2006_检测_11_光电式传感器

Cha.11光电式传感器工作原理：被测光信号及其相关物理量-----电（参）量变化-电压（流）光电效应光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。特点：反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点。广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领域中。1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。一、光电效应及光电器件光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏特效应三类。后两类又称为内光电效应，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(或称光敏元件)。•外光电效应：在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面而向外发射的现象，通常所说的光电效应是指外光电效应。•内光电效应：物体受光照射后，其内部的原子释放出电子并不逸出物体表面，而仍留在内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。前者称为光电导效应，后者称为光生伏特效应。紫外管外形当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。紫外线•基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光电倍增管等。光电管有真空光电管和充气光电管。1．光敏电阻光敏电阻是一种用光电导材料制成的没有极性的光电元件，也称光导管。它基于半导体光电导效应工作。由于光敏电阻没有极性，工作时可加直流偏压或交流电压。当无光照时，光敏电阻的阻值(暗电阻)很大。电路中电流很小。当它受到一定波长范围的光照射时，其阻值(亮电阻)急剧减小，电路中电流迅速增加，用电流表可以测量出电流。根据电流值的变化，即可推算出照射光强的大小。•基于内光电效应的光电器件又分为基于光电导效应的器件（光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管）和基于光伏效应的器件（光电池）。光敏电阻当光敏电阻受到光照时，阻值减小。2．光敏二极管半导体光敏二极管与普通二极管相比，有许多共同之处，它们都有一个PN结，均属单向导电性的非线性元件。光敏二极管一般在负偏压情况下使用，它的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流(暗电流)很小(处于载止状态)；受光照射时，结区产生电子—空穴对，在结电场的作用下，电子向N区运动、空穴向P区运动而形成光电流,光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系。光敏二极管的反向偏置接法光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。光敏二极管的反向偏置接法UO+—光照3、光敏三极管光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管。在正常工作情况下，此二极管应反向偏置。因此，不管是P-N-P还是N-P-N型光敏三极管，一般用集电结作为受光结。当集电极加上相对于发射极为正电压且基极开路时，集电结处于反向偏压下，它的工作机理完全与反偏压的光敏二极管相同。这里，入射光子在基区及收集区被吸收而产生电子-空穴对，形成光生电压。由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。因此，从这点可以更明确地说，光敏三极管是一种相当于将基极集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。光敏三极管有两个PN结，与普通三极管相似；有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。光敏三极管外形4.光电池在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子—空穴对，光生电子—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。光电池是根据光生伏特效应制成的将光能直接转变成电能的一种器件。目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。晒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。硅光电池与其它半导体光电池相比，不仅性能稳定，还是目前转换效率最高(达到17％)的几乎接近理论极限的一种光电池。区别与联系光电二极管。光电池外形光敏面能提供较大电流的大面积光电池外形•CCD全称电荷耦合器件，它具备光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。•CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器，简称CMOS。现在市售的视频摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。虽然目前的CMOS图像传感器成像质量比CCD略低，但CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆加工技术的进步，CMOS的各项技术指标有望超过CCD。5.CCD和CMOS•CCD的基本工作原理一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。•CCD图像传感器的分类线阵CCD外形用途：光谱分析、测径、测量微小位移面阵CCD面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。主要用于摄像、图像处理、数据存储和机器人视觉等领域200万和1600万像素的面阵CCD面阵CCD外形（续）•CCD图像传感器的应用线阵CCD在扫描仪中的应用CCD用于图像记录CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片CMOS视频摄像头带红外LED照明的CMOS视频摄像头二、光电传感器特性•光照特性•光谱特性•伏安特性•频率特性•温度特性•稳定性与寿命•亮电流和光电流三、光源和光敏元件适用范围•光敏电阻测量电路•光电池测量电路•光电二极管测量电路•光电三极管测量电路•集成电路四、基本测量电路烟雾报警器外形（参考南京千里通公司无线烟雾报警器资料）无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。烟雾报警!!!五、应用无线烟雾报警器内部结构可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器光电开关在流水线上的应用送料器定区域式光电开关咖啡罐流水线运行方向(罐装高度检测)储料仓落料口遮断式光电开关(计数)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。接收器光幕应用产品高度测量光幕应用（续）光幕用于自动收费系统的车辆检测光幕应用（续）锻压机床的安全区域设置及入侵报警光幕应用（续）锻压机床的安全区域设置及入侵报警齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。光电断续器的应用请写出转速与频率的关系式n=？n