

光敏晶體管的頻率特性

光敏晶體管的頻率特性是指輸入的調(diào)制光頻率與輸出靈敏度的關(guān)系。光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應。一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差。硅光敏三極管的頻率特性曲線光敏晶體管的溫度特性

光敏晶體管的溫度特性是指一定照度下溫度與電流之間的關(guān)系。溫度對亮電流、暗電流、輸出電流影響程度不同，溫度變化對光敏晶體管的亮電流影響較小，但對暗電流的影響卻十分顯著。光敏晶體管的溫度特性曲線8.2.4光電池

光電池是一種自發(fā)電式的光電元件。當光照射在光電池上時，自身能產(chǎn)生一定方向的電動勢，在不加電源的情況下，只要接通外電路，可以直接輸出電動勢及光電流，這種因光照而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應。光電池的種類很多，有硅、砷化鎵、鍺、硒、氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘光電池等。

硅光電池的工作原理基于光生伏特效應，它是在一塊N型硅片上用擴散的方法制造一薄層P型層作為光照敏感面，形成的一個大面積PN結(jié)，就構(gòu)成最簡單的光電池。

如圖所示，當光照射P區(qū)表面時，若光子能量大于硅的禁帶寬度，則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個光子便產(chǎn)生一個電子-空穴對，P區(qū)表面吸收的光子最多，激發(fā)的電子空穴最多，越向內(nèi)部越少。這種濃度差便形成從表面向體內(nèi)擴散的自然趨勢。

（a）光電池的結(jié)構(gòu)圖（b）光電池的工作原理示意圖光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理圖光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。（a）符號（b）基本電路（c）等效電路光電池符號和基本工作電路光電池的基本特性

（1）光電池的光譜特性光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的。不同材料的光電池適用的入射光波長范圍也不相同。一定照度下，光波波長與光電池靈敏度之間的關(guān)系稱為光電池的光譜特性。光電池的光譜特性曲線

（2）光電池的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。當入射光照度變化時，由于光生電子-空穴對的產(chǎn)生和復合都需要一定時間，因此入射光調(diào)制頻率太高時，光電池輸出電流變化幅度將下降。硅光電池頻率特性較好，工作頻率上限約為幾萬赫茲，而硒光電池的頻率特性較差。

光電池的頻率特性曲線

（3）光電池的光照特性光電池在不同的光照度下，光生電動勢和光電流是不相同的。光照度與輸出電動勢、輸出電流之間的關(guān)系稱為光電池的光照特性。光電池的光照特性曲線

（4）光電池的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)系到應用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響測量精度或控制精度等重要指標，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。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，而短路電流隨溫度上升卻是緩慢增加的。硅光電池的溫度特性曲線開路電壓短路電流8.2.5高速光電器件

光電傳感器響應速度是重要指標，隨著光通信及光信息處理技術(shù)提高，一批高速光電器件應運而生。（1）PIN結(jié)光電二極管（PIN-PD）PIN結(jié)光敏二極管是以PIN結(jié)代替PN結(jié)的光敏二極管，在PN結(jié)中間設(shè)置一層較厚的I層（高電阻率的本征半導體）而制成，故簡稱為PIN-PD。PIN-PD具有響應速度快、靈敏度高、線性較好等特點，適用于光通信和光測量技術(shù)。（2）雪崩式光電二極管（APD）雪崩式光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應來工作的一種二極管。其工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。它是在PN結(jié)的P型區(qū)一側(cè)再設(shè)置一層摻雜濃度極高的P+層而構(gòu)成。

雪崩式光電二極管的結(jié)構(gòu)原理8.3光電式傳感器的測量電路及應用

采用光電元件作為檢測元件的傳感器被稱為光電傳感器。光電傳感器首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。

8.3.1光電式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路光電傳感器通常由光源、光學通路、光電元件和測量放大電路四部分組成。光電式傳感器的組成光源光通路光電元件測量放大光量Ф1光量Ф2電量電量輸出X1X2由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的。光電元件（光學測控系統(tǒng)）輸出量性質(zhì)可分兩類：模擬式光電傳感器和脈沖（開關(guān)）式光電傳感器。（1）模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間成單值關(guān)系。模擬式光電傳感器按測量方法可以分為輻射式、透射（吸收）式、反射式、遮光式四大類。1-被測物；2-光電元件；3-光源模擬式光電式傳感器輻射式吸收式反射式遮光式輻射式光電傳感器常用來測光源的溫度。如光電高溫計、光電比色高溫計和天文探測等。吸收式光電傳感器常用來測量液體、氣體的透明度、混濁度、對氣體進行成分分析、測定液體中某種物質(zhì)的含量等。反射式光電傳感器可測定被測物表面性質(zhì)和狀態(tài)。例如可用來測量零件表面粗糙度、表面缺陷、表面位移以及表面白度、露點、濕度等。遮光式光電傳感器可用來測量長度、厚度、角位移和角速度等參數(shù)。（2）脈沖（開關(guān)）式光電傳感器脈沖式光電傳感器中，光電元件接受的光信號是斷續(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，多用于光電計數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測量等場合。

光敏電阻測量電路光敏二極管測量電路光敏三極管測量電路下圖為光電池的測量電路，當一定波長的入射光線照射到光電池的PN結(jié)時，在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，并且隨著光線增強，電壓逐漸變大。光電池測量電路半導體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運算放大器可得到較大輸出幅度。右圖給出了硅光電池的光電轉(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，可以得到較好的效果。

使用運算放大器的光敏元件測量電路8.3.2光電式傳感器的應用光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測出其接收到的光強的變化。光電式傳感器可用來檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用于檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。（1）光電耦合器光電耦合器是將發(fā)光元件和光電傳感器同時封裝在外殼內(nèi)組合而成轉(zhuǎn)換元件。光電耦合器的結(jié)構(gòu)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(a)金屬密封型(b)塑料密封型（1）光電耦合器光電耦合器組合形式有多種，如圖所示。(a)(b)(c)(d)光電耦合器的組合形式（2）光電式濁度計

光電傳感器在濁度監(jiān)測中通常采用透射式測量方式。透射式光電傳感器是將發(fā)光管和光敏三極管等，以相對的方向裝在中間帶槽的支架上。當槽內(nèi)無物體時，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，當有物體經(jīng)過槽內(nèi)擋住光線時，光敏三極管無輸出，以此可判斷物體的有無。圖示為吸收式煙塵濁度監(jiān)測系統(tǒng)的組成原理。選取可見光作光源（400-700nm波長的白熾光）。光檢測器光譜響應范圍為400-600nm的光電管，獲取隨濁度變化的相應電信號。

吸收式煙塵濁度監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖光電式濁度計除了可對煙霧濁度進行監(jiān)測外，可用于溶液的顏色、成分、渾濁度等化學分析，如圖所示。1-恒流源；2-半導體激光器；3-半反半透鏡；4-反射鏡；5-被測水樣；6、9-光電池；7、10-電流/電壓轉(zhuǎn)換器；8-標準水樣（3）光電式帶材跑偏檢測器

1-被測帶材；2-卷取電機；3-卷取輥；4-液壓缸；5-活塞；6-滑臺；7-光電檢測裝置；8-光源；9、10-透鏡；11-光敏電阻R1；12-遮光罩（4）光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表左圖是在電機的轉(zhuǎn)軸上涂上黑白相間的兩色條紋。當電機軸轉(zhuǎn)動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，所以光電元件間斷的接收光的反射信號，輸出電脈沖。

下圖所示為利用光電檢測技術(shù)控制填充物高度的原理，當填充高度ｈ偏差太大時，光電接頭沒有電信號，即由執(zhí)行機構(gòu)將包裝物品推出進行處理。利用光電開關(guān)還可以進行產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計、對裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進行檢測，例如灌裝時瓶蓋是否壓上、商標是否漏貼，以及送料機構(gòu)是否斷料等。（5）包裝填充物高度檢測（6）條形碼掃描筆

掃描筆的前方為光電讀入頭，它由一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管組成。當掃描筆頭在條形碼上移動時，黑色線條吸收光線，白色間隔反射光線。光敏三極管將條形碼黑色線條和白色間隔變成了一個個電脈沖信號。8.4圖像傳感器電荷耦合器件CCD與互補金屬-氧化物-半導體電路CMOS傳感器是當前被普遍采用的兩種圖像傳感器，將光圖像轉(zhuǎn)換為電荷圖象，而其主要差異是電信號傳送的方式不同。8.4.1CCD圖像傳感器CCD（Charge-CoupledDevice）全稱電荷耦合器件，它是70年代發(fā)展起來的一種新型器件。它將MOS光敏元陣列和讀出移位寄存器集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的圖像傳感器。利用電荷耦合技術(shù)組成的圖像傳感器稱為電荷耦合圖像傳感器。它由成排的感光元件與電荷耦合移位寄存器等構(gòu)成，具備光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ?。一個完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD器件是由大量的在同一襯底上集成的MOS電容陣列。所謂MOS，即（金屬-氧化物-半導體）的縮寫。MOS電容結(jié)構(gòu)如圖所示，其中金屬為MOS結(jié)構(gòu)的電極，稱為“柵極”，此柵極材料通常是用能夠透過一定波長范圍光的多晶硅薄膜制造。半導體作為襯底電極，在兩電極間有層SiO2絕緣體。（a）P溝（b）N溝1-金屬；2-絕緣層SiO2MOS電容的結(jié)構(gòu)CCD的基本功能就是要具有在勢阱中存儲信號電荷，并將其轉(zhuǎn)移的能力，故CCD又稱為移位寄存器。CCD的最小單元是在P型（或N型）硅襯底上生長一層厚度約120nm的SiO2層，再在SiO2層上依一定次序沉積金屬（Al）電極而構(gòu)成金屬-氧化物-半導體（MOS）的電容式轉(zhuǎn)移器件。這種排列規(guī)則的MOS陣列再加上輸入與輸出端，即組成CCD的主要部分。組成CCD的MOS結(jié)構(gòu)CCD圖像傳感器?？煞譃榫€陣傳感器和面陣傳感器。（1）線陣CCD圖像傳感器線陣CCD圖像傳感器是由一列感光單元（光敏元陣列）與一列CCD并行而構(gòu)成的。光敏元和CCD之間有一個轉(zhuǎn)移控制柵，基本結(jié)構(gòu)如圖所示。線陣CCD圖像傳感器（2）面陣CCD圖像傳感器面陣CCD圖像傳感器在x、y兩個方向上都能實現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像。面陣CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。一種面陣CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)二相驅(qū)動視頻輸出

檢波二極管二相驅(qū)動感光區(qū)溝阻P1P3P1P3P1P3感光區(qū)存儲區(qū)析像單元視頻輸出輸出柵串行讀出輸出寄存器行掃描發(fā)生器P2P2P2轉(zhuǎn)移控制柵時鐘二相驅(qū)動輸出寄存器檢波二極管視頻輸出垂直轉(zhuǎn)移寄存器感光區(qū)二相驅(qū)動8.4.2

CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器是采用互補金屬-氧化物-半導體工藝制作的另一類圖像傳感器，簡稱CMOS。光敏二極管CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)目前主要有兩種：無源像素圖像傳感器PPS和有源像素圖像傳感器APS，其結(jié)構(gòu)如圖。

CMOS的兩種像素結(jié)構(gòu)典型的CMOS傳感器的總體結(jié)構(gòu)如圖所示。在同一芯片上集成有模擬信號處理電路、視頻時序產(chǎn)生電路、數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、行選、列選及放大、光敏單元陣列、I2C控制接口等，如果再加上鏡頭等其他配件就可以構(gòu)成一個完整的攝像系統(tǒng)了。

8.4.3圖像傳感器的應用

圖像傳感器在測量中的主要作用是獲取被測物的圖像信息，其實現(xiàn)過程如圖。8.4.3圖像傳感器的應用

圖像傳感器在視覺檢測技術(shù)中得到了廣泛應用，主要用于以下幾個方面。（1）工業(yè)檢測（2）監(jiān)控、安防、交通管理與導航（3）辦公與家電（4）生物醫(yī)學圖像分析（5）遙感圖像分析（6）軍事與國防常見的圖像傳感器有數(shù)碼相機、攝像機、攝像頭、掃描儀、指紋識別機等，其外觀結(jié)構(gòu)如圖。

a）數(shù)碼相機b）攝像頭c）指紋機

d）數(shù)碼攝像機e）掃描儀在人的感覺中，大部分的外界信息來自于視覺的感知，而對于機器，視覺也是必不可少的。機器視覺是機器在與對象物相隔一定距離時獲得的該物體的圖像信息。機器視覺傳感器的工作過程分為：視覺檢測、圖像處理、圖像描述、圖像識別。視覺檢測主要由檢測系統(tǒng)的硬件來完成，該系統(tǒng)一般由以下幾個部分組成。視覺檢測系統(tǒng)工作原理（1）工件尺寸測量物距與像距分別為a和b，光學成像倍率為M，p和n分別為像素間距和像素數(shù)。（2）物體在線檢測每當有玻璃瓶經(jīng)過觀測點時，計算機獲取一個脈沖信號，同時對攝像頭發(fā)出指令，采集一幀圖像。計算機對采集到的圖像進行處理、分析，即可完成測量。實現(xiàn)對瓶口缺陷的檢測、或成品的標簽、生產(chǎn)日期的印刷、瓶蓋的封口質(zhì)量等進行檢測。（3）機器人視覺檢測兩個光源從不同方向向傳送帶發(fā)送兩條水平縫隙光，且預先把兩條縫隙光調(diào)整到剛好在傳送帶上重合位。當傳送帶上沒有零件時，縫隙光合成了一條直線。操作過程中，系統(tǒng)自動執(zhí)行零件傳送功能，操作器將零件以隨機位置放到運動著的傳送帶上。當零件隨傳送帶通過縫隙光處時，縫隙光變成兩條線，其分開的距離同零件的厚度成正比。視覺傳感系統(tǒng)在對視覺圖像分析處理的基礎(chǔ)上，確定零件的類型、位置與取向，并將此信息送入機器人控制器，從而機器人就可完成對零件準確跟蹤和抓取。

8.5光纖傳感器光纖是20世紀后半葉的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導體光電探測器一起構(gòu)成了新的光學技術(shù)，即光電子學新領(lǐng)域。光纖傳感器是利用光在光纖中傳播特性的變化來測量它所受環(huán)境的變化，像電路傳輸電信號一樣，光導纖維可以傳輸光信號。用被測量的變化調(diào)制波導中的光波，使光纖中的光波參量隨被測量而變化，從而得到被測信號大小。使用光導纖維的傳感器被稱為光纖傳感器。光纖傳感器主要應用于通訊領(lǐng)域，應用范圍遍布軍事、民用、商業(yè)、醫(yī)學、工業(yè)控制等。8.5.1光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光纖波導簡稱光纖，它是用光透射率高的電介質(zhì)（如石英、玻璃、塑料等）構(gòu)成的光通路。它由折射率nl較大（光密介質(zhì)）的纖芯和折射率n2較?。ü馐杞橘|(zhì)）的包層構(gòu)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)，如圖所示。光纖的結(jié)構(gòu)各種裝飾性光導纖維

8.5.1光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理光纖傳光原理的基礎(chǔ)是光的全反射現(xiàn)象，其原理如圖所示。光纖的傳光原理

在選用光纖時，通常應考慮光纖的數(shù)值孔徑、傳輸損耗和色散等特性和參數(shù)。（1）光纖的數(shù)值孔徑NA：（2）光纖模式：光波沿光導纖維傳播的途徑和方式。（3）光纖