第2章光电式传感器PPT讲稿.ppt

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1、第2章光电式传感器第1页，共114页，编辑于2022年，星期一2.1 2.1 光电效应概述光电效应概述 光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。一一.外光电效应外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。式确定。第2页，

2、共114页，编辑于2022年，星期一若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功功A0A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量故要使一个电子逸出，则光子能量hh必须超出逸出必须超出逸出功功A0 A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即即第3页，共114页，编辑于2022年，星期一二二.内光电效应内光电效应 受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两

3、大类。效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。1 1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键）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，而引起材料电阻率变化，这合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。电阻等。2 2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。应的器件有光电池和光敏晶体管等。第

4、4页，共114页，编辑于2022年，星期一一一.普通光电管普通光电管在一个真空泡内装有两个电极：在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。光电阴光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。流，在外电路就产生电流。2.2 2.2 光电管光电管第5页，

5、共114页，编辑于2022年，星期一第6页，共114页，编辑于2022年，星期一二二.光电倍增管光电倍增管1.1.结构与原结构与原理理由于真空由于真空光电管的光电管的灵敏度较灵敏度较低，因此低，因此人们便研人们便研制了光电制了光电倍增管，倍增管，其工作原其工作原理如图。理如图。第7页，共114页，编辑于2022年，星期一2.主要参数主要参数1）倍增系数倍增系数 MM 电流放大倍数电流放大倍数MM与所加电压有关，一般在与所加电压有关，一般在105105108108之间。一般阳极和阴极之间。一般阳极和阴极的电压为的电压为1000V1000V2500V2500V，两个相邻的倍增电极的电压差为，两个相

6、邻的倍增电极的电压差为50V50V100V100V。第8页，共114页，编辑于2022年，星期一2）阴极灵敏度和总灵敏度）阴极灵敏度和总灵敏度 一个光子在阴极上能够一个光子在阴极上能够打出的平均电子数焦作打出的平均电子数焦作光电阴极的灵敏度。而光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生一个光子在阳极上产生的平均电子数焦灼光电的平均电子数焦灼光电倍增管的总灵敏度。倍增管的总灵敏度。光电倍增管的放大倍数光电倍增管的放大倍数或总灵敏度如图所示。或总灵敏度如图所示。第9页，共114页，编辑于2022年，星期一 光光电电池池是是一一种种直直接接将将光光能能转转换换为为电电能能的的光光电电器器件件。光光电电

7、池池在在有有光线作用下实质就是电源光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件就不需要外加电源。电路中有了这种器件就不需要外加电源。一一.结构与工作原理结构与工作原理 光光电电池池的的工工作作原原理理是是基基于于“光光生生伏伏特特效效应应”。它它实实质质上上是是一一个个大大面面积积的的PNPN结结,当当光光照照射射到到PNPN结结的的一一个个面面,例例如如p p型型面面时时,若若光光子子能能量量大大于于半半导导体体材材料料的的禁禁带带宽宽度度,那那么么p p型型区区每每吸吸收收一一个个光光子子就就产产生生一一对对自自由由电电子子和和空空穴穴,电电子子空空穴穴对对从从表表面面向向内内迅迅速速扩扩散

8、散,在在结结电电场场的的作作用用下下,最最后建立一个与光照强度有关的电动势。后建立一个与光照强度有关的电动势。2.3 光电池光电池第10页，共114页，编辑于2022年，星期一第11页，共114页，编辑于2022年，星期一二二.光电池的基本特性光电池的基本特性1.光谱特性光谱特性 硒光电池和硅光电池硒光电池和硅光电池的光谱特性如左图的光谱特性如左图 不同的光电池，光谱不同的光电池，光谱峰值的位置不同。例峰值的位置不同。例如，硅光电池在如，硅光电池在8000A附近，硒光电附近，硒光电池在池在5400A附近。附近。第12页，共114页，编辑于2022年，星期一2.光照特性光照特性 光照度定义为电位

9、面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒克斯。光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒克斯。Lx(W/m2)Lx(W/m2)反映短路电流、开路电压与光照度的关系。反映短路电流、开路电压与光照度的关系。短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于短路光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。电流状态，可做检测元件。开路电压（负载电阻开路电压（负载电阻RLRL无限大时）与光照度的关系是非线性的无限大时）与光照度的关系是非线性的,并并且当照度在且当照度在2000 lx2000 lx时就趋于饱和了。光电池工作于开路电压状态，可做时就趋于饱和了。光

10、电池工作于开路电压状态，可做开关元件。开关元件。第13页，共114页，编辑于2022年，星期一3.温度特性温度特性 温度特性主要描温度特性主要描述开路电压与短述开路电压与短路电流随温度变路电流随温度变化的情况。如图化的情况。如图所示所示.把光电池作为测量把光电池作为测量器件应用时器件应用时,应应保证温度恒定或保证温度恒定或采取温度补偿措采取温度补偿措施。施。第14页，共114页，编辑于2022年，星期一JMJ112V2A51KL39K470uf三三.光电池的应用光电池的应用1.自动干手器自动干手器手放入干手器时，手手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，遮住灯泡发出的光，光电池不受光照，晶光电池不

11、受光照，晶体管基极正偏而导通，体管基极正偏而导通，继电器吸合。风机和继电器吸合。风机和电热丝通电，热风吹电热丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，出烘手。手干抽出后，灯泡发出光直接照射灯泡发出光直接照射到光电池上，产生光到光电池上，产生光生电动势，使三极管生电动势，使三极管基射极反偏而截止，基射极反偏而截止，继电器释放，从而切继电器释放，从而切断风机和电热丝的电断风机和电热丝的电源。源。第15页，共114页，编辑于2022年，星期一2.路灯控制器第16页，共114页，编辑于2022年，星期一2.4 光敏电阻光敏电阻为了防止周围介质的影响为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜在半导体

12、光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。1.光敏电阻的结构光敏电阻的结构它是涂于玻璃底板上的一它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质薄层半导体物质,半导体半导体的两端装有金属电极的两端装有金属电极,金金属电极与引出线端相连接属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端光敏电阻就通过引出线端接入电路。接入电路。第17页，共114页，编辑于2022年，星期一第18页，共114页，编辑于2022年，星期一2.2.光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理 光敏电阻又称光导管光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料

13、制它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。成的光电器件。光敏电阻没有极性光敏电阻没有极性,纯粹是一个电纯粹是一个电阻器件阻器件,使用时既可加直流电压使用时既可加直流电压,也可以加交流电也可以加交流电压。压。无光照时无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电路中电流迅速增大。电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好一般希望暗电阻越大越好,亮电亮电阻越小越好阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。此时光敏电阻

14、的灵敏度高。实际光敏电实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。亮电阻在几千欧以下。第19页，共114页，编辑于2022年，星期一3 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数）暗电阻暗电阻光光敏敏电电阻阻在在不不受受光光时时的的阻阻值值称称为为暗暗电电阻阻,此此时时流流过过的的电电流流称称为为暗暗电流。电流。）亮电阻亮电阻光光敏敏电电阻阻在在受受光光照照射射时时的的电电阻阻称称为为亮亮电电阻阻,此此时时流流过过的的电电流流称为亮电流。称为亮电流。）光电流光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。第20页，共114页，编辑于2022年，星

15、期一4 光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性1）伏安特性伏安特性：在一定照度下在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系两端的电压的关系一定光照，一定光照，R R一定，一定，I I正比于正比于U U。一定电压，一定电压，I I随着光照随着光照E E增增强而增大。强而增大。ERI ERI。第21页，共114页，编辑于2022年，星期一2)光照特性（光照特性（IE）光敏电阻的光光敏电阻的光照特性为非线照特性为非线性，不宜作检性，不宜作检测元件，主要测元件，主要用于自动控制用于自动控制中。中。第22页，共114页，编辑于2022年，星期一3）光谱特性（光谱

16、特性（Kr%）光光敏敏电电阻阻的的相相对对光光敏敏灵灵敏敏度度与与入入射射波波长长的的关关系系称称为为光光谱谱特特性性。亦称为光谱响应。亦称为光谱响应。不同材料，其峰值波长不同。不同材料，其峰值波长不同。同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。件得到较高得相对灵敏度。第23页，共114页，编辑于2022年，星期一4）温度特性温度特性温温度度变变化化影影响响光光敏敏电电阻阻的的光光谱

17、响应。谱响应。硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱温温度度特特性性曲曲线线,它它的的峰峰值值随随着着温温度度上上升升向向波波长长短短的的方方向向移移动动。因因此此,硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻要要在在低低温温、恒恒温温的的条条件件下下使使用用。对对于于可可见见光光的的光光敏敏电电阻阻,其其温温度度影响要小一些。影响要小一些。第24页，共114页，编辑于2022年，星期一5.光敏电阻的应用光敏电阻的应用1.光照度计光照度计 农作物日照时数测定。农作物日照时数测定。输出接单片机的输出接单片机的I/OI/O口，口，每每2 2分钟对此口查询分钟对此口查询1 1次，为次，为高电平，计数一次，为低电高

18、电平，计数一次，为低电平，不计数。平，不计数。1 1天查询天查询720720次。次。无光照无光照V0=VL V0=VL 。有光照。有光照V0=VHV0=VH。第25页，共114页，编辑于2022年，星期一2.环境照度监视器环境照度监视器第26页，共114页，编辑于2022年，星期一3.带材跑偏检测仪带材跑偏检测仪第27页，共114页，编辑于2022年，星期一2.5 光敏二极管与三极管光敏二极管与三极管一一.光敏二极管光敏二极管1.1.工作原理与结构工作原理与结构光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个PNPN结，两根结，两根电极引线，而且都是非线性器

19、件，具有单向导电性。不同之电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不同之处在于光敏二极管的处在于光敏二极管的PNPN结状在管壳的顶部，可直接受到光的结状在管壳的顶部，可直接受到光的照射，其结构和电路如图所示。照射，其结构和电路如图所示。第28页，共114页，编辑于2022年，星期一没有光照射时没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态工作于截止状态,这时只有这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。流。这时反向电阻很大。当光照射在当

20、光照射在PNPN结上时结上时,光子打在光子打在PNPN结附近结附近,PN,PN结附近产生光生结附近产生光生电子和光生空穴对。从而使电子和光生空穴对。从而使P P区和区和N N区的少数载流子浓度大大增加，区的少数载流子浓度大大增加，因此在反向外加电压和内电场的作用下因此在反向外加电压和内电场的作用下,P,P区的少数载流子渡越阻挡区的少数载流子渡越阻挡层进入层进入N N区，区，N N区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入P P区区，从而使通过从而使通过PNPN结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。光的照度结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态

21、。光的照度越大越大,光电流越大。光电流越大。第29页，共114页，编辑于2022年，星期一2.2.光敏二极管的基本特性光敏二极管的基本特性1 1）光谱特性）光谱特性 在入射度一定时，在入射度一定时，输出的光电流输出的光电流（或相对灵敏度）（或相对灵敏度）随光波波长的变随光波波长的变化而变化。一种化而变化。一种光敏二极管只对光敏二极管只对一定波长的入射一定波长的入射光敏感，这就是光敏感，这就是它的光谱特性。它的光谱特性。如图所示。如图所示。第30页，共114页，编辑于2022年，星期一2）伏安特性）伏安特性第31页，共114页，编辑于2022年，星期一3 3）光照特性）光照特性第32页，共114

22、页，编辑于2022年，星期一4 4）温度特性）温度特性温度变化对光敏二极管输出电流影响较小温度变化对光敏二极管输出电流影响较小,但对暗电流的影响却十但对暗电流的影响却十分显著分显著.第33页，共114页，编辑于2022年，星期一3.光敏二极管的应用光敏二极管的应用1 1）光电路灯控制电路）光电路灯控制电路第34页，共114页，编辑于2022年，星期一2）光强测量电路）光强测量电路第35页，共114页，编辑于2022年，星期一二二.光敏三级管光敏三级管光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。大几十至几百

23、倍，但相应速度较二极管差。1.1.工作原理与结构工作原理与结构基基极极开开路路，集集电电极极与与发发射射极极之之间间加加正正电电压压。当当光光照照射射在在集集电电结结上上时时,在在结结附附近近产产生生电电子子-空空穴穴对对,电电子子在在结结电电场场的的作作用用下下，由由P P区区向向N N区区运运动动，形形成成基基极极电电流流，放放大大倍倍形形成成集集电电极极电电流流（光光电电流流）,所以光电三极管有放大作用。所以光电三极管有放大作用。第36页，共114页，编辑于2022年，星期一2.光敏三极管的基本特性光敏三极管的基本特性1 1）光谱特性与伏安特性光谱特性与伏安特性 光谱特性与二极管相同，伏

24、光谱特性与二极管相同，伏安特性如图。安特性如图。第37页，共114页，编辑于2022年，星期一2）温度特性与光照特性）温度特性与光照特性 温度特性与光敏二极管相温度特性与光敏二极管相同，光照特性如图同，光照特性如图第38页，共114页，编辑于2022年，星期一3.光敏三极管的应用光敏三极管的应用1.脉冲编码器脉冲编码器第39页，共114页，编辑于2022年，星期一2.转速传感器转速传感器第40页，共114页，编辑于2022年，星期一第41页，共114页，编辑于2022年，星期一2.6光电耦合器件光电耦合器件一一 光电耦合器光电耦合器 光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内光电耦合器的发光

25、和接收元件都封装在一个外壳内,一般有金属封一般有金属封装和塑料封装两种。发光元件为发光二极管，受光元件为光敏三装和塑料封装两种。发光元件为发光二极管，受光元件为光敏三极管或光敏可控硅。它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出极管或光敏可控硅。它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出端。端。特点：特点：强弱电隔离。强弱电隔离。输入输出极之间绝缘电阻很高。耐压达输入输出极之间绝缘电阻很高。耐压达2000V2000V以上。以上。能避免输出端对输入端地线等的干扰。能避免输出端对输入端地线等的干扰。第42页，共114页，编辑于2022年，星期一对系统内部噪声有很强的抑制作用。对系统内部噪声有很强的抑制作用。

26、发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，对系统发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）光电耦合器的组合形式应用于自动控制电路中的强弱电隔离。应用于自动控制电路中的强弱电隔离。第43页，共114页，编辑于2022年，星期一二二.光电开关光电开关 光光电电开开关关在在制制造造业业自自动动化化包包装装线线及及安安全全装装置置中中作作光光控控制制和和光光探探测测装装置置。可可实实现现限限位位控控制制、产产品品计计数数,料料位位检检测测，越限安全报警及计算机输入接口等用途。越限安全报警及计算机输入接口等用途。1.1.光电开关结构光

27、电开关结构 透射式和反射式的光电开关。透射式和反射式的光电开关。利用输出电平的状态判断有无被测物。利用输出电平的状态判断有无被测物。第44页，共114页，编辑于2022年，星期一第45页，共114页，编辑于2022年，星期一2.基本电路（透射式）基本电路（透射式）如图（如图（a)(c)a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。(b)(b)无被无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。第46页，共114页，编辑于2022年，星期一2.7 色敏光电传感器色敏光电传感器1.结构与基本原理结构与基本原理

28、色敏光电传感器相当色敏光电传感器相当于两支结构不同的于两支结构不同的光电二极管的组合，光电二极管的组合，故又称光电双结二故又称光电双结二极管极管第47页，共114页，编辑于2022年，星期一2.基本特性基本特性1）光谱特性）光谱特性第48页，共114页，编辑于2022年，星期一2）短路电流比波长特性）短路电流比波长特性 短路电流比波短路电流比波长特性是表征半长特性是表征半导体色敏器件对导体色敏器件对波长的识别能力，波长的识别能力，是赖以确定被测是赖以确定被测波长的基本特性。波长的基本特性。第49页，共114页，编辑于2022年，星期一3.色敏光电传感器的应用色敏光电传感器的应用色彩信号处理电路

29、色彩信号处理电路第50页，共114页，编辑于2022年，星期一2.8 红外光传感器红外光传感器一.一.红外辐射红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76-0.76-1000m,1000m,红外线在电磁波谱中的位置如下图。红外线在电磁波谱中的位置如下图。第51页，共114页，编辑于2022年，星期一二二.红外光传感器的工作原理与结构红外光传感器的工作原理与结构 红外光传感器按工作原理可分为光量子型和热电型两红外光传

30、感器按工作原理可分为光量子型和热电型两大类。大类。光量子型可直接把红外光转换成电能。如，红外光敏光量子型可直接把红外光转换成电能。如，红外光敏电阻和红外电阻和红外PNPN结型光生伏特器件，用于遥感成像方面。结型光生伏特器件，用于遥感成像方面。热电型吸收红外光后变为热能，使材料的温度升高，电热电型吸收红外光后变为热能，使材料的温度升高，电学性能发生变化，人们利用这个现象制成了测量光辐射学性能发生变化，人们利用这个现象制成了测量光辐射的器件。如红外热释电传感器。的器件。如红外热释电传感器。第52页，共114页，编辑于2022年，星期一1.热释电效应热释电效应 对于某些材料对于某些材料 (如锆钛酸铅

31、如锆钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、硫酸系陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘肽等三甘肽等)，具有自发极化，具有自发极化的特征。自发极化与温度的特征。自发极化与温度有很大关系。若温度因吸有很大关系。若温度因吸收红外光而升高，则极化收红外光而升高，则极化强度减少，使单位面积上强度减少，使单位面积上极化电荷减少，释放一定极化电荷减少，释放一定量的吸附电荷；若与一个量的吸附电荷；若与一个电阻连成回路，会形成电电阻连成回路，会形成电流，如图所示。流，如图所示。第53页，共114页，编辑于2022年，星期一由实验证实，电阻上压降的变化为由实验证实，电阻上压降的变化为由于由于dT/dtdT/dt与红外线强度的变化成正比，结合

32、上式，可与红外线强度的变化成正比，结合上式，可得出输出电压正比与红外线强度的变化。得出输出电压正比与红外线强度的变化。第54页，共114页，编辑于2022年，星期一2.单元件热释电传感器的结构和等效电路单元件热释电传感器的结构和等效电路第55页，共114页，编辑于2022年，星期一3.双元件（双元型）红外传感器双元件（双元型）红外传感器 此传感器专门用来检测人此传感器专门用来检测人体辐射的红外线能量。市场体辐射的红外线能量。市场上常见有国产的上常见有国产的SD02SD02、PH5324PH5324，日本的，日本的SCA02-1SCA02-1，美国，美国的的P2288P2288等。等。SD02S

33、D02由敏感单元、场效应管、由敏感单元、场效应管、高阻抗变换管、滤光窗等组高阻抗变换管、滤光窗等组成，并在氦气环境下封装而成，并在氦气环境下封装而成。成。第56页，共114页，编辑于2022年，星期一三三.红外光传感器的应用红外光传感器的应用1.无线报警系统无线报警系统第57页，共114页，编辑于2022年，星期一第58页，共114页，编辑于2022年，星期一2.卫生间节水控制器卫生间节水控制器第59页，共114页，编辑于2022年，星期一3.红外测温仪红外测温仪第60页，共114页，编辑于2022年，星期一4.红外气体分析仪红外气体分析仪第61页，共114页，编辑于2022年，星期一第62页

34、，共114页，编辑于2022年，星期一2.9 固态固态CCD图像传感器图像传感器 固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合器件（简称器件（简称CCDCCD）、）、MOSMOS图像传感器（简称图像传感器（简称SSPASSPA）和）和电荷注入器件（简称电荷注入器件（简称CIDCID）。）。目前，前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。目前，前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。人的眼睛等。在本节中仅说明在本节中仅说明CCDCCD图像传感器的工作原理与

35、特性图像传感器的工作原理与特性第63页，共114页，编辑于2022年，星期一一一.电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD)电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge Couple DeviceCharge Couple Device，简简称称CCDCCD），它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器），它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。是一种金属氧化物半导体（是一种金属氧化物半导体（MOSMOS）集成电路器件，）集成电路器件，它以电荷作为信号它以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换电荷基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷

36、的转移输出。的存储和电荷的转移输出。广泛应用于自动控制和广泛应用于自动控制和自动测量自动测量,尤其尤其适用于图像识别技术适用于图像识别技术。第64页，共114页，编辑于2022年，星期一1.MOS光敏单元的结构及原理光敏单元的结构及原理CCDCCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。CCDCCD器件的基本单元结构是器件的基本单元结构是MOSMOS（金属（金属氧化物氧

37、化物半导体）半导体）结构。即在结构。即在P P型硅衬底上生长一层型硅衬底上生长一层SiOSiO2 2(120nm),(120nm),再在再在 SiOSiO2 2层上沉积金属铝构成层上沉积金属铝构成MOSMOS结构，它是结构，它是CCDCCD器件的器件的最小工作单元。最小工作单元。第65页，共114页，编辑于2022年，星期一第66页，共114页，编辑于2022年，星期一A A、势阱的产生、势阱的产生 MOS MOS的金属电极加正压，电极下的的金属电极加正压，电极下的P P型硅区域内型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成

38、耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅载流子，形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于取决于U U的大小。的大小。第67页，共114页，编辑于2022年，星期一B B、电荷的存储、电荷的存储 势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。CCD CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就器件将物体的光像形成对应的电像时，就是是CCDCCD器件中上千个相互独立的器件中上千个相互独立的MOSMOS单元势阱中单元势阱中存储与光像对应的电荷量。存储与光像对应的电荷量。第68页，共114页，

39、编辑于2022年，星期一2.读出移位寄存器读出移位寄存器是电荷图像的输出电路是电荷图像的输出电路研究如何实现势阱下的电荷从一个研究如何实现势阱下的电荷从一个MOSMOS元元位置转移到另一个位置转移到另一个MOSMOS元位置，并依次转元位置，并依次转移并传输出来。移并传输出来。第69页，共114页，编辑于2022年，星期一A、电荷的定向转移、电荷的定向转移 当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOSMOS电容器电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。栅极电压高低来调节势阱的深浅。要

40、求：要求：多个多个MOSMOS电容紧密排列且势阱相互沟通。电容紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。第70页，共114页，编辑于2022年，星期一B、三相、三相CCD电极的结构电极的结构 MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由在一起。由3个相位差个相位差120时钟脉冲驱动。时钟脉冲驱动。第71页，共114页，编辑于2022年，星期一第72页，共114页，编辑于2022年，星期一第73页，共114页，编辑于2022年，星期一第74页，共114页，编辑于2022年，星期一C、电荷的输出、电荷

41、的输出在输出端在输出端P P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PNPN结形成耗尽层。输出栅结形成耗尽层。输出栅OGOG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。输出二极管电流法输出二极管电流法第75页，共114页，编辑于2022年，星期一二二.CCD图像传感器图像传感器 1.1.线阵电荷耦合器件线阵电荷耦合器件线阵CCD结构原理图

42、第76页，共114页，编辑于2022年，星期一 （1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的管产生光生电子空穴对，电子注入对应的MOS势阱中，光像变为电像势阱中，光像变为电像电荷包。（光积分）电荷包。（光积分）（2）积分周期结束，控制信号使转移栅打开，）积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过移位寄存器并行输出。移位寄存器并行输出。（3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。信号积分采集。第77页，

43、共114页，编辑于2022年，星期一图7-12 各脉冲的波形和相位第78页，共114页，编辑于2022年，星期一2.面阵型面阵型CCD图像传感器图像传感器 面阵型面阵型CCDCCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输三种。下面主要介绍前两种。三种。下面主要介绍前两种。1 1）行传输（）行传输（LTLT）面阵）面阵CCDCCD第79页，共114页，编辑于2022年，星期一2）帧传输（帧传输（FT）面阵）面阵CCD 光敏区和存储区分开，

44、光光敏区和存储区分开，光敏区在积分时间内，产生与敏区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分光像对应的电荷包，在积分周期结束后，利用时钟脉冲周期结束后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到读出寄存将整帧信号转移到读出寄存器。然后，整帧信号再向下器。然后，整帧信号再向下移，进入水平读出移位寄存移，进入水平读出移位寄存器，串行输出。（一帧对应器，串行输出。（一帧对应光敏区光敏区MOSMOS的数量）的数量）光敏区存储区读出寄存器第80页，共114页，编辑于2022年，星期一第81页，共114页，编辑于2022年，星期一三三.CCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数1.1.转移效率转移效率 当当CC

45、DCCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q Q1 1为转移为转移一次后的电荷量，一次后的电荷量，Q Q0 0为原始电荷，则转移效率定义为为原始电荷，则转移效率定义为若转移损耗定义为若转移损耗定义为则电荷进行则电荷进行N N次转移时，总转移效率为次转移时，总转移效率为要求转移效率必须达到要求转移效率必须达到99.9999.9999.999%99.999%第82页，共114页，编辑于2022年，星期一2.分辨率分辨率 CCDCCD图象传感器的分辨率用调制转移函数图象传感器的分辨率用调制转移函数MTFMTF表征。表征。当光强以正弦变化的图像作用在传感器

46、上时，电当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化为调制转移函数信号幅度随光像空间频率的变化为调制转移函数MTFMTF。根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率辨率f fm m等于它的空间采样频率等于它的空间采样频率f f0 0的一半，即的一半，即第83页，共114页，编辑于2022年，星期一3.暗电流暗电流 暗电流起因于热激发产生的电子空穴暗电流起因于热激发产生的电子空穴对，是缺陷产生的主要原因。对，是缺陷产生的主要原因。CCDCCD器件暗器件暗电流越小越好。电流越小越好。第84页，共114页，编辑于2022年，

47、星期一4.4.灵敏度灵敏度 图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，即时间、单位面积发射的电量，即第85页，共114页，编辑于2022年，星期一 四四.CCD图像传感器应用图像传感器应用 1、线阵、线阵CCD器件检测工件尺寸器件检测工件尺寸L工件尺寸，N覆盖的光敏单元d相邻光敏单元中心距离M光学系统放大率2d为图象末端两个光敏单元之间可能的最大误差。根据目前产品情况d0013003mm。第86页，共114页，编辑于2022年，星期一2.线列线列CCD摄像系统摄像系统第87页，共114页，编辑于2022年，星期一3.3.文字图

48、像识别系统文字图像识别系统邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在传邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。数字依次读出。读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应

49、分类箱中。制分类机构，把信件送入相应分类箱中。第88页，共114页，编辑于2022年，星期一驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1分类箱23邮政编码识别系统邮政编码识别系统第89页，共114页，编辑于2022年，星期一2.10 2.10 光纤传感器光纤传感器一、光纤的传光原理一、光纤的传光原理1、光纤结构、光纤结构由纤芯和包层组成（石英玻璃由纤芯和包层组成（石英玻璃5100um)（n1n2)。外层一层尼龙保护套。外层一层尼龙保护套。第90页，共114页，编辑于2022年，星期一2、传光原理、传光原理光的全内反射是光纤传输光的基础。（1）光的全反射条件 光由纤芯到包层表面，由光的

50、折射定律可知：第91页，共114页，编辑于2022年，星期一第92页，共114页，编辑于2022年，星期一（2）数值孔径NA光由空气射入光纤端面，与轴成 角。第93页，共114页，编辑于2022年，星期一即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）传输。即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）传输。希望希望NA越大越好。它表明无论光源发射功率多大，越大越好。它表明无论光源发射功率多大，只有只有2 内的光才能被光纤接受，全反射传输。内的光才能被光纤接受，全反射传输。第94页，共114页，编辑于2022年，星期一二二.光纤分类光纤分类1.1.按传输模式分单模光纤、多模光纤按传输模式分单模光纤、多模