第7章 光电式传感器

光电偶合器的组合形式 为了提高光电偶合器的电流传输比，常采取以下方法：
三种方式的电流传输比分别为： a. 3%; b. 150%; c. 100—1000%。
2、光电开关 光电开关又叫光电断续器。将红外发光元件和光电元件组 装在一起，利用光的遮断或通透来产生并输出高—低电平 即开关信号。 典型的光电开关有透射式和反射式两种。
注意事项： 注意事项： 1、使用透射式光电开关要保证被测对象在发光元件与 光电元件之间运动，并形成光的通断。 2 2、使用反射式光电开关要保证被测对象位于能使光线 反射到光电元件上的位置，并形成光的通断。 3、光照断续的频率即变化快慢应符合光敏元件的时间 和频率特性。
二、应用实例
1)光电式浊度计 光电式浊度计 水样本的浊度是水文资料的 重要内容之一，下图是光电式浊 度计的原理图。 光源发出的光线经半反半透镜3分成两束相等的光线。一路光线直接 到达光电池7，产生作为被测水样浊度的参比信号。另一路光线穿过被测 样品水到达光电池6，其中一部分光线被样品介质吸收，样品水越混浊， 光线的衰减量越大，到达光电池6的光通量就越小。两路光信号均转换成 电压信号U1、U2，由运算电路10计算出U1、U2的比值，并进一步算出被 测水样的浊度。 采用半反半透镜3及光电池7作为参比通道的好处是：当光源的光通 量由于种种原因有所变化(或环境温度变化)引起光电池灵敏度发生改变时， 由于两个通道的结构完全一样，所以在最后运算 U1／U2值时，上述误差 可自动抵消，减小了测量误差。
m zt 式中：n − − − 转速 n= m − − − 脉冲数 z − − − 反光纸个数 t − − − 时间
三、CCD(Charge Couplied Device)固态图象传感器 将光的二维图象变成电信号的二维光电传感器称为图 象传感器。有摄像管和固态图象传感器两种。 固态图象传感器是高度集成的半导体光电传感器。在 一个器件上可以完成光电信号转换、传输和处理。其核心 是电荷转移器件，最常见的是电荷偶合器（CCD）。 可见光: 可见光: 指能引起视觉的电磁波。 可见光的波长范围在0.77～0.39微米之间。 红色:0.77～0.622微米； 橙色:0.622～0.597微米； 黄色:0.597～0.577微米； 绿色:0.577～0.492微米； 蓝靛:0.492～0.455微米； 紫色:0.455～0.39微米。
5.温度特性：光敏电阻与其它半导体器件一样，温度 温度特性： 温度特性 对其特性影响很大。 温度升高时暗电流增大，使灵敏度降低。 温度升高使光谱特性向短波方向移动，即向左移动。
7-2 光电二极管和三极管 1、工作原理 、 光电子发射原理：在光的照射下，电子从物体表面逸 出的现象称为光电子发射原理。 光电二极管在无光或有光照射下处于截止或导通状态。 光电三极管除了具有光电转换功能之外,还有电流放 电流放 大功能。 大功能 2、分类 、 ① PN结型二极管、三极管； ② PIN结型二极管； ③雪崩光电二极管：
7-3 光电池 1、工作原理 、 光伏效应： 光伏效应：在光的照射下，光点材 料在某一方向产生电动势的现象称 为光伏效应。有硅、锗、硒等光电 池，以硅光电池性能为最好。 2、硅光电池的结构 、 见右上图。 3、特性 、 光照特性： ① 光照特性：光电池的开路电压和 短路电流与光照强度的关系。开路 电压随照度非线性变化，在2000lx 时趋于饱和。负载电阻很小时，短 路电流与光照强度成线性关系。应 作为电流源，而不是电压源。
光敏电阻的结构图
二、光敏电阻的基本特性 1.光照特性：光电流与照射光强度的关 光照特性： 光照特性 系，也称光电特性。不同类型的光敏电 阻光照特性不同，但大多数光敏电阻的 光照特性曲线是非线性的，所以不适宜 作检测元件，只能作为开关式光电转换 器。 2.光谱特性：照射光的波长与光电流的 光谱特性： 光谱特性 关系。不同材料光敏电阻的光谱特性不 同，同一材料照射光的波长不同时，光 敏电阻的灵敏度亦不同。光敏电阻的灵 敏度有一个峰值，材料不同灵敏度峰值 对应的波长不同。所以选择光敏电阻时， 要与使用的光源结合起来考虑，才能获 得较好的效果。
② 光谱特性 元件的材料不同，光谱特性也 不同。可见，硒Se，硅Si，锗 Ge的光谱范围大小不同，而 且光谱峰值所对应的波长也不 同。
③ 频率特性 光电池的频率特性与元件的材 料、结构、尺寸和使用条件有 关。可见，硅光电池比硒光电 池的频响高。可用于计数和有 声电影等。
④ 温度特性 光电池的开路电压和短路电 流与温度的关系： 开路电压随温度升高而下降 开路电压 的速度较快。 短路电流随温度升高而上升 短路电流 的速度较慢。
反射式： 反射式：图（c）是检测反射光。光源 发出的光投射到被测物上后再反射到光 电元件上。反射光的强度，取决于被测 物反射表面的性质和状态，如表面粗糙 度传感器等。 遮挡式： 遮挡式：图（d）是检测位移。光源发 出的光被被测物遮挡了一部分，使照射 到光电元件上光的强度变化，光电流的 大小以被测物遮光的多少有关。利用这 一原理可以测量零件的直径、长度和圆 度等。 2.开关量检测系统 开关量检测系统 利用光电元件转换成的断续变化的光电流，形成开关信号 或脉冲信号用于控制或计数。
3、特性 、 光照特性： ① 光照特性：光电流与 光照强度的关系。二极 管的线性好但是光电流 小，只有微安级；三极 管的线性不好，但是光 电流大，可到毫安级。 伏安特性： ② 伏安特性：光电流与 外加偏压的关系。二极 管在零偏压时仍有电流， 几乎与偏压无关，只与 光照度有关，光照恒定 时，为恒流源。而三极 管的特性有两个范围， 小偏压时很陡，大偏压 时平缓。
① 线阵CCD 将光敏元件排列成一条直线的一组器件，即线阵CCD。 工作过程： 工作过程：光敏元件曝光（光积分）后产生光生电荷形 成电荷包，在转移栅作用下将各光敏元件的电荷包偶合 到各自对应的移位寄存器中，这是并行转移过程。与此 同时，在时钟驱动下，从读出寄存器中依次输出各位信 息。CCD输出一个个脉冲，脉冲的幅度取决于对应光敏 元件受光的强度。而输出脉冲的频率则和驱动时钟的频 率一致。
2)光电式转速表 光电式转速表 光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米 处非接触地测量转速。由于光电器件的动态特性较好，所以可以用于高 转速的测量而又不干扰被测物的转动，图2-52是它的原理图。 光源l发出的光线经透镜2会聚成平行光束，照射到旋转物体上的反光 纸4反射回来，经透镜5聚焦后落在光敏二极管6上。它产生与转速对应的 电脉冲信号，经放大整形电路8得到了TTL 电平的脉冲信号，再经频率计 电路9处理后由显示器10显示出每分钟或每秒钟的转数即转速。
3.伏安特性：光敏电阻的光电流与外加电压之间的关系。 伏安特性： 伏安特性 在给定的电压下，光电流的数值随着照射光的增强而加 大，照射光强不变时，外加电压越高，光电流I也越大， 灵敏度随之增大。但最高工作电压受到允许耗散功率限 制，不同元件有不同的规定，使用时应注意。
4.频率特性：光电流与照射光强度变化频率之间的关系。因 频率特性： 频率特性 为光敏电阻受光照射后光电流不能立即达到饱和值，而是需 要经过一段时间。同样光线停止照射后，光电流也不是立即 完全消失，也存在一定的延时现象。大多数光敏电阻的相应 时间都较长，在ms级左右。它除了与材料有关外，还取决于 照度、负载电阻和环境温度。
光谱特性： ③ 光谱特性：光电晶体管 的相对灵敏度与光线波长 的关系。不同的晶体管对 光的响应都有一个最大和 最小波长极限。即对入射 光的波长有一个响应范围。
频率特性： ④ 频率特性：光电流与入射光变化频率的关系。频 率响应与晶体管的结构、材料、照度等有关。二极管 比三极管的响应快。 200—300HZ以下用三极管； 10MHZ以下用PN型二极管； 10MHZ以上用PIN型二极管或雪崩型二极管。
⑴ CCD的结构原理 结构原理: 结构原理 CCD的基本组成是光敏元件阵列和电荷转移器。分为 线阵器件和面阵器件两类。成千上万个光敏元件按线阵 或面阵有规则地排列在半导体硅片上，构成一个个像素。
工作原理: 工作原理: 当物体通过透镜成像于半导体硅平面上时，光敏元件 产生与照射在他们上面的光强成正比的光生电荷，称为电 荷包。光敏元件阵列将光图象转化、分解成电图象；而电 荷转移器将电荷包中的电荷依次有规则地串行输出，即电 荷偶合过程，所以，这种器件称为电荷偶合器。
第七章
光电式传感器
光电式传感器是利用光电元件将光信号变换成电信号的一种装置。 光电元件也称光敏元件，光电元件的类型很多，但其工作原理都是建立 在光电效应这一物理基础上的。根据光电效应的不同机理，光电效应可 分为三类： ⑴光电发射效应：在光的照射下，使电子从物体表面逸出的现象。 光电发射效应： 光电子发射效应在物体表面产生，所以也称外光电效应。基于该效应的 元件有例如光电管、光电倍增管。 ⑵光电导效应：在光的照射下，使物体电阻率改变的现象。如光敏 光电导效应： 电阻。 ⑶光伏效应：在光的照射下使物体在某一方向产生电动势的现象。 光伏效应： 如光电池，光敏二极管和三极管。 光电导效应和光伏效应发生在物体内部，所以也称内光电效应，一 般使用的是半导体材料。
7-1光敏电
一、光敏电阻的工作原理 光电导效应： 光电导效应：半导体材料在光线照 射下,自由电子吸收光子能量从束 缚状态变成自由状态，载流子浓度 增大，导电性增强，电阻值减小。 照射光线越强，电阻值下降越多，光照停止，自由电子与空穴逐渐复 合，电阻又回复原来值，这就是光电导效应。根据这一原理制成的器 件称为光敏电阻。 光敏电阻没有极性，使用时在电阻两端加直流或 交流偏压，如上图所示。 暗电阻和暗电流： 暗电阻和暗电流：光敏电阻不受光照射时的电阻称暗电阻，此时通过的 电流称暗电流。 亮电阻和亮电流： 亮电阻和亮电流：受光照射时的电阻称亮电阻，对应的电流称亮电流。 光电流： 光电流：亮电流与暗电流之差称光电流。光敏电阻的暗电阻在几兆欧以 上，而亮电阻则在几千欧以下。暗电阻与亮电阻之差越大，光电流越大， 灵敏度越高。
三、光电偶合器和光电开关 1、光电偶合器 由一个发光元件和一个光电元件共同封装在一起组 成的复合型转换元件。它以光为媒介偶合与传递电信号， 同时能够隔离（绝缘）开关电路的输入和输出端，又称 为光电隔离器。
源自文库
电流传输比（ ）：输出管的工作电压为规定值时， 电流传输比（CTR）： ）： 输出电流IC与发光二极管正向电流IF之比，用%表示。
行传输面阵： 行传输面阵：将场传输面阵CCD中的光敏元件与存储元 件相隔排列，即一行光敏元件，一行不透光的存储元件 交替排列。光敏元件与存储元件一一对应，二者之间由 转移栅控制。下面是一个读出移位寄存器。 工作过程：光敏元件的光 积分结束时，在转移栅控 制下，电荷包并行转移至 存储器中暂存。然后，每 行信号以类似于场传输的 方式依次从读出寄存器中 输出。
② 面阵CCD 将光敏元件按二维矩阵排列构成光敏区域。 分类： 分类：根据传输方式不同分为：场传输面阵和行传输面阵。 场传输面阵： 场传输面阵：由光敏元件阵、 存储器面阵和读出寄存器组 成。 工作过程： 工作过程：在光积分时间， 各光敏元件感光生成电荷包。 曝光结束时，在转移脉冲作 用下，电荷包进行转移，将 光敏区的电荷信号全部迅速 转移到对应的存储区暂存。 如此循环。
7－2光电传感器的应用
一、光电传感器的类型 利用光电传感器可以检测许多非电量，按输出量的性质可分为： 模拟量检测系统和开关量检测系统。 1.模拟量光电检测系统：它是利用光电元件将被测量转换成连续变化的光 模拟量光电检测系统： 模拟量光电检测系统 电流。
直射式：图（a）是被测物发出的 直射式： 光直接照射到光电元件上，光电 元件将被测物辐射的能量转换为 光电流，如光电比色高温计。 透射式： 透射式：图（b）是检测透射光。光源发出的光穿过被测 物体时，部分被物体吸收后投射到光电元件上。吸收量与 被测介质的透明度或混浊度有关。如检测液体、气体透明 度的光电比色计，减光式感烟火灾报警器等。