第7章光电式传感器-
第七章-CCD光电图像传感器
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
电荷存储
通常在半导体硅片上制有成千上 万个相互独立的MOS光敏单元， 如果在金属电极上加上正电压， 则在半导体硅片上就形成成千 上万的个相互独立的势阱。如 果此时照射在这些光敏单元上 是一幅明暗起伏的图像，那么 这些光敏元就会产生出一幅与 光照强度相对应的光电荷图像。
获得目标尺寸和像素的变换关系 根据几何光学原理，被测物体尺寸计算公式为D=np/M
式中： n——覆盖的光敏像素数； p——像素间距； M——倍率。
D
被测 物体
成像 透镜
CCD
七、 CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器 TCD1209D的像敏单元阵列由2075个光电二极管构成，其中
有27个光电二极管（前边D13～D31和后边的D32～D39）被遮蔽， 中间的2048个光电二极管为有效的像敏单元。每个像敏单元的 尺寸为14µm×14µm，相邻的两个像元的中心距为14µm。像敏单 元阵列的总长度为28.672mm。
特性参数
七、CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器 （2）灵敏度
特性参数
线阵CCD的灵敏度参数定义为单位曝光量(lx.s)的作用下器
件的输出信号电压，即
R UO
式中的UO为线阵CCD输出的信号H电V 压，HV光敏面上的曝光量。
衡量器件灵敏度的参数还常用器件输出信号电压饱和时光敏面
上的曝光量表示，称为饱和曝光量，记为SE。饱和曝光量SE越
电源 输出
驱动脉冲
控制脉冲
钳位脉冲 复位脉冲TCD1209D原理结构图
第7章 传感器技术-光电效应及传感器
光源
被测非电量 位移、转速、 振动等
光学通路
光量
光电传感元件
△U 或△I
测量/显示
光电传感器的分类 按传感器输出量的性质， 按传感器输出量的性质，可以分为模拟式 开关式（脉冲式）二大类。 和开关式（脉冲式）二大类。
模拟式光电传感器
该类传感器基于光电元件的光电特性， 该类传感器基于光电元件的光电特性，其 基于光电元件的光电特性 光通量是随被测量而变， 光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 传感器输出量为连续变化的光电流， 传感器输出量为连续变化的光电流，器件 的光照特性呈单值线性， 的光照特性呈单值线性，光源的光照要求保持 均匀稳定。 反射式、 均匀稳定。它的形式有吸收式、反射式、遮光 式和辐射式。
5、时差测距。典型应用如光电测距仪， 时差测距。典型应用如光电测距仪， 是将恒定光源发出的光投射到目的物， 是将恒定光源发出的光投射到目的物，并用 光电元件接收反射光， 光电元件接收反射光，通过对光信号在光源 与目的物之间往返时间的测量， 与目的物之间往返时间的测量，从而计算出 光源与目的物间的距离。 光源与目的物间的距离。
发光二极管阵列（SSPA） 发光二极管阵列（SSPA） 电荷耦合器件（CCD） 电荷耦合器件（CCD）
这两类光电器件实际上是集成化、 这两类光电器件实际上是集成化、 模块化的光电元件组合， 模块化的光电元件组合，他们的工作原 理类似，根据需要， 理类似，根据需要，可以做成线阵或面 阵的形式。 阵的形式。目前在图象采集与处理技术 电荷耦合器件CCD CCD已经得到了大量 中 ， 电荷耦合器件 CCD 已经得到了大量 的应用。 的应用。
内光电效应－ 内光电效应－
第七章 光电型传感器与测量电路
2．光生伏特效应及器件 光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。 当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着 内建结电场，其方向是从N区指向P区，如图7-12所示。 当光照射到结区时，光照 产生的电子一空穴对在结电场 作用下，电子推向N区，空穴推 向P区；电子在N区积累和空穴 在P区积累使PN结两边的电位 发生变化，PN结两端出现一个 因光照而产生的电动势，这一 现象称为光生伏特效应。由于 它可以像电池那样为外电路提 供能量，因此常称为光电池。
图7-8 金属封装的CdS光敏电阻
图7-9 光电二极管原理图
(2) 光敏二极管PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特 效应工作。如图7-9所示，处于反向偏置的PN结，在无光照时 具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子一 空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动， 形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈 大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此 光照时的反向电流基本上与光强成正比。
图7-3 光电管
光电倍增管的结构如图7-4 所示。在玻璃管内除装有光电 阴极和光电阳极外，尚装有若 干个光电倍增极。光电倍增极 上涂有在电子轰击下能发射更 多电子的材料。光电倍增极的 形状及位置设置得正好能使前 一级倍增极发射的电子继续轰 击后一级倍增极。在每个倍增 极间均，依次增大加速电压。 光电倍增管的主要特点是： 光电流大，灵敏度高，其倍增 率为N=δn，其中δ为单极倍增 率(3～6)，n为倍增极数(4～14)。
7.3常用光电器件
光电器件是光电传感器的重要组成部分，对传感器的性能 影响很大。光电器件是基于光电效应工作的，种类很多。所谓 光电效应，是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的 能量而产生的电效应。一般地，光电效应分为外光电效应和内 光电效应两类。因此，光电器件也随之分为外光电器件和内光 电器件两类。 7.3.1 外光电效应及器件 在光的照射下，电子逸出物体表面而产生光电子发射的现 象称为外光电效应。 根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。 因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量ε大于该 物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A， 因此对某特定材料而言，将有一个频率限νo(或波长限λ0)，称 为“红限”，不同金属光电效应的红限见表7-2。
传感器(电子教案)第7章
表示当光电管的阳级电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上 光通量φ之间的关系。
2．伏安特性
当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同 光电流的关系叫伏安特性 ，如图7-4(c)所示。
3．光谱特性
由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。 保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系 叫光电管的光谱特性。光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯 性特性、暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和 有关手册合理选用。
第7 章
光电式传感器
光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。 光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。
7.1光电效应 7.2光电元件及其特性 7.3光电式传感器的测量电路 7.4光电传感器及其应用 7.5光纤传感器 7.6电荷耦合器件（CCD） 7.7光栅式传感器 7.8激光式传感器 本章要点
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7.1 光电效应
由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒 子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。 光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击 在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后 产生的电效应。从传感器的角度看光电效应可分为二大类型。
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7.3光电式传感器的测量电路
要使光电式传感器能很好地工作。除了合理选用光 电转换元件外，还必须配备合适的光源和测量线路。 7.3.1光源 发光二极管 图7-14 真空光电管的差接测量电路 钨丝灯泡 图7-15 光电倍增管的测量电路 电弧灯或石英灯 激光 图7-16 光敏电阻开关电路 7.3.2测量电路 图7-18 具有温度补偿的光敏二极管 光电管的测量电路 测量电路 光电倍增管的测量电路 光敏电阻的测量电路 光敏晶体管的测量电路 光电池的测量电路
第07章 光电成像器件02
12
2.典型双沟道线阵CCD器件
光敏单元的尺寸为14µm长、14µm高，中心距亦为 14µm，光敏元阵列总长为30.24mm。
(1)TCD1206SUP的基本结构
TCD1206SUP的驱动时序图
(2)TCDl206SUP的驱动电路
13
(3)TCDl206SUP的特点 2)温度特性
1)光谱响应
3)积分时间与暗电压 的变化关系
（2）TCD1209D的驱动脉冲波形图
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驱动脉冲的时序关系要求
(3)TCD1209D的特性参数 1)光谱响应特性
2)灵敏度
线阵CCD的灵敏度参数定义为单位曝光量的作用下 器件的输出信号电压，即
R UO HV
U SAT U DAk
(4)TCD1209D的驱动电路
3)动态范围
DR
降低暗信号电压是提高动态范围的最好方法。
3) 面阵CCD摄像器件
3) 面阵CCD摄像器件
7.3.1 电荷耦合器件
7.3.1 电荷耦合器件
电荷耦合器件只能感受到光线的强弱，并不能感 受到颜色的变化，若实现色彩的采集和成像，必 须在感光元件的前面加上分色滤色片。
9
7.3.1 电荷耦合器件
7.3.1 电荷耦合器件
彩色CCD的分色原理
彩色 CCD 的结构分为三层： 微透镜阵列 彩色滤光片阵列 光电二极管阵列。
暂存区
行正程期间
水平读出 寄存器
行正程期间
水平读出寄存器输 出一行视频信号
水平读出 寄存器
3) 面阵CCD摄像器件
3) 面阵CCD摄像器件
场正程期间：
行逆程期间
暂存区的信号电荷 产生一行平移
暂存区
场正程期间：
光电式传感器工作原理
光电式传感器工作原理
光电式传感器利用光电效应的原理来感知物体的存在或测量物体的位置、距离等信息。
其工作原理如下：
1. 光电效应：光电效应是指当光线照射到某些物质表面时，能够使物质中的电子获得足够的能量从而从原子或分子中脱离出来。
这些脱离的电子称为光电子。
2. 光电传感器结构：光电式传感器通常由光源、探测器和信号处理电路组成。
光源一般为发光二极管（LED）或激光二极管（LD），用来发射光束。
探测器一般为光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光电二极管等，用来接收光束。
信号处理电路则用来处理探测器接收到的光强信号，并将其转化为电信号输出。
3. 功能原理：光电式传感器的工作原理可以分为两种不同的方式。
- 光电隔离式：光源和探测器分别位于传感器的两侧，通过
光束在两侧之间的遮挡来感知物体的存在。
当物体遮挡了光束，探测器接收到的光强就会减弱，从而触发传感器输出信号。
这种方式常用于物体检测、计数和测量等应用。
- 反射式：光源和探测器位于同一侧，通过物体对光线的反
射来感知物体的存在或测量物体的位置。
当光束照射到物体上并反射回探测器时，探测器接收到的光强会发生变化，从而触发传感器输出信号。
这种方式常用于物体的位置检测和距离测
量等应用。
总的来说，光电式传感器利用光电效应，通过光源和探测器的组合来感知物体的存在或测量物体的位置、距离等信息。
不同的工作方式可以适用于不同的应用场景。
传感器技术与应用第2版-部分习题答案
第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。
人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。
9．解：10. 解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度±7% 。
，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。
微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。
17．答：⑴20。
C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350 kΩ。
V0在48.78～67.63mV之间变化。
⑵如果R2=10 MΩ，R3=250 kΩ，20。
C时，V0在0～18.85mV之间变化。
30。
C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。
⑶20。
C时，V0为0～18.85mV，30。
C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。
但相对（2）得情况来说有很大的改善。
18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V第3章应变式传感器概述习题答案9. 答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。
11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。
因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。
传感器原理与工程应用完整版习题参考答案
《传感器原理及工程应用》完整版习题答案第1章 传感与检测技术的理论基础（P26）1—1：测量的定义？答：测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。
所以, 测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较， 确定被测量对标准量的倍数。
1—2：什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？1－3 用测量范围为－50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 的压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：已知： 真值L ＝140kPa 测量值x ＝142kPa 测量上限＝150kPa 测量下限＝－50kPa∴ 绝对误差 Δ＝x-L=142-140=2(kPa)实际相对误差 ％＝＝43.11402≈∆L δ标称相对误差％＝＝41.11422≈∆x δ引用误差％－－＝测量上限－测量下限＝1)50(1502≈∆γ1－10 对某节流元件（孔板）开孔直径d 20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单位：mm ）：120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40 120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40试用格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出其测量结果。
答：绝对误差是测量结果与真值之差, 即: 绝对误差=测量值—真值 相对误差是绝对误差与被测量真值之比,常用绝对误差与测量值之比,以百分数表示 , 即: 相对误差=绝对误差/测量值 ×100% 引用误差是绝对误差与量程之比,以百分数表示, 即: 引用误差=绝对误差/量程 ×100%解：当n ＝15时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.41。
则 2072.410.03270.0788()0.104d G mm v σ=⨯=<=-，所以7d 为粗大误差数据，应当剔除。
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其波长也称为临界波长。
K
hc A0
第7章光电式传感器-
光电管的结构和工作原理
真空光电管结构如图，在一个真空泡内装有两 个电极：光电阴极和光电阳极。
第7章光电式传感器-
光电倍增管结构如图。 光电转换分为光电发射 和电子倍增两个过程
第7章光电式传感器-
（二）光电导型（内，半导体）
在光线作用下其电阻值往往变小，这种现象称为光 导效应。 具有这种性质的材料称为光敏电阻，也叫光导管。
第7章光电式传感器-
吸收式光电感器
报警
光电式浊度计和含沙量测量 第7章光电式传感器-
烟雾
烟雾报警器
反射式光电传感器
光电转速表
浊度计
光电自动门
表面质量
第7章光电式传感器-
遮光式光电传感器
当带材处于 正确位置（中间 位置）时，放大 器输出电压Uo为 零；当带材左偏 时，遮光面积减 小，输出电压反 映了带材跑偏的 方向及大小。
盗、光谱仪、红外测温仪、热象仪、红外遥感 技术等。
第7章光电式传感器-
二、 光子探测器
光以光速c传播，其波长 c/f 光是一种称为光子的物质组成，兼有波和粒子的特性。 光是一种电磁波，其能量E和振荡频率的关系为频率越 高，能量越大。 E=hf
普朗克常数: h=6.62610 –34 (J·s) 光电效应：物体吸收能量为E的光后产生的电效应。 外光电效应：当物体在光的作用下能使物体中的电子 从物体表面逸出的现象。如金属和金属氧化物。 内光电效应：当物体在光的作用下所释放的电子不逸 出物体表面，而只在物体内部运动并使其电特性发生 变化。常在半导体材料内。
第七章 光电式传感器
本章要点: 1）光电器件的特性和选择、光电传感器设计原 理及应用 2）光纤传感器原理和典型应用举例 3）莫尔条纹现象和重要特性、光栅传感器工作 原理及应用方法
第7章光电式传感器-
工作原理：首先把被测量的变化转换成光 信号的变化，然后通过光电转换元件变成 电信号。 优点：由于光电测量方法灵活多样，可测 参数众多，一般情况下具有非接触、高精 度、高分辨力、高可靠性和反应快。 应用：在检测和控制领域中获得了广泛的 应用，加之激光光源、光栅、光学码盘、 CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功 应用，使得光电传感器的内容极其丰富。
光电传感器 光电式带材跑偏检测器
第7章光电式传感器-
光幕
两个柱形结 构相对而立，每 隔数十毫米安装 一对发光二极管 和光敏接收管， 形成光幕，当有 物体遮挡住光线 时，传感器发出 报警信号。
第7章光电式传感器-
光幕应用
当有物 体遮挡住光 线时，传感 器发出报警 信号，起保 护、预警等 作用。
光线被遮断（报警）
第7章光电式传感器-
第二节 光电器件
光电器件的作用是将光信号变为电信号。
可分为： *热探测器：光 温度 电
基于光辐射与物质相互作用的热效应能接收 超低能量的光子，尤其适用红外探测。 *光子探测器：光 电 基于一些物质的光电效应。
第7章光电式传感器-
一、热探测器
（一）测辐射热电偶 （二）测辐射热敏电阻 （三）热释电探测器 敏感部分为（陶瓷）铁电材料。应用于防火、防
第7章光电式传感器-
第一节 光源
大多数光电传感器都离不开光源，选择时要考虑 波长、谱分布、体积、造价、功率等因素。 一、热辐射光源（钨丝白炽灯） 二、气体放电光源（低压汞灯、氢灯、钠灯、镉 灯、氦灯） 三、电致发光器件——发光二极管 四、激光器 （一）固体激光器 （二）气体激光器 （三）半导体激光器
第7章光电式传感器-
光敏电阻演示
当光敏电阻 受到光照时， 光生电子—空 穴对增加，阻 值减小，电流 增大。
第7章光电式传感器-
（三）光电导结型（内，半导体）
有光敏二极管和光敏三极 管等。光敏三极管比相应 的二极管的光电流大（1 + ）倍。如硅二极管在 照度1000lx 时，约 0.03A，而硅三极管有 约3mA的光电流。 还有雪崩二极管、PIN结 构光电二极管。
第7章光电式传感器-
光敏二极管、光敏三极管外形
第7章光电式传感器-
（四）光电伏特型（半导体）
是自发电式的，有源器 件。即是说，受光照射 时就产生一定方向的电 动势，而不需要外部电 源。这种因光照而产生 电动势的现象称为光生 伏特效应。 用可见光作光源的光电 池是最常用的光生伏特 型元件。它是大面积的 pn结。
第7章光电式传感器-
（一）光电发射型（外光电效应）
根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能给一个电子。
光子具有的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0， 这时逸出表面的电子就具有动能
Ek2 1m2 0vh fA0
光电子逸出时所具有的初始动能EK与光的频率有关。
能激发电子逸出的频率限称为“红限”， fkA0/h
红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用
人体额温测量
耳温仪
集成IC 温度测量
第7章光电式传感器-
当测量稳定的辐射源时, 各电容可省去,此时往往 电源的正端接地。 当辐射源为脉冲通量时, 电源的负端接地。
第7章光电式传感器-
（二）半导体光电元件的测量电路
第7章光电式传感器-
四、一般形式的光电传感器及应用
（一）模拟式光电传感器
其工作原理是基于光电元件 的光电特性，其光通量是随 被测量而变，光电流就成为 被测量的函数，故称为光电 传感器的函数运用状态。 （1）吸收式（混浊度计等） （2）反射式（表面粗糙度等） （3）遮光式 （4）辐射式（高温计等）
**CCD和PSD第后7章光叙电式传感器-
光电池外形 较大电流的大面积光电池外形
光敏面
第7章光电式传感器-
太阳能 硅光电池板
太阳能赛车
光电池在人造卫 星上的应用
太阳能发电
第7章光电式传感器-
三、测量电路 （一）光电管的测量电路
1.真空光电管的测量电路
第7章光电式传感器-
2.光电倍增管的测量电路
第7章光电式传感器-
光幕应用（续）
长度 测量
宽度 测量
三维尺寸检测
第7章光电式传感器-
高度 测量
光幕应用（续）
光幕可 检测出带材 在卷曲过程 中的偏移， 经控制器和 执行机构使 带材向正确 的方向运动 （纠偏）。
第7章光电式传感器-
纠偏
辐射式光电传感器
激光仅用于瞄准
红外线辐射温度计外形
市售的红外辐射温度计的第温7章光度电式范传感围器-可以从-30℃~3000℃。