第八章 光电式传感器
第8章光电传感器
第8章光电传感器主要内容：8.1 光电效应8.2 光电器件光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电晶体管、光电池、其他光电器件、电荷耦合器8.3 光纤传感器8.4 光栅式传感器概述：光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。
光敏器件种类很多，如：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏晶极管、光电池、光电耦合器件（CCD）、光纤等等。
8．1 光电效应传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为：外光电效应内光电效应：光电导效应光生伏特效应8．1．1外光电效应在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。
光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光子具有的能量是：——普朗克常数()——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大一个电子逸出的能量（动能）为, 由能量守恒定律有：如果光子的能量E大于电子的逸出功A，超出的能量表现在电子逸出的功能，电子逸出物体表面，产生光电子发射。
能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。
8．1．2内光电效应∙光电导效应入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。
这种效应几乎所有高电阻率的半导体都有，这是由于在入射光线作用下，电子吸收光子能量，电子从价带被激发到导带上，过渡到自由状态。
同时价带也因此形成自由空穴，使导带的电子和价带的空穴浓度增大，引起电阻率减少。
为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg。
基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。
图8—1 光电导效应∙光生伏特效应光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。
为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？有下面两种情况：∙不加偏压的PN结；当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0 ＞ Eg） ,可激发出电子—空穴对，在PN结内电场作用下空穴移向P区，电子移向N区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生伏特效应产生的光生电动势。
传感器原理及其应用 第8章 光电式传感器2
当向电极加正偏压时，在电场的作用下，电极下的MOS光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微照片2．读出移位寄存器3．电荷的输出8.4.2 8.4.2 线感光单元和存储单元交替排列。
在感光区光敏元件积分(a) 被测物是光源(b) 被测物吸收光通量(c) 被测物是有反射能力的表面(d) 被测物遮蔽光通量光电式浊度计工作原理——被测物吸收光通量可发出高分贝笛鸣 可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器光电式带材跑偏检测器光电式带材跑偏检测控制器原理1— 被测带材；2—卷取电机 ；3—卷取辊；4—液压缸；5—活塞；6—滑台；7—光电检测装置；8—光源；9、10—透镜；11-光敏；12—遮光罩电阻R1当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反线阵线阵CCD CCD CCD器件精密检测工件直径器件精密检测工件直径器件精密检测工件直径n =60( f /z )8.68.6 光栅传感器光栅式传感器有如下的特点：8.6.18.6.1 计量光栅的种类通常在600线/mm以上。
2．圆光栅8.6.2 莫尔条纹8.6.22．莫尔条纹的特性3) 误差平均效应(a) 刻线对齐 (b) 错开W/4 (c) 错开W/2 (d) 错开3W/42) 圆光栅的莫尔条纹(1) 径向光栅的莫尔条纹。
在几何量的测量中，径向光栅主要使用两种莫尔条纹：圆弧形莫尔条纹和光闸莫尔条纹。
① 圆弧形莫尔条纹。
两块栅距角γ相同的径向光栅以不大的偏心叠合，在光栅的各个部分，栅线的夹角均不同，便形成了不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹。
光栅式传感器8.6.38.6.3 光栅式传感器光栅式传感器有多种不同的光学系统，其中，比较常见的有透射式光栅传感器和反射式光栅传感器。
1．透射式光栅传感器光电元器件输出电信号的幅值可用光栅位移量若指示光栅采用路，即可实现对位移的测量。
2．反射式光栅传感器接近，能减小温度误差。
3．光栅测量辨向原理4．细分技术8.7.1 绝对编码器8.7.1绝对式接触式编码器演示绝对式接触式编码器2．绝对编码器的工作原理以4位绝对码盘的光电读出装置为例，如图，由最外向内依3．提高分辨力的措施。
《光电式传感器》PPT课件
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引言
光电式传感器是把被测物理量的变化先转换成 光信号的变化，然后再通过光电转换元件把光 信号变换成电信号的一种传感器。光电式传感 器的测量方法灵活多样，并且具有使用方便、 非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应 快等一系列优点，因而发展十分迅速，而且随 着激光、光栅、光导纤维、CCD等器件的相继 问世，光电传感器在检测及自动控制领域中得 到了更广泛的应用。
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光敏电阻
当光敏电阻受 到光照时， 阻值减 小。
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（2）光敏电阻的基本特性和主要 参数。
光敏电阻的伏安特性。
I(mA)
6 5 4 3 2 1
0
硫化铅 硫化铊 UV
50 100
光敏电阻的伏安特性
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光敏电阻的光照特性
光敏电阻的光谱特性 。
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9.1.3 内光电效应器件
光电倍增管的主要参数
（1）倍增系数M。
（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总 灵敏度。
放大倍数
106 105 104 103
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25 50 75 100 125 150
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极 间 电 压 （ V）
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1．光敏电阻
光敏电阻又称光导管，是一种均质半导 体光电元件。它具有灵敏度高、光谱响 应范围宽、体积小、重量轻、机械强度 高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强和 寿命长等特点
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（1）光敏晶体管结构与工作原理
0.8
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1.0 波长(m)
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9.1.2 外光电效应器件
光电式传感器的组成原理ppt课件
光线强弱 影响放大倍数
光线增强 PN导通 负电压输入
I
光线增强 短路电路
增大
U0 2I RF
应用
光学量：光强、光照度、辐射、气体成分 几何量：形状、尺寸、位移、距离、表面粗糙度、形位误 差 力学量：应变、速度、加速度、振动、流量、密度 生化量：离子浓度、荧光、电泳、染色体、分子标记
光电管研究光电效应
1.在光源灯固定L的情况下，画出光电管的伏安特性曲线 2.光源灯距离为L’（ L’>L）时的伏安特性曲线
光电式数字转速表
c ZTN 60
光电比色计
用于溶液的颜色、成分、浑浊度等化学分析。
受检样品
凸透镜 光源 凸透镜 标准样品
光电池
滤色
差值
滤色
差动放大器 显示仪表
光电池
光电式带材跑偏检测器
烟尘浊度监测仪
BG4
+12V
光电池触发电路
C2 C1 R1
+12V W
R4
R2
18 7
2 5G23
6
3 R3 4
5 C3 R5
-12V
光电池放大电路
路灯自动控制器
220V
CJD-10
路灯
8V C1 200μF
200Cμ2 F
R7 10kΩ
R1 470kΩ
R2 200kΩ
R3 10kΩ
R4
R5
100μF
4.3kΩ
平行 光源
烟道
光电 探测
放大
显示
刻度 校正
报警器
太阳能电池
调节控制器
阻塞二极管
太阳 电池 方阵
直 流 负 载
逆 变 器
传感器原理与应用习题第8章光电式传感器
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第8章光电式传感器8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。
8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？答：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。
光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。
8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。
答：光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。
它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。
当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。
8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。
答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。
光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
8-6 简述CCD图像传感器的工作原理及应用。
8-7 何谓PSD？简述其工作原理及应用。
8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。
8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。
8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。
答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。
应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。
8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。
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设每级的倍增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流 倍增率将为δ n 。倍增级数n可在4~ 14 之间，δ的范围一般是 3~6。
如图9-21所示是两个光电管的差接电路，V1、V2为放大 管。其示值可在指示仪表P上读得。
在平衡工作状态时，指示仪表处在零位。 2.光电倍增管的测量电路
常见的光电倍增管电路如图9-22所示，各倍增极的电压 由分压电阻链R1、R2……Rn获得，被放大的电流流经负载电 阻就得到了所需的输出电压。
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如果光电倍增管用来连续监控很稳定的光源，则图中的 Cn~Cn-2可以省略。使用中往往把电源正极接地，使阳极可 以直接接到放大器的输入端而不使用隔离电容Ca，这样系统 将能响应变化很慢的光强，如果将稳定的光源加以调制，那 么就可以用电容器耦合。
当辐射源为脉冲通量时要把电源负极接地，这样噪声将更 低。这时应接入隔离电容 Ca，同时用电容器Cn~Cn-2稳定最 后几个倍增极在脉冲期间的电压，这些电容器有助于稳定增 益和防止饱和，它们通过电源去耦电容器C将脉冲电压接地。
三、光电池 1.光电池的结构与原理 （1）结构
硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型 杂质形成一个大面积的PN结，如图9-11所示。
（2）原理 当光照射到PN结附近时，若光子能量大于半导体材料的
第八章 光电、光纤式传感器
+
P
N
-
第8章
光电、光纤式传感器
光电池与外电路的连接方式有两种：一种是把PN结的两端通 过外导线短接，形成流过外电路的电流，这电流称为光电池的 输出短路电流( I L )，其大小与光强成正比；另一种是开路电 压输出，开路电压与光照度之间呈非线性关系；光照度大于 10001x时呈现饱和特性。因此使用时应根据需要选用工作状 态。
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光电、光纤式传感器
8.3 高速光电器件
1．PIN结光电二极管(PINPD) PIN结光敏二极管是 以PIN结代替PN结的光敏二 极管，在PN结中间设置一 层较厚的工层(高电阻率的 本征半导体)而制成，故简 称为PIN—PD。其结构原理 如图。
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光电、光纤式传感器
2．雪崩式光电二极管 (APD)
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光电、光纤式传感器
8.2.2 控制方式
实现电极下电荷有控制 的定向转移，有二相、三相等多 种控制方式。图为三相时钟控制 方式。所谓“三相”，是指在线 阵列的每一级(即像素)有三个金 属电极P1、P2和P3，在其上依次 施加三个相位不同的时钟脉冲电 压Φ 1 Φ 2 Φ 3。
CCD电荷注入的方法有光注入法 (对摄像器件)、电注入法(对移 位寄存器)和热注入法(对热像器 件)等。
(n1 n2 ) / n1 相对折射率差
arcsinNA是一个临界角， θ i > arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失； θ i < arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。
第8章
传感器
干 涉 型
光电、光纤式传感器
光学现象
第八章 图像信息的光电变换2-1节
序信号；CMOS图像传感器采用顺序开通行、列开关的方式完成像
素信号的一维输出。因此，有时也称面阵CCD、CMOS图像传感 器以自扫描的方式输出一维时序电信号。
监视器或电视接收机的显像管几乎都是利用电磁场使电子束偏
转而实现行与场扫描，因此，对于行、场扫描的速度、周期等参数 进行严格的规定，以便显像管显示理想的图像。
(8-1)
式中thf为行扫描周期，而W/thf应为电子 束的行扫描速度，记为vhf，式可改写为
f=fx〃vhf
（8-2）
CCD与CMOS等图像传感器只有遵守上 述的扫描方式才能替代电子束摄像管，因
此， CCD与CMOS的设计者均使其自扫描制式与电子束摄像管相同。
8.2.2 电视制式
电视的图像发送与接收系统中，图像的采集（摄像机）与图像
当摄像管有光学图像输入时，则入射光子打到靶上。 由于本征层占有靶厚的绝大部分，入射光子大部分被本征 层吸收，产生光生载流子。且在强电场的作用下，光生载 流子一旦产生，便被内电场拉开，电子拉向N区，空穴被 拉向P区。这样，若假定把曝光前本征层两端加有强电场 看作是电容充电，则此刻由于光生载流子的漂移运动的结 果相当于电容的放电。其结果，在一帧的时间内，在靶面 上便获得了与输入图像光照分布相对应的电位分布，完成 了图像的变换和记录过程。
传感器件通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像 转换成一维时序信号输出出来。这种代表图像信息的一维信号称为 视频信号。视频信号可通过信号放大和同步控制等处理后，通过相 应的显示设备（如监视器）还原成二维光学图像信号。 视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则才能 保证图像信息不产生失真，这种规则称为制式。
第二，要求相邻两场光栅必须均匀地镶嵌，确保获得最高的清晰度。