第七章 光电式传感器[可修改版ppt]
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《光电式传感器》PPT课件
光电式传感器
.
1
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。
.
15
光敏电阻
当光敏电阻受 到光照时， 阻值减 小。
2020/12/6
.
16
（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
2020/12/6
.
17
光敏电阻的光照特性
光敏电阻的光谱特性 。
2020/12/6
12
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
2020/12/6
25 50 75 100 125 150
.
极 间 电 压 （ V）
13
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
2020/12/6
.
21
（1）光敏晶体管结构与工作原理
0.8
.
1.0 波长(m)
9
9.1.2 外光电效应器件
.
1
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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15
光敏电阻
当光敏电阻受 到光照时， 阻值减 小。
2020/12/6
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16
（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
2020/12/6
.
17
光敏电阻的光照特性
光敏电阻的光谱特性 。
2020/12/6
12
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
2020/12/6
25 50 75 100 125 150
.
极 间 电 压 （ V）
13
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
2020/12/6
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21
（1）光敏晶体管结构与工作原理
0.8
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1.0 波长(m)
9
9.1.2 外光电效应器件
《光电式传感器》课件
光电式传感器的Байду номын сангаас类
• 总结词：光电式传感器有多种分类方式，如按工作方式可分为直接转换 型和间接转换型，按输出信号可分为模拟输出和数字输出等。
• 详细描述：根据工作方式的不同，光电式传感器可以分为直接转换型和间接转换型两类。直接转换型传感器利用光电效 应直接将光信号转换为电信号，如光电管、光电倍增管等；而间接转换型传感器则通过其他物理效应将光信号转换为电 信号，如光电池、光电晶体管等。此外，根据输出信号的不同，光电式传感器可以分为模拟输出和数字输出两类。模拟 输出型传感器输出连续变化的电信号，如光电管和光电池；数字输出型传感器则输出离散的电信号，如光电码盘和光电 开关等。
联网领域的应用越来越广泛。未来，需要加强光电式传感器在这些领域
的应用研究，推动相关技术的进步和发展。
03
交叉学科融合发展
光电式传感器涉及到多个学科领域，如物理学、化学、生物学等。未来
，需要加强交叉学科的融合发展，推动光电式传感器在更多领域的应用
和创新。
光电式传感器通常采用光信号传输，不易 受到电磁干扰的影响，具有较好的抗干扰 能力。
光电式传感器的缺点
对环境光敏感
光电式传感器容易受到环境光的影响 ，特别是在室外或者强光环境下，测 量精度会降低。
成本较高
光电式传感器通常需要使用高精度的 光学元件和电子元件，导致其成本较 高。
需要稳定的光源和检测器
光电式传感器需要稳定的光源和检测 器，以保证测量的准确性和稳定性。
《光电式传感器 》PPT课件
目录
• 光电式传感器概述 • 光电式传感器的应用 • 光电式传感器的优缺点 • 光电式传感器的发展趋势 • 光电式传感器的研究现状与展望
01
第7章光电式传感器和光纤传感器
3 1 2 3 OG I 0
U0
n
RL
P Si
Ui
输出二极管电流法
二.CCD图像传感器
1. 线阵电荷耦合器件
线阵CCD结构原理图
（1）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 MOS势阱中，光像变为电像—电荷包。（光 积分）
（2）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，通过移位寄存器并行输出。
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。 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 下式确定。
Eh
式 中h：6 .6 261 0-34(Js )为 普 朗 克 常 数
－光 的 频 率 s-1)（
2. 读出移位寄存器
研究如何实现势阱下的电荷从一个MOS元位置转移到另一个MOS元位 置，并依次转移并传输出来。
A、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量的增加而线性减少。 由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。 要求： 多个MOS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。
式 中 ：H为 光 像 的 发 射 照 度 A为 单 位 面 积 Ns为t 时间内上能收集的载子流数 q为 电 数 ， 单 位 为mA／W
四. CCD 1、线阵CCD器件检测工件尺寸
L(Nd2d)M
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d＝0．013～ 0．03mm。
B、三相CCD电极的结构 MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120°时钟脉冲驱动。
七章节光电式传感器
7.1 光电效应
（1）结光电效应。 以PN结为例，当光照射PN结时，若光子能量大于半
导体材料的禁带宽度Eg，则使价带的电子跃迁到导带，产生 自由电子—空穴对。在PN结阻挡层内电场的作用下，被激发 的电子移向N区的外侧，被激发的空穴移向P区的外侧，从而 使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。
基于结光电效应的光电元件有光电池和光电晶体管等。
7.2光电元件
.
图7-8 光电倍增管的光电特性
7.2光电元件
（4）光电倍增管的暗电流
光电倍增管暗电流的定义和产生的原因与光电管一 样，只是多了倍增极二次发射的影响。光电倍增管中光电 阴极和各倍增极都有热电子发射，由于光电倍增管中电流 是逐级倍增的，所以在热电子发射中，光电阴极和第一倍 增极的热电子发射是主要的。为了减少由管座各极之间漏 电流形成的暗电流，有时将阳极单独引出来，此外，管内 电子将残余气体和铯原子电离，正离子将奔向阴极并轰击 产生二次电子发射，这些电子再经倍增极放大输出，增加 了暗电流。
7.2光电元件
.
图7-4 光电管的光照特性
7.2光电元件
7.2.2光电倍增管 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只
有零点几个微安，造成的测量误差将很大，甚至无法检测。 为了提高光电管的灵敏度，在光电管的阴极和阳极之间安装 一些倍增极，就构成了光电倍增管。光电倍增管实际上是光 电阴极和二次电子倍增器的结合。当电子或光子以足够大的 速度轰击金属表面而使内部的电子逸出金属表面时，这种逸 出金属表面的电子叫做二次电子。二次电子的数目不仅取决 于入射光粒子的数目，还与入射光粒子的速度、金属的性质 等有关。
与各倍增极之间电压保持恒定条件下，阳极电流IA（光电 流）与最后一级倍增极和阳极间电压UAD的关系，典型光 电倍增管伏安特性如图7-7所示。它是在不同光通量下的 一组曲线族。象光电管一样，光电倍增管的伏安特性曲线 也有饱和区，照射在光电阴极上的光通量越大，饱和阳极 电压越高，当阳极电压非常大时，由于阳极电位过高，使 倒数第二级倍增极发出的电子直接奔向阳极，造成最后一 级倍增极的入射电子数减少，影响了光电倍增管的倍增系 数，因此，伏安特性曲线过饱和区段后略有降。
《传感器技术与应用》课件第七章光电式传感器
器人视觉、自动化生产线等领域有广泛应用。
05
光电式传感器的优缺点 与发展趋势
光电式传感器的优点
测量精度高
非接触测量
光电式传感器采用光信号作为测量媒介， 具有较高的测量精度和灵敏度，能够实现 微小量的精确测量。
光电式传感器通过光信号与被测物体的相 互作用进行测量，无需直接接触被测物体 ，能够减少对被测物体的损伤和磨损。
光电二极管和光电晶体管
光电二极管
利用内光电效应制成的光电转换器件，能够 将入射光的辐射能转换为电流。
光电晶体管
在普通晶体管的基础上增加光敏基区，利用 内光电效应实现光信号的放大和调制。
光电耦合器
光电耦合器定义
将发光器件和光敏器件封装在同一壳 体内，通过光的传输实现电信号的传 输与隔离的器件。
光电耦合器原理
响应速度快
抗干扰能力强
光电式传感器具有较快的响应速度，能够 实现快速动态测量和实时控制。
光电式传感器采用光信号传输，不易受到 电磁干扰的影响，能够在复杂的环境中进 行稳定测量。
光电式传感器的缺点
对光源依赖性强
光电式传感器依赖于特定光源，如激光、红外线等，需要稳定的 光源和光路系统，对光源的稳定性要求较高。
利用光纤传输光信号，通过光电器 件将光纤中的光信号转换为电信号。
光电式传感器的应用领域
工业自动化控制
用于检测生产线上的产品、测量长度和速度 等参数。
环境监测
用于检测空气质量、水质等环境参数。
医疗诊断
用于检测生物体的生理参数，如血压、脉搏 等。
安全防范
用于监控、报警等安全系统，保障人员和财 产安全。
发光器件发出光线，光敏器件接收光 线并转换为电信号，从而实现输入与 输出之间的电气隔离。
05
光电式传感器的优缺点 与发展趋势
光电式传感器的优点
测量精度高
非接触测量
光电式传感器采用光信号作为测量媒介， 具有较高的测量精度和灵敏度，能够实现 微小量的精确测量。
光电式传感器通过光信号与被测物体的相 互作用进行测量，无需直接接触被测物体 ，能够减少对被测物体的损伤和磨损。
光电二极管和光电晶体管
光电二极管
利用内光电效应制成的光电转换器件，能够 将入射光的辐射能转换为电流。
光电晶体管
在普通晶体管的基础上增加光敏基区，利用 内光电效应实现光信号的放大和调制。
光电耦合器
光电耦合器定义
将发光器件和光敏器件封装在同一壳 体内，通过光的传输实现电信号的传 输与隔离的器件。
光电耦合器原理
响应速度快
抗干扰能力强
光电式传感器具有较快的响应速度，能够 实现快速动态测量和实时控制。
光电式传感器采用光信号传输，不易受到 电磁干扰的影响，能够在复杂的环境中进 行稳定测量。
光电式传感器的缺点
对光源依赖性强
光电式传感器依赖于特定光源，如激光、红外线等，需要稳定的 光源和光路系统，对光源的稳定性要求较高。
利用光纤传输光信号，通过光电器 件将光纤中的光信号转换为电信号。
光电式传感器的应用领域
工业自动化控制
用于检测生产线上的产品、测量长度和速度 等参数。
环境监测
用于检测空气质量、水质等环境参数。
医疗诊断
用于检测生物体的生理参数，如血压、脉搏 等。
安全防范
用于监控、报警等安全系统，保障人员和财 产安全。
发光器件发出光线，光敏器件接收光 线并转换为电信号，从而实现输入与 输出之间的电气隔离。
光电传感器-PPT
⑴槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧组成槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作，输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。
光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（<µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。
光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。
光电传感器通常由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和检测电路。 发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源，这些小而坚固的白炽灯传感器就是如今光电传感器的雏形。
接收器有光电二极管、光电三极管及光电池组成。光敏二极管是现在最常见的传感器。光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小称为光敏二极管的暗电流;当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。
传感器课件第7章光电式
一、光电效应
光电器件主要利用各种光电效应 光电效应可分为： 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
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。 在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。 外光电效应
每个光子具有的能量是： 每个光子具有的能量是：
光敏电阻主要参数 • 暗电阻 —— 无光照时的电阻； 无光照时的电阻；
• 暗电流 —— 无光照时的电流； 无光照时的电流； • 亮电阻、亮电流 —— 受光照时的阻值、电流； 亮电阻、 受光照时的阻值、电流； • 光电流 —— 亮电流与暗电流之差称光电流 。
基本特性
伏安特性 给定偏压 光照越大光电流越大； 光照越大光电流越大； 给定光照度 电压越大光电流越大； 电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和， 曲线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。 但受最大功耗限制。 光照度 流明） Lx = lm （流明）/s 单位面积的光通量
光电传感器
概述
指纹门禁
指纹锁
光 电 鼠 标
概述 光电开关
料 位 自 动 控 制
概述
光纤 光电管
光敏电阻
光栅
7.1 光源
成功选择光源是设计光电传感器的前提条件。选择时要考虑诸多因素 （波长、谱分布、相干性、造价、体积等）。 光源分为自然光源和人造光源两类，后者按工作原理分为： 一、热辐射光源 利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源，（白炽灯等） 二、气体放电光源 电流通过置于气体中的两个电极时，两电极之间会放电发光，利用这种 原理制成的光源（光谱灯等） 电致发光器件－－ －－发光二极管 三、电致发光器件－－发光二极管 固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，利用这种现 象制成的器件称为电致发光器件（发光二极管，半导体激光器等） 四、激光器 1.气体激光器 2.固体激光器 3.半导体激光器
光电器件主要利用各种光电效应 光电效应可分为： 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
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。 在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。 外光电效应
每个光子具有的能量是： 每个光子具有的能量是：
光敏电阻主要参数 • 暗电阻 —— 无光照时的电阻； 无光照时的电阻；
• 暗电流 —— 无光照时的电流； 无光照时的电流； • 亮电阻、亮电流 —— 受光照时的阻值、电流； 亮电阻、 受光照时的阻值、电流； • 光电流 —— 亮电流与暗电流之差称光电流 。
基本特性
伏安特性 给定偏压 光照越大光电流越大； 光照越大光电流越大； 给定光照度 电压越大光电流越大； 电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和， 曲线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。 但受最大功耗限制。 光照度 流明） Lx = lm （流明）/s 单位面积的光通量
光电传感器
概述
指纹门禁
指纹锁
光 电 鼠 标
概述 光电开关
料 位 自 动 控 制
概述
光纤 光电管
光敏电阻
光栅
7.1 光源
成功选择光源是设计光电传感器的前提条件。选择时要考虑诸多因素 （波长、谱分布、相干性、造价、体积等）。 光源分为自然光源和人造光源两类，后者按工作原理分为： 一、热辐射光源 利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源，（白炽灯等） 二、气体放电光源 电流通过置于气体中的两个电极时，两电极之间会放电发光，利用这种 原理制成的光源（光谱灯等） 电致发光器件－－ －－发光二极管 三、电致发光器件－－发光二极管 固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，利用这种现 象制成的器件称为电致发光器件（发光二极管，半导体激光器等） 四、激光器 1.气体激光器 2.固体激光器 3.半导体激光器
第七章光电式传感器-PPT精选文档56页
输入栅加高电压，电荷通过输入二极管注入。设t0时刻，P1到达最高正电 压，其下方形成的势阱最深，电荷被吸引到P1下方形成电荷包。t1时刻P2上加 上和P1相等的高电压，则在两电极下同时形成势阱（势阱耦合），电荷在两电 极下分布。t2时刻，P1回到低电位，电荷包全部落入P2下的势阱。然后电荷移 动压到，使P3输下出形二成极电管荷反包偏。收这集样电电荷荷，由并CC将D电一荷端送移至至放终大端器。。这时在输出栅上加29高电
13
（2）光敏电阻的特性
①暗电阻、亮电阻与光电流 暗电阻：光敏电阻未受到光照射时的电阻。此时流过的电流为暗电流 亮电阻：光敏电阻受到光照射时的电阻值。———亮电流 光电流：亮电流与暗电流之差。 暗电阻越大、亮电阻越小，光敏电阻的灵敏度越高。
②伏安特性 在一定的照度下，电压越高、光电流 越大，没有饱和现象。 但是U不能太大，以免损坏光敏电阻。
航空摄影图像 --- （多目成象 --- 大地测量、测绘）
5、监控、安防、交通管理：
交通 --- 车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测 安全 --- 指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关） 监视 --- 超市、商店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视
6、军事与国防：
超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、 单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象
因为衬底本身的少数载流子自由电子不能马上填满势阱，而数字系统的 时钟脉冲周期远小于十分之几秒，因此在时钟脉冲控制下，势阱中的电荷只 与是否有电荷注入（输入信息），而与衬底本身无关。
28
3、电荷的定向转移
每一个像素上有三个金属电极P1、P2、P3，依次在其上施加三个相位不同控 制脉冲Φ 1、Φ 2、Φ3（三相时钟脉冲控制）。
13
（2）光敏电阻的特性
①暗电阻、亮电阻与光电流 暗电阻：光敏电阻未受到光照射时的电阻。此时流过的电流为暗电流 亮电阻：光敏电阻受到光照射时的电阻值。———亮电流 光电流：亮电流与暗电流之差。 暗电阻越大、亮电阻越小，光敏电阻的灵敏度越高。
②伏安特性 在一定的照度下，电压越高、光电流 越大，没有饱和现象。 但是U不能太大，以免损坏光敏电阻。
航空摄影图像 --- （多目成象 --- 大地测量、测绘）
5、监控、安防、交通管理：
交通 --- 车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测 安全 --- 指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关） 监视 --- 超市、商店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视
6、军事与国防：
超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、 单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象
因为衬底本身的少数载流子自由电子不能马上填满势阱，而数字系统的 时钟脉冲周期远小于十分之几秒，因此在时钟脉冲控制下，势阱中的电荷只 与是否有电荷注入（输入信息），而与衬底本身无关。
28
3、电荷的定向转移
每一个像素上有三个金属电极P1、P2、P3，依次在其上施加三个相位不同控 制脉冲Φ 1、Φ 2、Φ3（三相时钟脉冲控制）。
传感器技术与应用-课件第七章 光电式传感器
0 6 0
4
0
2
0
0
10
暗电阻、亮电阻与光电流。
硫化铅
硫化镉
100 1000 10000 频 率 （Hz）
光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电 阻，此时流过的电流称为亮电流。在没 有受到光照射时的阻值称为暗电阻，此 时流过的电流被称为暗电流。
2019/9/20
19
光敏电阻的温度特性。
灵敏度 (%)
2019/9/20
14
（1）光敏电阻的原理和结构。
光敏电阻受到光照时，由于内光电效应，因
而其导电性能增强而电阻R0值下降，所以流
过负载电阻RL的电流
半导体
及其两端电压会发生变
电极
化。一般而言，光线越
强，电流越大。当光照
停止时，光电效应会立
玻璃底板
即消失，电阻又恢复原
值。
VCC
检流计
2019/9/20
5
7.1.2 外光电效应器件
光电管
2019/9/20
6
7.1.2 外光电效应器件
光电管的伏安特性曲线
I (A) 4
0.1 lm
3 0.05 lm
2 0.02 lm
1
0
20
40
60
80
100 UA（ V）
2019/9/20
7
7.1.2 外光电效应器件
光电管的光照特性
2019/9/20
47
7.2.1 红外辐射的基本定律
1 、斯忒藩—玻尔兹曼定律
物体温度越高，它辐射出来的能量 就越大，公式表示为。
WT4
2019/9/20
48
7.2.1 红外辐射的基本定律
第七章光电式传感器
（4）遮挡式
测工件尺寸。
2、开关量光电传感器
光电式转速表。
旋转盘与指示盘开有相同间距的缝隙。当 旋转盘转动时，每转过一条缝隙，光线便产生 一次明暗变化，光电元件感光一次。光电流变 化曲线如图。经整形电路变为矩形脉冲信号。 送计数器（单片机），由公式算出转速。
六、光电耦合器件
电荷耦合器件（Charge Couple Device， 简称 CCD），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。是一种金属氧化物半导体（MOS）集成 电路器件，它以电荷作为信号, 基本功能是进行 光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。 广泛 应用于自动控制和自动测量, 尤其适用于图像识 别技术。
流与光敏电阻两端的电压的关系
①一定光照，R一定，I正比于U。 ②一定电压，I随着光照E增强而增大。
E↑→R↓→I↑。
(2) 光照特性（I～E）
光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元 件，主要用于自动控制中。
如光照度计：农作物日照时数测定。
Rw
A RG
无光照V0=VL 。有光照V0=VH。
RC
输出接单片机的I/O口，每2分
光电开关结构：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。
基本电路（透射式）
（a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电 平。
(b)无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。
五、光电传感器的类型
按输出量的性质分两大类
1、模拟量光电传感器检测系统 （1）辐射式
物体辐射能量到到光电接受元件，根据测 出光电流确定辐射物内部参数。
3． 光敏电阻的主要参数
（１） 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。
测工件尺寸。
2、开关量光电传感器
光电式转速表。
旋转盘与指示盘开有相同间距的缝隙。当 旋转盘转动时，每转过一条缝隙，光线便产生 一次明暗变化，光电元件感光一次。光电流变 化曲线如图。经整形电路变为矩形脉冲信号。 送计数器（单片机），由公式算出转速。
六、光电耦合器件
电荷耦合器件（Charge Couple Device， 简称 CCD），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。是一种金属氧化物半导体（MOS）集成 电路器件，它以电荷作为信号, 基本功能是进行 光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。 广泛 应用于自动控制和自动测量, 尤其适用于图像识 别技术。
流与光敏电阻两端的电压的关系
①一定光照，R一定，I正比于U。 ②一定电压，I随着光照E增强而增大。
E↑→R↓→I↑。
(2) 光照特性（I～E）
光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元 件，主要用于自动控制中。
如光照度计：农作物日照时数测定。
Rw
A RG
无光照V0=VL 。有光照V0=VH。
RC
输出接单片机的I/O口，每2分
光电开关结构：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。
基本电路（透射式）
（a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电 平。
(b)无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。
五、光电传感器的类型
按输出量的性质分两大类
1、模拟量光电传感器检测系统 （1）辐射式
物体辐射能量到到光电接受元件，根据测 出光电流确定辐射物内部参数。
3． 光敏电阻的主要参数
（１） 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。
第7章 光电式传感器-PPT精选文档
根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运 动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为 E=h· f 7-1 式中， f为光波频率；h为普朗克常数，h＝6.63x10-34 J/Hz 光波频率越高，光子能量越大。 用光照射某一物体，可以看做是一连串能量为Au的光子 轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一 个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光 子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物 体产生相应的电效应，我们把这种物理现象称为光电效应。
2．基本特性和参数
1)暗电阻、亮电阻
光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电 阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。例如MG41-21型 光敏电阻暗阻大于等于0.1M。 光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为 亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。MG41—21型光 敏电阻亮阻小于等于1k。 亮电流与暗电流之差称为光电流。 显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就 是说暗电流要小，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏度就高。
第七章 光电传感器
光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。
先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件 进一步将光信号转换成电信号。
一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，在检测 和控制领域内得到广泛应用。
一、光电效应与光电器件
通常把光电效应分为三类：
1) 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光 电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电信增管 等。 2) 在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光 电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体 管等。 3) 在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为 光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。
2．基本特性和参数
1)暗电阻、亮电阻
光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电 阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。例如MG41-21型 光敏电阻暗阻大于等于0.1M。 光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为 亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。MG41—21型光 敏电阻亮阻小于等于1k。 亮电流与暗电流之差称为光电流。 显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就 是说暗电流要小，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏度就高。
第七章 光电传感器
光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。
先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件 进一步将光信号转换成电信号。
一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，在检测 和控制领域内得到广泛应用。
一、光电效应与光电器件
通常把光电效应分为三类：
1) 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光 电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电信增管 等。 2) 在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光 电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体 管等。 3) 在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为 光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。
7光电式传感器
33
7.3 电荷耦合器件CCD
7.3.1 MOS光敏单元
结构：P型硅＋氧化物＋金属电极
电极上未加电压: P-Si的空穴均匀 分布在半导体中,Si-SiO2界面处电 位处处相等;
电极上加正电压VG，衬底硅接地: P-Si中的空穴被电场排斥远离SiSiO2界面,而金属极覆盖范围之外 的空穴不受排斥，仍然维持原状;
第7章 光电式传感器
物理基础:光电效应
紫外光
可见光
红外光
10 nm 380 nm 780 nm
1000,000 nm
开始 结束
第7章 光电式传感器
定义：
被测量光学量光电器件电量
电流、电压，或电导率
组成：
光源＋光路＋光电器件
转换基础——光电效应
外光电效应(电子发射效应) 内光电效应
阻越小频带越宽 温度特性
输出电流影响小 暗电流影响大
2019/9/15
23
(4) 光生伏特型(光电池)
光生伏特效应
某些半导体材料受光照时在一定方向产生电动势 具有光生伏特效应的器件被称为光电池
材料：
硅(红外)、硒(可见光)
结构：
由N型半导体(或金属)与P型半导体组成的PN结
钨丝
白炽灯：
可见～近红外波段 寿命几千小时
卤钨灯
寿命延长，价格贵
惰性气体 钨沉积层 石英玻璃 钨丝 卤族元素
2019/9/15
5
7.1.2 气体放电光源
电流通过置于气体中的两个电极时会放电发光
波长与气体的种类有关; 低压汞灯254nm, 钠灯589nm,
放电气体 放电电弧
波长 谱分布 相干性 功 率 稳定性 体 积 造 价
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1）光电管与光电倍增管 ✓特性----光电管 b）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。
➢ 当阳极电压比较低时，阴极所 发射的电子只有一部分到达阳 极，其余部分受光电子在真空 中运动时所形成的负电场作用， 回到阴极。
➢ 随阳极电压的增强，光电流随之增大。
➢ 当阴极发射的电子全部到达阳极时，阳极电流达到 饱和状态
光敏二极管的反向偏置接线及光
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 。
— UO +
光照
光敏二 极管的 反向偏 置接法
当光照增加 时，光电流IΦ 与光照度成正 比关系。
光电倍增管的灵敏度：一个光子射 后，阳极所得到的总电子数。
暗电流：由于环境温度、热辐射和其他因素的影响， 即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流。
本底电流：光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全 屏蔽光的情况下，出现的电流。
பைடு நூலகம்
2）光敏电阻 ✓构造 光敏电阻用半导体材料制成,没有极性, 纯粹是一个 电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压
1）光电管与光电倍增管 ✓特性----光电管 c）光谱特性
保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与波长 之间的关系。
红限频率
I. ——铯氧银 II. ——锑化铯 III.——人眼的视觉特征
光电管的光谱特性
1）光电管与光电倍增管 ✓特性----光电倍增管
倍增系数M： Mcn
光电阴极的灵敏度：一个光子射在 阴极上所能激发的电子数。
第七章 光电式传感 器
实验
灵敏电流 计
弧光灯
锌板
铜网
紫外光照射时电流计指针发生偏转
1、光电效应
光的粒子学说：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。
E=hf
h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；f—光的频率（s-1）
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。
2、光电元件及其特性 1）光电管与光电倍增管
✓构造
光电阴极
光窗 阳极
光电管有真空光电管和充气 光电管或称电子光电管和离子 图7-2 光电管的结构图
光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴 极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。 阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。 阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管 的中央。
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。
3）光电池 光电池外形
光敏面
4）光敏二极管及光敏三极管 ✓构造
光敏二极管的基本结构也是一个PN结，与一 般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结 装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路 中一般是处于反向工作状态，如图所示。
1）光电管与光电倍增管 ✓构造
光电倍增管的玻璃泡 内除装有光电阴极和光 电阳极外，还装有若干 个光电倍增管极，且在 光电倍增管极涂有在电 子轰击下可发射更多次 级电子的材料。
图7-3 光电倍增管的结构图
1）光电管与光电倍增管
✓特性----光电管 a）光电特性
阳极电流与入射在阴极上光通量之间的关系。
光电效应：物体吸收能量为E的光后，转换为该 物体中某些电子的能力，从而产生的电效应。
1）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 外发射的现象称为外光电效应。 光电子：向外发射的电子。
基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管等
爱因斯坦假设：一个光子的能量只能给一个电子
结论：一个电子要从物体中逸出表面，必须是光子
光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发 电式有源器件。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。
P --- +++ N
3）光电池
硅光电池的制造原理：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
➢ 光电子逸出物体表面具有初始动能。
2）内光电效应
光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或 产生光生电动势的现象称为内光电效应。
a）光电导效应 某些半导体，在黑暗环境中电阻值很高；当光照
射在物体上，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，从而加强了导电性能，使电阻值 降低。
基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
能量E大于表面逸出功A0。逸出表面的电子就具有动
能Ek
Ek 12m2vhfA0
1）外光电效应 Ek 12m2vhfA0
➢ 光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该 物体的电子表面逸出功。这意味着每种物体都有 一个对应的光频阈值，称为红限频率。
➢ 入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强 成正比，光强越强意味着入射的管子数目越多， 逸出的电子数目就越多。
2）内光电效应
b）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
的现象叫做光生伏特效应。
光线照射PN结时，产生电子空穴对，在阻挡层内 电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激 发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负 电，形成光电动势。
基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管
光敏电阻优点：灵敏度高，体积小，重量轻，光谱 响应范围宽，机械强度高，耐冲击和振动，寿命长。
缺点：使用时需要有外部电源，同时当有电流通过 它时，会产生热的问题。
图7-5 光敏电阻的结构及表示符号
光敏电阻
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。
3）光电池 ✓构造
图7-6 光敏二极管
4）光敏二极管及光敏三极管
➢ 当光不照射时：光敏二极管处于载止状态，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流；
➢ 受光照射时：PN结附近受光子轰击，吸收其能量 而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子 浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作 用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区 的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN 结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。