光电检测技术40二十讲

五、光电检测电路设计的步骤 1. 电路静态计算。 2. 电路动态计算。 3. 噪声估算。 4. 放大电路的选择与设计。
六、常用光电检测电路实例分析
光电检测技的典型应用
1、 长度量测量。 2、 光学传递函数检测。 3、 利用激光准直技术测量物体的直线度。 4、 搜索、跟踪与与制导中的应用。 5、 印刷出版中的应用。 6、 自动化方面的应有。 7、 通信方面的应用。
电池的光电流比其它器件因照射光的晃动要小 些。一般要使入射通量的变化中心处于检测器件光电 特性的线性范围内，以确保获得良好的线性检测。 对微弱的光信号，器件必须有合适的灵敏度，以 确保一定的信噪比与输出足够强的电信号。
(3)光电检测器件必须和光信号的调制形式、 信号 频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真的输出 波形和良好的时间响应。这种情况主要是选择响应时 间短或上限频率高的器件，但在电路上也要注意匹配 好动态参数。 (4)光电检测器件必须和输入电路在电特性上良 好地匹配，以保证有足够大的转换系数、线性范围、 信噪比及快速的动态响应等。
应用实例3 声、光控路灯电路
D1 R2 47K R1 4.7K C1 0.047 MIC BG3 9014 R3 1M BG1 9014 BG2 R5 10K 2 4 5 C2 0.01 8
IC1
R4 1M 7 6 3 C3 22 CT C4 220
IN4001
C5 2CW58 DW 0.47/400V D2 220V IN4004
• 与此同时555时基电路7脚内接MOS管截止，断开 了C3的放电回路。当响声过后，没有信号加至 BG1基极，BG1截止，555时基电路2脚恢复为高 电平。但由于6脚为低电平，电路进入保持状态， 电灯持续点亮。另一方面+10V电压经过R4向C3 充电，C3两端电压逐渐升高。当C3两端电压升高 至高于1/3 EC时，555时基电路2，6脚电压均高 于1/3 EC，555输出端状态翻转，3脚从高电平变 为低电平，晶闸管失去控制电压而截止，路灯熄 灭。同时7脚内接MOS管导通，使C3通过7脚内 部MOS管对地快速放电，C3正端重新恢复成低电 平。此时2脚为高电平，6脚为低电平，电路又进 入等待状态。
(5)为使器件具有长期工作的可靠性，必须注意选 好器件的规格和使用的环境条件。 一般要求在长时间的连续使用中，能保证在低于 最大限额状态下正常工作。当工作条件超过最大限额 时，器件的特性即急剧劣化，特别是超过电流容限值 后，其损坏往往是永久性的。使用的环境温度和电流 容限一样，当超过温度的容限值后，一般将引起缓慢 的特性劣化。总之，要使器件在额定条件下使用，才 能保证稳定可靠地工作。
（3）测量精度：
S L S 01 N 1 02 N 2
(4)测量速度 设线阵测量周期为其转移脉冲 SH 的周期 T,它有所选线阵 CCD 的像元数 N 驱动频率 f 决定。
T
1 ( N Nd ) f
式中，Nd 为大于线阵 CCD 虚设单元的任意数（由设计驱 动器者决定） 。显然，N 与 Nd 值越小，SH 的周期 T 越长， 而提高驱动频率 f 将缩短 SH 的周期 T，提高测量速度。 一般驱动频率 f 为数 MHZ，N 与 Nd 之和为几千单元， 为此测量周期为 ms 量度级。
2DG VT 2
J2
CJ1-2 VD5 2CP
CJ1-3
路灯
50/10V R6 2CP 10K
图3.2 光控节能路灯电路图
电路的工作原理
光控节能路灯电路原理图见图3.2，当外界有 光照射到光敏二极管上的时候，光敏二极管VD1 上是反向电压，管子中的反向电压降随光照强度 的改变而改变，光照强度增大，反向电流也跟着 增大，所以光敏二极管导通。使a点电位达到了与 非门YF1的开门电平，然后与非门YF1的输出端b 点输出低电位，从而使YF2输出高电位，经C1与 R5组成的微分电路，在c点输出一正尖锋脉冲， 使晶体三极管VT1导通，J1瞬时吸合（随即释 放）。常闭触点J1-1断开，CJ1断电释放，其自 保触点CJ1-1断开，路灯熄灭。
应用实例2 光控节能路灯电路
光控节能路灯电路原理图
R1 47K VD1 2CU a R3 R2 20K 10K
R4 20K
J1
VD4 2CP
J1-1
CJ1-1 J2-1
YF1
b
YF2
C1
c
VD2
VT 1 3DG
CJ1
2CP 50/10V R5 10K
电源
220V
YF3
YF4
C2
d
VD3
(8)暗电流 光电二极管的暗电流最低； 光敏电阻、光电三极管、复合光电三极管和光电池的暗 电流较大； 尤其是放大倍率大的多极复合光电三极管及大面积的光 电池的暗电流更大。 （9）噪声 光敏电阻的噪声源有三种（产生与复合噪声、1/F 噪声、 热噪声） ，而其他光电器件的噪声源只考虑一至二种，但是， 这并不能说明光敏电阻的噪声最大。 具有高放大倍率的复合光电三极管与光敏面积较大的光电 池的噪声最大。
555 1
火线 零线
图3.4 声、光控电路的原理图
声、光控电路的工作原理
• 白天，光照使光敏三极管BG2导通，BG3因得到 足够大基极电流而饱和导通，集电极为低电平 （<1V）。此时555时基电路因4脚为低电平而被 复位，3脚输出低电平，晶闸管不导通。与此同时 555时基电路7脚内接MOS管导通，C3通过555时 基电路7脚对地放电，6脚保持低电平。每当夜晚 来临时，BG2因无光照而截止，BG3亦截止，集 电极（555时基电路4脚）为高电平，它使得555 的复位功能被取消。此时，电路进入保持等待的 工作状态。没有声响时，BG1截止，集电
3） ．光信号的幅度大小 当被测对象因对光的反射率、透过率变化或是 被测对象本身光辐射的强度变化，此时的光信号幅 度大小亦改变。为准确测出幅度大小的变化，必须 选用线性好、响应快的器件。如 PMT 或光电二极管 等。 4） ．光信号的色度差异 当被测对象本身光辐射的色温存在差异或表面 颜色变化时，必须选择合适的光谱特性的光电器件。
6)供电电源与应用的灵活性 光敏电阻没有极性，可用于交/直流电源。 光电池不须外加电源就能进行光电变换，但线性很差， 其他光生伏特器件必须在直流偏置电源下才能工作。 因此，光电池的应用灵活性较高，光敏电阻与其他光生 伏特器件的应用灵活性较差，但它们都适应于低压下工 作。 （7）输出电流大的器件 有大面积光电池、光敏电阻。
IL SEA
SΦ 灵敏度， 光电器件爱光面积， 光电器件敏面的 A E 光照度。 2） 设矩形光电器件光敏面的面积为宽度 b 与长度 L 的乘积,则有：
IL SEbL
3） 光电流的变化与庶挡的长度 l 成正比。
IL SEb( L l )
4）输出的电流、电压变化：
IL SEb l ， U SER Lbl
讨论： （1）采用电压比较器可以获能微伏级的鉴别精度。 （2）理论控制精度达微米级。 （3）为提高精度可采用 PSD、线阵列光电二极管 或线阵 CCD 光电传感器。
七、光电检测器件作开关与控制的应用实例 1、光敏电阻 用于红外线的弱光探测与开关控制，如照相机电子快 门。
2、光电二极管的应用
2、板材定长载剪系统
（１）板材定长载剪系统的结构
（2）定长载剪原理 当板材进光电检测系统时， 光电器部分被挡光， 光电流减小随板材的运动，光电流越来越小，此时 光电变换电路发生跳变。板材转动系停止运动，板 材被剪掉，光电系统恢复重新进行自动控制。
（３）定长载剪系统精度分析
1） 光电器件的输出电流
四、光电检测电路设计应满足 1. 灵敏的光电转换能力：使给定的输出光信号在允许 的非线性失真条件下有最佳的信号输出系数,得到最 大的功率、电压或电流输出。 2. 最佳的信号检测能力：具有保证可靠检测所必须的 信噪比或最小可检测功率。 3. 快速的动态响应能力：满足信号通道所要求的频率 选择性或对瞬变信号的快速响应。 4. 长期工作的稳定性和可靠性。
二、光电检测器件的应用选择
现将光电检测器件的应用选择要点归纳如下： （1）光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱 特性上匹配。 （如测量波长是紫外波段，则选 PMT 或专门的紫外光电半 导体器件；如果信号是可见光，则可选 PMT、光敏电阻与 Si 光电器件；如是红外信号，选光敏电阻，近红外选 Si 的光电器件或 PMT。 ）
• 极（555时基电路2脚）为高电平，同时由于6 脚处于低电平，这使555处于保持状态，电路 状态不翻转，故3脚仍为低电平，晶闸管CT截 止，电灯依然不亮。当有人路过，出现声响 （拍手或吹口哨）时，声波通过话筒（MIC） 转换成电信号，并经C1加至BG1的基极，使其 导通。由于R2阻值较大，故只要较小的导通电 流，就可以使BG1集电极电压有较大的下降幅 度。当BG1集电极电压下降至1/3EC（约3.3V） 时，555时基电路3脚由低电平升为高电平。晶 闸管被触发导通，路灯点亮。
三、光电检测电路的组成 光电器件、输入电路、前置放大电路 。 光电器件: 把光信号转换成相应的电信号。 输入电路: 为光电检测器件提供正常的工作条件。 进行电参数 的变换,同时完成和前置放大电路的匹配。 前置放大电路: 光电检测器输出的微弱信号由前置放大器进行放 大,它的另一个作用是匹配后置电路与检测电路之间 的阻抗。
2、各种光电检测器件的性能比较
1)光电变换的线性 光电倍增管、光电二极管、光电池最好。 光敏电阻的光电变换的线性最差。 2)动态范围 动态范围分为线性动态范围与非线性动态范围。在线 性动态范围方面， 光电倍增管和光电二极管动态范围最好， 光电池、光电三极管、复合光电三极管较好，光敏电阻最 差。光敏电阻的非线性动态范围要比其他光电器件宽。
3)灵敏度 光敏电阻的灵敏度最高，其他依次为雪崩光电二极 管、复合光电三极管和光电三极管，光电二极管的灵敏 度最低。 4)时间响应 光电倍增管、 与雪崩光电二极管的时间响应最快， PIN 其他依次为光电三极管、复合光电三极管和光电池，时 间响应最慢的是光敏电阻，它不但惯性大，而且还具有 很强的前例效应。 5)光谱响应 光谱响应主要与光电器件的材料有关，要视具体情 况。一般来讲光电倍增管和光敏电阻的光谱响应要比光 生伏特器件的光谱响应范围宽。尤其在红外波段光敏电 阻的光谱响应更为突出。