第7章光电式传感器-
第七章-CCD光电图像传感器
七、 CCD光电图像传感器
2、 CCD工作原理
电荷存储
通常在半导体硅片上制有成千上 万个相互独立的MOS光敏单元， 如果在金属电极上加上正电压， 则在半导体硅片上就形成成千 上万的个相互独立的势阱。如 果此时照射在这些光敏单元上 是一幅明暗起伏的图像，那么 这些光敏元就会产生出一幅与 光照强度相对应的光电荷图像。
获得目标尺寸和像素的变换关系 根据几何光学原理，被测物体尺寸计算公式为D=np/M
式中： n——覆盖的光敏像素数； p——像素间距； M——倍率。
D
被测 物体
成像 透镜
CCD
七、 CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器 TCD1209D的像敏单元阵列由2075个光电二极管构成，其中
有27个光电二极管（前边D13～D31和后边的D32～D39）被遮蔽， 中间的2048个光电二极管为有效的像敏单元。每个像敏单元的 尺寸为14µm×14µm，相邻的两个像元的中心距为14µm。像敏单 元阵列的总长度为28.672mm。
特性参数
七、CCD光电图像传感器
5、典型线阵CCD图像传感器 （2）灵敏度
特性参数
线阵CCD的灵敏度参数定义为单位曝光量(lx.s)的作用下器
件的输出信号电压，即
R UO
式中的UO为线阵CCD输出的信号H电V 压，HV光敏面上的曝光量。
衡量器件灵敏度的参数还常用器件输出信号电压饱和时光敏面
上的曝光量表示，称为饱和曝光量，记为SE。饱和曝光量SE越
电源 输出
驱动脉冲
控制脉冲
钳位脉冲 复位脉冲TCD1209D原理结构图
第7章 传感器技术-光电效应及传感器
光源
被测非电量 位移、转速、 振动等
光学通路
光量
光电传感元件
△U 或△I
测量/显示
光电传感器的分类 按传感器输出量的性质， 按传感器输出量的性质，可以分为模拟式 开关式（脉冲式）二大类。 和开关式（脉冲式）二大类。
模拟式光电传感器
该类传感器基于光电元件的光电特性， 该类传感器基于光电元件的光电特性，其 基于光电元件的光电特性 光通量是随被测量而变， 光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。 传感器输出量为连续变化的光电流， 传感器输出量为连续变化的光电流，器件 的光照特性呈单值线性， 的光照特性呈单值线性，光源的光照要求保持 均匀稳定。 反射式、 均匀稳定。它的形式有吸收式、反射式、遮光 式和辐射式。
5、时差测距。典型应用如光电测距仪， 时差测距。典型应用如光电测距仪， 是将恒定光源发出的光投射到目的物， 是将恒定光源发出的光投射到目的物，并用 光电元件接收反射光， 光电元件接收反射光，通过对光信号在光源 与目的物之间往返时间的测量， 与目的物之间往返时间的测量，从而计算出 光源与目的物间的距离。 光源与目的物间的距离。
发光二极管阵列（SSPA） 发光二极管阵列（SSPA） 电荷耦合器件（CCD） 电荷耦合器件（CCD）
这两类光电器件实际上是集成化、 这两类光电器件实际上是集成化、 模块化的光电元件组合， 模块化的光电元件组合，他们的工作原 理类似，根据需要， 理类似，根据需要，可以做成线阵或面 阵的形式。 阵的形式。目前在图象采集与处理技术 电荷耦合器件CCD CCD已经得到了大量 中 ， 电荷耦合器件 CCD 已经得到了大量 的应用。 的应用。
内光电效应－ 内光电效应－
第七章 光电型传感器与测量电路
2．光生伏特效应及器件 光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。 当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着 内建结电场，其方向是从N区指向P区，如图7-12所示。 当光照射到结区时，光照 产生的电子一空穴对在结电场 作用下，电子推向N区，空穴推 向P区；电子在N区积累和空穴 在P区积累使PN结两边的电位 发生变化，PN结两端出现一个 因光照而产生的电动势，这一 现象称为光生伏特效应。由于 它可以像电池那样为外电路提 供能量，因此常称为光电池。
图7-8 金属封装的CdS光敏电阻
图7-9 光电二极管原理图
(2) 光敏二极管PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特 效应工作。如图7-9所示，处于反向偏置的PN结，在无光照时 具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子一 空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动， 形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈 大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此 光照时的反向电流基本上与光强成正比。
图7-3 光电管
光电倍增管的结构如图7-4 所示。在玻璃管内除装有光电 阴极和光电阳极外，尚装有若 干个光电倍增极。光电倍增极 上涂有在电子轰击下能发射更 多电子的材料。光电倍增极的 形状及位置设置得正好能使前 一级倍增极发射的电子继续轰 击后一级倍增极。在每个倍增 极间均，依次增大加速电压。 光电倍增管的主要特点是： 光电流大，灵敏度高，其倍增 率为N=δn，其中δ为单极倍增 率(3～6)，n为倍增极数(4～14)。
7.3常用光电器件
光电器件是光电传感器的重要组成部分，对传感器的性能 影响很大。光电器件是基于光电效应工作的，种类很多。所谓 光电效应，是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的 能量而产生的电效应。一般地，光电效应分为外光电效应和内 光电效应两类。因此，光电器件也随之分为外光电器件和内光 电器件两类。 7.3.1 外光电效应及器件 在光的照射下，电子逸出物体表面而产生光电子发射的现 象称为外光电效应。 根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。 因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量ε大于该 物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A， 因此对某特定材料而言，将有一个频率限νo(或波长限λ0)，称 为“红限”，不同金属光电效应的红限见表7-2。
传感器(电子教案)第7章
表示当光电管的阳级电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上 光通量φ之间的关系。
2．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 光电流的关系叫伏安特性 ，如图7-4(c)所示。
3．光谱特性
由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。 保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系 叫光电管的光谱特性。光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯 性特性、暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和 有关手册合理选用。
第7 章
光电式传感器
光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。 光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。
7.1光电效应 7.2光电元件及其特性 7.3光电式传感器的测量电路 7.4光电传感器及其应用 7.5光纤传感器 7.6电荷耦合器件（CCD） 7.7光栅式传感器 7.8激光式传感器 本章要点
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7.1 光电效应
由光的粒子学说可知，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。 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。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后 产生的电效应。从传感器的角度看光电效应可分为二大类型。
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7.3光电式传感器的测量电路
要使光电式传感器能很好地工作。除了合理选用光 电转换元件外，还必须配备合适的光源和测量线路。 7.3.1光源 发光二极管 图7-14 真空光电管的差接测量电路 钨丝灯泡 图7-15 光电倍增管的测量电路 电弧灯或石英灯 激光 图7-16 光敏电阻开关电路 7.3.2测量电路 图7-18 具有温度补偿的光敏二极管 光电管的测量电路 测量电路 光电倍增管的测量电路 光敏电阻的测量电路 光敏晶体管的测量电路 光电池的测量电路
第07章 光电成像器件02
12
2.典型双沟道线阵CCD器件
光敏单元的尺寸为14µm长、14µm高，中心距亦为 14µm，光敏元阵列总长为30.24mm。
(1)TCD1206SUP的基本结构
TCD1206SUP的驱动时序图
(2)TCDl206SUP的驱动电路
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(3)TCDl206SUP的特点 2)温度特性
1)光谱响应
3)积分时间与暗电压 的变化关系
（2）TCD1209D的驱动脉冲波形图
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驱动脉冲的时序关系要求
(3)TCD1209D的特性参数 1)光谱响应特性
2)灵敏度
线阵CCD的灵敏度参数定义为单位曝光量的作用下 器件的输出信号电压，即
R UO HV
U SAT U DAk
(4)TCD1209D的驱动电路
3)动态范围
DR
降低暗信号电压是提高动态范围的最好方法。
3) 面阵CCD摄像器件
3) 面阵CCD摄像器件
7.3.1 电荷耦合器件
7.3.1 电荷耦合器件
电荷耦合器件只能感受到光线的强弱，并不能感 受到颜色的变化，若实现色彩的采集和成像，必 须在感光元件的前面加上分色滤色片。
9
7.3.1 电荷耦合器件
7.3.1 电荷耦合器件
彩色CCD的分色原理
彩色 CCD 的结构分为三层： 微透镜阵列 彩色滤光片阵列 光电二极管阵列。
暂存区
行正程期间
水平读出 寄存器
行正程期间
水平读出寄存器输 出一行视频信号
水平读出 寄存器
3) 面阵CCD摄像器件
3) 面阵CCD摄像器件
场正程期间：
行逆程期间
暂存区的信号电荷 产生一行平移
暂存区
场正程期间：
光电式传感器工作原理
光电式传感器工作原理
光电式传感器利用光电效应的原理来感知物体的存在或测量物体的位置、距离等信息。
其工作原理如下：
1. 光电效应：光电效应是指当光线照射到某些物质表面时，能够使物质中的电子获得足够的能量从而从原子或分子中脱离出来。
这些脱离的电子称为光电子。
2. 光电传感器结构：光电式传感器通常由光源、探测器和信号处理电路组成。
光源一般为发光二极管（LED）或激光二极管（LD），用来发射光束。
探测器一般为光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光电二极管等，用来接收光束。
信号处理电路则用来处理探测器接收到的光强信号，并将其转化为电信号输出。
3. 功能原理：光电式传感器的工作原理可以分为两种不同的方式。
- 光电隔离式：光源和探测器分别位于传感器的两侧，通过
光束在两侧之间的遮挡来感知物体的存在。
当物体遮挡了光束，探测器接收到的光强就会减弱，从而触发传感器输出信号。
这种方式常用于物体检测、计数和测量等应用。
- 反射式：光源和探测器位于同一侧，通过物体对光线的反
射来感知物体的存在或测量物体的位置。
当光束照射到物体上并反射回探测器时，探测器接收到的光强会发生变化，从而触发传感器输出信号。
这种方式常用于物体的位置检测和距离测
量等应用。
总的来说，光电式传感器利用光电效应，通过光源和探测器的组合来感知物体的存在或测量物体的位置、距离等信息。
不同的工作方式可以适用于不同的应用场景。
传感器技术与应用第2版-部分习题答案
第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。
人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。
9．解：10. 解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度±7% 。
，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。
微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。
17．答：⑴20。
C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350 kΩ。
V0在48.78～67.63mV之间变化。
⑵如果R2=10 MΩ，R3=250 kΩ，20。
C时，V0在0～18.85mV之间变化。
30。
C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。
⑶20。
C时，V0为0～18.85mV，30。
C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。
但相对（2）得情况来说有很大的改善。
18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V第3章应变式传感器概述习题答案9. 答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。
11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。
因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。
传感器原理与工程应用完整版习题参考答案
《传感器原理及工程应用》完整版习题答案第1章 传感与检测技术的理论基础（P26）1—1：测量的定义？答：测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。
所以, 测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较， 确定被测量对标准量的倍数。
1—2：什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差？1－3 用测量范围为－50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 的压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：已知： 真值L ＝140kPa 测量值x ＝142kPa 测量上限＝150kPa 测量下限＝－50kPa∴ 绝对误差 Δ＝x-L=142-140=2(kPa)实际相对误差 ％＝＝43.11402≈∆L δ标称相对误差％＝＝41.11422≈∆x δ引用误差％－－＝测量上限－测量下限＝1)50(1502≈∆γ1－10 对某节流元件（孔板）开孔直径d 20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单位：mm ）：120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40 120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40试用格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出其测量结果。
答：绝对误差是测量结果与真值之差, 即: 绝对误差=测量值—真值 相对误差是绝对误差与被测量真值之比,常用绝对误差与测量值之比,以百分数表示 , 即: 相对误差=绝对误差/测量值 ×100% 引用误差是绝对误差与量程之比,以百分数表示, 即: 引用误差=绝对误差/量程 ×100%解：当n ＝15时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.41。
则 2072.410.03270.0788()0.104d G mm v σ=⨯=<=-，所以7d 为粗大误差数据，应当剔除。
(整理)第七章光电传感器习题答案
•第七章光敏传感器•1．光电效应通常分为哪几类？简要叙述之。
与之对应的光电器件有哪些？•2．半导体内光电效应与入射光频率的关系是什么？3．光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？•4．试述光电倍增管的组成及工作原理？•5．简述光敏二极管和光敏三极管的结构特点、工作原理及两管的区别？•6．为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再•随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？•7．试举出几个实例说明光电传感器的实际应用，并进行工作原理的分析。
答案：一、光电效应分为两类：外光电效应和内光电效应外光电效应：入射光子被物质的表面所吸收，并从表面向外部释放电子的一种物理现象。
基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。
内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。
分为光电导效应（如：光敏电阻）和光生伏特效应（如光电池、光电二极管、光电三极管）。
二、、对于不同的本征半导体材料，禁带宽度Eg不同，对入射光的波长或频率的要求也不同，一般都必须满足：7he1.24「hv=T^^-Eg式中v、A分别为入射光的频率和波长。
对于杂质半导体：Ei为杂质电离能三、1、欧姆漏电欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。
欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。
在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。
在使用光电倍增管时，保证管壳和所有连接件的清洁干燥是十分必要的。
2、热发射由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。
要减小热电子发射，应选用热发射小的阴极材料，并在满足使用的前提下，尽量减小光电阴极的面积，降低光电倍增管温度。
3、残余气体放电光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。
这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。
光电式传感器工作原理
光电式传感器工作原理
光电式传感器是一种能够将光信号转化为电信号的装置。
其工作原理基于光电效应，即当光线照射到光敏元件上时，会引起该元件内部电子的跃迁，从而产生电流或电压。
光电式传感器通常由发射器和接收器两部分组成。
发射器通常是一个光源，它会产生一个特定的光束，并将其照射到待测物体上。
接收器则是光敏元件，它能够接收被物体反射、散射或透过的光束。
当光线照射到待测物体上时，一部分光线会被物体吸收，一部分光线会被物体反射回来。
接收器会接收到被物体反射回来的光线，并将其转化为相应的电信号。
这个电信号可以被放大、处理和解读，从而得到相应的物体信息。
光电式传感器可以应用到各种不同的领域中，如自动控制、检测和测量。
在自动控制中，它可以用来检测物体的位置、颜色、形状等属性，从而实现自动化的控制系统。
在检测和测量中，它可以用来检测流体的液位、物体的距离、物体的速度等参数。
总的来说，光电式传感器通过光电效应将光信号转化为电信号，从而实现对物体进行检测和测量的功能。
其工作原理简单而有效，被广泛应用于各个领域中。
光电式传感器的检测方法
光电式传感器的检测方法光电式传感器是一种常见的传感器类型，它可以利用光电效应来检测目标物体的存在与否、位置或其他特定属性。
在本文中，我们将一步一步地介绍光电式传感器的检测方法。
第一步：确定检测目标在使用光电式传感器进行检测之前，我们首先需要确定我们要检测的目标是什么。
光电式传感器可以用来检测许多不同类型的物体，如金属、木材、纸张等。
根据目标物体的特性，我们可以选择合适的光电式传感器类型。
第二步：选择合适的光电式传感器根据目标物体的特性，我们可以选择合适的光电式传感器。
常见的光电式传感器类型包括对射式传感器、反射式传感器和光纤传感器。
对射式传感器由发光器和接收器组成，其工作原理是通过测量目标物体与传感器之间的光的遮挡程度来进行检测。
反射式传感器则是通过目标物体对发射出去的光进行反射来进行检测。
光纤传感器则通过传输光信号并检测信号的变化来进行检测。
第三步：安装光电式传感器一旦选择了合适的光电式传感器，我们需要将其正确地安装到目标物体的检测位置。
安装的位置和方式会影响传感器的检测性能。
通常情况下，光电式传感器应该被安装在一个适当的高度和角度，以便与目标物体进行有效的交互。
此外，我们还需要确保光电式传感器与外界环境的适应性，例如避免暴露在直接阳光下或湿度较高的环境中。
第四步：调整传感器的参数一旦光电式传感器安装完毕，我们需要根据具体的应用要求来调整传感器的参数。
这些参数包括灵敏度、响应时间、检测距离等。
通过调整这些参数，我们可以使光电式传感器适应不同的工作环境和目标物体的需求。
值得注意的是，在调整传感器参数时，我们需要根据实际情况进行适当的测试和调试，以确保传感器的准确性和稳定性。
第五步：进行测试和校准在光电式传感器安装和参数调整完成后，我们需要进行测试和校准来确保传感器的准确性和可靠性。
通过测试，我们可以验证光电式传感器是否能够准确地检测目标物体的存在与否，以及在不同条件下的工作性能。
如果测试结果不符合要求，我们可以根据实际情况进行校准，以提高传感器的检测性能。
(完整word版)第7章 光电式传感器习题
第7章光电式传感器习题1. 什么是光电效应? 什么是内、外光电效应?当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。
这种现象称为光电效应。
2 试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异．给出什么情况下应选用哪种器件最为合适的评述。
3假如打算设计—种光电传感器，用于控制路灯的自动亮灭(天黑自动点亮，天明白动熄灭)。
试问可以选择哪种光电器件?试设计电路。
4光电转速传感器的测量原理是将被测轴的转速变换成相应频率的脉冲信号，然后，测出脉冲频率即可测得转速的数值。
试根据这一思路画出光电转速传感器的检测变换部分的工作原理示意图，图中的光电转换元件选用哪种光电器件比较合适?为什么？5 利用光敏器件制成的产品计数器，具有非接触、安全可靠的特点，可广泛应用于自动化生产线的产品计数，如机械零件加工、输送线产品、汽水、瓶装酒类等。
还可以用来统计出入口入员的流动情况。
试利用光电传感器设计一产品自动计数系统，简述系统工作原理。
产品计数器的工作原理，如图所示。
产品在传送带上运行时，不断地遮挡光源到光敏器件间的光路，使光电脉冲电路随着产品的有无产生一个个电脉冲信号。
产品每遮光一次，光电脉冲电路便产生一个脉冲信号，因此，输出的脉冲数即代表产品的数目。
该脉冲经计数电路计数并由显示电路显示出来一、单项选择题1、晒太阳取暖利用（）；人造卫星的光电池利用（）；植物生长利用了（）；A光电效应 B 光化学效应 C 光热效应 D 感光效应2、蓝光的波长比红光（），相同光通量的蓝光能量比红光（）。
A大 B 小 C长 D短3、光敏二极管属于（ B ），光电池属于（）。
A外光电效应 B 内光电效应 C光生伏特效应4、光敏二极管在测光电路中应处于（）偏置状态，光电池处于偏置状态( )A正向 B反向 C零5、光纤通信中，与出射光纤耦合的光电元件选用（）。
传感器与检测技术光电式传感器解读
二、光子探测器
光子探测型器件基于光电效应原理，即利用光 子本身能量激发载流子。这类器件有一定的截 止波长，但响应速度快，灵敏度高，使用最为 广泛。
什么是光电效应？
光是由光子组成的，其能量和频率关系为
E=hf
光照在物体上可看成是一连串具有能量为E的光 子轰击物体，如果光子能量足够大，物质内部
第七章 光电式传感器
整理ppt
组成
光电传感器一般由辐射源、光学通路、光电器 件组成。
工作原理
首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然 后通过光电转换元件变换成电信号。
被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将待 测信息调制到光波上，通过改变光波的强度、 相位、空间分布和频谱分布等，由光电器件 将光信号转化为电信号。电信号经后续电路 解调分离出被测量信息，实现测量。
特点：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。纯电阻元件，无源器件， 有电流通过时，会产生热的问题。电路 简单。适用于红外探测。
整理ppt
（三）光电结型探测器 与光电导型工作原理相似，利用光子引 起的电子跃迁将光信号转变为电信号， 只是光照射在半导体结上而已，。 主要有：光电二极管和光电三极管。
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图7-8 硅光电池构造原理和图示符号
整理ppt
半导体光电器件的特性 包括：光电特性、伏安特性、光谱特性、件的光电特性
a）硒光敏电阻的光电特性 b）光敏晶体管的光电特性 c）硅光电池的光电特性
整理ppt
图7-11 半导体光电器件的伏安特性
a）光敏电阻的伏安特性 b）锗光敏晶体管的伏安特性 c）硅光电池的伏安特性
气体放电光源 激光器 电致发光器件
整理ppt
传感器(第6版) PPT课件第7章
第二节 光电器件
一、热探测器 原理及特点：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器， 它的突出优点是能够接收超低能量的光子，具有宽广和平坦的光谱响应， 尤其适用于红外的探测。 种类：测辐射热电偶、测辐射热敏电阻和热释电探测器。 1、测辐射热电偶 与常规热电偶相似，只是在电偶的一个接头上增加光吸收涂层，当 有光线照射到涂层上，电偶接头的温度随之升高，造成温差电势。 2、测辐射热敏电阻 用热敏电阻代替了热电偶，当有光线照射到涂层上，首先引起温度 的变化，热敏电阻再将温度转化为电阻值的变化。
第一节 光源
四、激光器 激光产生的过程： ➢某 些 物 质 的 分 子 、 原 子 、 离 子 吸 收 外 界 特 定 能 量 （ 如 特 定 频 率 的 辐 射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收）； ➢如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反 转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射 出与激发光子频率相同的光子（受激发射）； ➢由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为 光的受激辐射放大。 ➢具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
传 感 器（第6版）
哈尔滨工业大学 唐文彦 主编
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
第七章 光电式传感器
第一节 光源 第二节 光电器件 第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件 第四节 光纤传感器 第五节 光栅式传感器 第六节 激光式传感器
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第七章 光电式传感器
波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线
第一节 光源
红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
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其波长也称为临界波长。
K
hc A0
第7章光电式传感器-
光电管的结构和工作原理
真空光电管结构如图，在一个真空泡内装有两 个电极：光电阴极和光电阳极。
第7章光电式传感器-
光电倍增管结构如图。 光电转换分为光电发射 和电子倍增两个过程
第7章光电式传感器-
（二）光电导型（内，半导体）
在光线作用下其电阻值往往变小，这种现象称为光 导效应。 具有这种性质的材料称为光敏电阻，也叫光导管。
第7章光电式传感器-
吸收式光电感器
报警
光电式浊度计和含沙量测量 第7章光电式传感器-
烟雾
烟雾报警器
反射式光电传感器
光电转速表
浊度计
光电自动门
表面质量
第7章光电式传感器-
遮光式光电传感器
当带材处于 正确位置（中间 位置）时，放大 器输出电压Uo为 零；当带材左偏 时，遮光面积减 小，输出电压反 映了带材跑偏的 方向及大小。
盗、光谱仪、红外测温仪、热象仪、红外遥感 技术等。
第7章光电式传感器-
二、 光子探测器
光以光速c传播，其波长 c/f 光是一种称为光子的物质组成，兼有波和粒子的特性。 光是一种电磁波，其能量E和振荡频率的关系为频率越 高，能量越大。 E=hf
普朗克常数: h=6.62610 –34 (J·s) 光电效应：物体吸收能量为E的光后产生的电效应。 外光电效应：当物体在光的作用下能使物体中的电子 从物体表面逸出的现象。如金属和金属氧化物。 内光电效应：当物体在光的作用下所释放的电子不逸 出物体表面，而只在物体内部运动并使其电特性发生 变化。常在半导体材料内。
第七章 光电式传感器
本章要点: 1）光电器件的特性和选择、光电传感器设计原 理及应用 2）光纤传感器原理和典型应用举例 3）莫尔条纹现象和重要特性、光栅传感器工作 原理及应用方法
第7章光电式传感器-
工作原理：首先把被测量的变化转换成光 信号的变化，然后通过光电转换元件变成 电信号。 优点：由于光电测量方法灵活多样，可测 参数众多，一般情况下具有非接触、高精 度、高分辨力、高可靠性和反应快。 应用：在检测和控制领域中获得了广泛的 应用，加之激光光源、光栅、光学码盘、 CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功 应用，使得光电传感器的内容极其丰富。
光电传感器 光电式带材跑偏检测器
第7章光电式传感器-
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。
第7章光电式传感器-
光幕应用
当有物 体遮挡住光 线时，传感 器发出报警 信号，起保 护、预警等 作用。
光线被遮断（报警）
第7章光电式传感器-
第二节 光电器件
光电器件的作用是将光信号变为电信号。
可分为： *热探测器：光 温度 电
基于光辐射与物质相互作用的热效应能接收 超低能量的光子，尤其适用红外探测。 *光子探测器：光 电 基于一些物质的光电效应。
第7章光电式传感器-
一、热探测器
（一）测辐射热电偶 （二）测辐射热敏电阻 （三）热释电探测器 敏感部分为（陶瓷）铁电材料。应用于防火、防
第7章光电式传感器-
第一节 光源
大多数光电传感器都离不开光源，选择时要考虑 波长、谱分布、体积、造价、功率等因素。 一、热辐射光源（钨丝白炽灯） 二、气体放电光源（低压汞灯、氢灯、钠灯、镉 灯、氦灯） 三、电致发光器件——发光二极管 四、激光器 （一）固体激光器 （二）气体激光器 （三）半导体激光器
第7章光电式传感器-
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。
第7章光电式传感器-
（三）光电导结型（内，半导体）
有光敏二极管和光敏三极 管等。光敏三极管比相应 的二极管的光电流大（1 + ）倍。如硅二极管在 照度1000lx 时，约 0.03A，而硅三极管有 约3mA的光电流。 还有雪崩二极管、PIN结 构光电二极管。
第7章光电式传感器-
光敏二极管、光敏三极管外形
第7章光电式传感器-
（四）光电伏特型（半导体）
是自发电式的，有源器 件。即是说，受光照射 时就产生一定方向的电 动势，而不需要外部电 源。这种因光照而产生 电动势的现象称为光生 伏特效应。 用可见光作光源的光电 池是最常用的光生伏特 型元件。它是大面积的 pn结。
第7章光电式传感器-
（一）光电发射型（外光电效应）
根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能给一个电子。
光子具有的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0， 这时逸出表面的电子就具有动能
Ek2 1m2 0vh fA0
光电子逸出时所具有的初始动能EK与光的频率有关。
能激发电子逸出的频率限称为“红限”， fkA0/h
红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用
人体额温测量
耳温仪
集成IC 温度测量
第7章光电式传感器-
当测量稳定的辐射源时, 各电容可省去,此时往往 电源的正端接地。 当辐射源为脉冲通量时, 电源的负端接地。
第7章光电式传感器-
（二）半导体光电元件的测量电路
第7章光电式传感器-
四、一般形式的光电传感器及应用
（一）模拟式光电传感器
其工作原理是基于光电元件 的光电特性，其光通量是随 被测量而变，光电流就成为 被测量的函数，故称为光电 传感器的函数运用状态。 （1）吸收式（混浊度计等） （2）反射式（表面粗糙度等） （3）遮光式 （4）辐射式（高温计等）
**CCD和PSD第后7章光叙电式传感器-
光电池外形 较大电流的大面积光电池外形
光敏面
第7章光电式传感器-
太阳能 硅光电池板
太阳能赛车
光电池在人造卫 星上的应用
太阳能发电
第7章光电式传感器-
三、测量电路 （一）光电管的测量电路
1.真空光电管的测量电路
第7章光电式传感器-
2.光电倍增管的测量电路
第7章光电式传感器-
光幕应用（续）
长度 测量
宽度 测量
三维尺寸检测
第7章光电式传感器-
高度 测量
光幕应用（续）
光幕可 检测出带材 在卷曲过程 中的偏移， 经控制器和 执行机构使 带材向正确 的方向运动 （纠偏）。
第7章光电式传感器-
纠偏
辐射式光电传感器
激光仅用于瞄准
红外线辐射温度计外形
市售的红外辐射温度计的第温7章光度电式范传感围器-可以从-30℃~3000℃。