第9章9.2节 光电式传感器
合集下载
第九章光电式传感器_重庆大学_广西大学_传感器与检测技术_课件
9.1 光电效应
3、光生伏特效应
广西大学电气工程学院
半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电 动势的现象称为光生伏特效应。 光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。
以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。
硒光电池
硅光电池
第九章 光电式传感器
广西大学电气工程学院
9.2 常见光电元件（传感器）
码盘最外圈上的 信号位的位置正好与 状态交线错开，只有 信号位处的光电元件 有信号才能读数，这 样就不会产生非单值 性误差。
9.3 光电传感器的应用
广西大学电气工程学院
10码道光电绝对式码盘
透光区
不透光区
零位标志
9.3 光电传感器的应用
广西大学电气工程学院
9.3 光电传感器的应用
广西大学电气工程学院
拉线式角编 码器利用线轮， 能将直线运动转 换成旋转运动。
9.3 光电传感器的应用
广西大学电气工程学院
2、光电式增量编码器 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝 转轴 A B C B C 盘码及 狭缝
光栏板上的两个狭缝距离 是码盘上的两个狭缝距离 的（m +1/4）倍
A
光敏元件
零位标志
9.3 光电传感器的应用
辨向信号和零标志
广西大学电气工程学院
光电编码器的光栏板上有 A 组与 B 组两组狭缝，彼此错 开 1/4 节距，两组狭缝相对应 的光敏元件所产生的信号 A 、 B彼此相差90相位，用于辩向。 当编码正转时， A 信号超前 B 信号90；当码盘反转时，B信 号超前A信号90。 在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝 C ， 每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信 号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。
传感器教程9光电式传感器课件
光电式传感器还具有防水、防尘和防震等特点，能够在各种恶劣环境下稳定运行。
光电式传感器在医疗设备中的应用
光电式传感器在医疗设备中主 要用于检测生理参数，如血压 、脉搏、血氧饱和度等。
它们能够实现无创、无痛、连 续监测，为医疗诊断和治疗提 供重要数据。
光电式传感器还具有小型化、 便携化和低功耗等特点，方便 在移动医疗设备中使用。
光电式传感器工作原理
光电式传感器利用光电效应，将光信号转换为电信号，从而实现对物理量的检测 和测量。
光电式传感器通常由光敏元件和辅助电路组成。当光敏元件受到光照时，会产生 电信号，该信号经过辅助电路的处理和放大，最终输出可用的电信号。
光电式传感器分类
光电式传感器有多种分类方式，常见 的有根据工作方式、测量对象和应用 领域等分类。
光电式传感器的制作材料与工艺
材料
常用的制作材料包括硅、锗、硒 等半导体材料，这些材料具有光 电效应，能够将光信号转换为电 信号。
工艺
制作工艺主要包括薄膜沉积、光 刻、腐蚀等微电子技术，这些技 术能够制造出高精度的光电式传 感器。
光电式传感器的封装与测试
封装
封装的主要目的是保护传感器免受环 境的影响，同时提供方便的接口，以 便将传感器连接到电路中。
拓展应用领域 通过研究和开发新的光电式传感 器应用领域，如生物医学、环境 监测等，拓展其应用范围。
降低成本
通过优化制造工艺和使用更低成 本的材料，降低光电式传感器的 制造成本，使其更具有市场竞争 力。
增强抗干扰能力
通过改进光学系统和信号处理算 法，提高光电式传感器的抗干扰 能力，使其在复杂环境下也能够 稳定工作。
在医疗设备领域，光电式传感器主要 用于检测生理参数，如血压、脉搏、 血氧饱和度等，为医疗诊断和治疗提 供重要数据。
光电式传感器在医疗设备中的应用
光电式传感器在医疗设备中主 要用于检测生理参数，如血压 、脉搏、血氧饱和度等。
它们能够实现无创、无痛、连 续监测，为医疗诊断和治疗提 供重要数据。
光电式传感器还具有小型化、 便携化和低功耗等特点，方便 在移动医疗设备中使用。
光电式传感器工作原理
光电式传感器利用光电效应，将光信号转换为电信号，从而实现对物理量的检测 和测量。
光电式传感器通常由光敏元件和辅助电路组成。当光敏元件受到光照时，会产生 电信号，该信号经过辅助电路的处理和放大，最终输出可用的电信号。
光电式传感器分类
光电式传感器有多种分类方式，常见 的有根据工作方式、测量对象和应用 领域等分类。
光电式传感器的制作材料与工艺
材料
常用的制作材料包括硅、锗、硒 等半导体材料，这些材料具有光 电效应，能够将光信号转换为电 信号。
工艺
制作工艺主要包括薄膜沉积、光 刻、腐蚀等微电子技术，这些技 术能够制造出高精度的光电式传 感器。
光电式传感器的封装与测试
封装
封装的主要目的是保护传感器免受环 境的影响，同时提供方便的接口，以 便将传感器连接到电路中。
拓展应用领域 通过研究和开发新的光电式传感 器应用领域，如生物医学、环境 监测等，拓展其应用范围。
降低成本
通过优化制造工艺和使用更低成 本的材料，降低光电式传感器的 制造成本，使其更具有市场竞争 力。
增强抗干扰能力
通过改进光学系统和信号处理算 法，提高光电式传感器的抗干扰 能力，使其在复杂环境下也能够 稳定工作。
在医疗设备领域，光电式传感器主要 用于检测生理参数，如血压、脉搏、 血氧饱和度等，为医疗诊断和治疗提 供重要数据。
《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。
.
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
《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
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。
光电式传感器
•（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。如图9-4（d）所示。
9-4 (a)真空光电 管的伏安特性 (b) 充气光电管的伏安 特性
•光电倍增管的基本特性参数主要有以下几个方面：
•数（，1）它倍反增映系倍数增M极。收M集电c子n的效率。 ，其中 c为收集系
般是3~6。
•2.特性
•光电管的基本特性主要有以下几个方面：
•（1）光电特性
•
光电特性表示当阳极电压一定时，阳极电流I与入射在
阴极上光通量φ之间的关系。如图9-3（a）为真空光电管的
光电特性；图9-3（ b ）为充气光电管的光电特性。
•（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。如图9-4（c）所示。
图9-23 光敏电阻开 关电路
四、光敏晶体管的测量电路
图9-24所示为光敏三极管的开关电路。 VT1为光敏三极管，当有光照时， 光电流增加咀导通，作用到Vη和VT4组成的射极藕合放大器，使输出电压U 就为高电平，反之输出电压低电平，这样输出脉冲可送至计数器，以便进 行一些开关量如转速、时间间隔等量的测量。
•（4）光敏电阻的光谱特性 光敏电阻对于不同波长的入射 光，其相对灵敏度Kr是不同的。各种不同材料的光谱特性曲线 如图9-8所示。从图中可以看出，硫化镉的峰值在可见光区域， 而硫化铅的峰值在红外光区域，因此在选择光敏电阻时，应 当把元件和电源结合起来考虑，才能获得满意的结果。
•（5）光敏电阻的频率特性 在使用光敏电阻时，应当注 意它的光电流并不是随光强改变而立刻作相应的变化，而是 具有一定的惰性，图9-9为两种不同材料的光敏电阻的频率特 性，即相对灵敏度Kr与光强度变化频率间的关系曲线。 •（6）光敏电阻的光谱温度特性 如图9-10所示。
最新09第九章光电式传感器
09第九章光电式传感器第9章光电式传感器9.1 概述●光电式传感器是将光能转化为电能的传感器，称为光电器件，它的物理基础是光电效应；●用光电式传感器测量非电物理量时，先将非电物理量的变化转换为光量的变化，再用光电式传感器进行测量；●外光电效应：它是物体表面在光照时，有电子逸出物体表面的现象，其光电器件有光电管和光电倍增管；●内光电效应：它是物体在光照时，其电阻发生变化的现象，其光电器件有光敏电阻；●阻挡层光电效应（光伏效应）：它是物体在光照时，将产生一定方向电动势的现象，其光电器件有光电池、光敏晶体管；●光电器件具有响应快、结构简单、可靠性高等特点。
9.2 光电管●真空光电管原理：仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢8● 真空光电管伏安特性：● 充气光电管原理：● 充气光电管伏安特性：阳极：正电位吸引电离负电粒子，排斥正电粒子电子轰击惰性气体电离产生大量正负带点粒子●光电倍增管原理：●光电倍增管伏安特性与光电管的伏安特性基本相同。
9.3 光敏电阻●光敏电阻原理：●光敏电阻结构原理：二次电子效应二次电子效应二次电子效应仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢8● 光敏电阻特点：光电阻无极性、灵敏度高、体积小、重量轻、性能稳定（老化以后）、光谱特性好（从紫外直到红外）、但性能受潮湿影响大，可以用玻璃密封解决。
● 光敏电阻的主要参数：✧ 暗电阻：室温和无光照条件下的电阻值，越大越好，一般为ΩΩM M 100~1；✧ 亮电阻：室温和某一光照条件下的电阻值；越小越好，一般白昼约为Ωk 1；✧ 暗电流：室温和无光照条件下通过的电流，与外加电压有关；✧ 光电流：亮电流减去暗电流，与外加电压有关，越大越好，它越大灵敏度越高。
● 光敏电阻的伏安特性：线性无饱和，但有功耗限制。
(mA I)4020仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢8● 光敏电阻的光照特性：● 光敏电阻的光谱特性：光敏电阻对不同波长的光有不同的灵敏度。
CH9光电式传感器含答案传感器与检测技术第2版习题及解答
第9章光电式传感器一、单项选择题1、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。
A. 光电效应传感器B. 红外热释电探测器C. 固体图像传感器D. 光纤传感器2、下列光电器件是根据外光电效应做出的是（）。
A. 光电管B. 光电池C. 光敏电阻D. 光敏二极管3、当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的（）。
A. 伏安特性B. 光照特性C. 光谱特性D. 频率特性4、下列光电器件是基于光导效应的是（）。
A. 光电管B. 光电池C. 光敏电阻D. 光敏二极管5、光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为（）。
A. 伏安特性B. 光照特性C. 光谱特性D. 频率特性6、下列关于光敏二极管和光敏三极管的对比不正确的是（）。
A. 光敏二极管的光电流很小，光敏三极管的光电流则较大B. 光敏二极管与光敏三极管的暗点流相差不大C. 工作频率较高时，应选用光敏二极管；工作频率较低时，应选用光敏三极管D. 光敏二极管的线性特性较差，而光敏三极管有很好的线性特性7、光电式传感器是利用（）把光信号转换成电信号。
A. 被测量B. 光电效应C. 光电管D. 光电器件8、光敏电阻的特性是（）A．有光照时亮电阻很大 B．无光照时暗电阻很小C．无光照时暗电流很大 D．受一定波长范围的光照时亮电流很大9、基于光生伏特效应工作的光电器件是（）A．光电管 B.光敏电阻C．光电池 D.光电倍增管10、CCD以（）为信号A. 电压B.电流C．电荷 D.电压或者电流11、构成CCD的基本单元是（）A. P型硅B.PN结C. 光电二极管D.MOS电容器12、基于全反射被破坏而导致光纤特性改变的原理，可以做成（）传感器，用于探测位移、压力、温度等变化。
A.位移B.压力C.温度D.光电13、光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和( )两个重要部件。
A.反射镜B.透镜C.光栅D.光探测器14、按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、频率调制、波长调制以及( )等，所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上。
光电式传感器-PPT课件
光敏电阻的光谱特性 。
100
Sr 灵敏度 (%)
80 60 40 20 0 硫化镉 1.5 3 硫化铅 硫化铊
光电流 I
mA
波 长 （ A）
2019/3/16
18
100
灵敏度 S ( %)
硫化铅
光敏电阻的频率特性
8 0 6 0 4 0 2 0 0 10 100
硫化镉
1000
10000
频 率 （ H z）
光电管
6
9.1.2 外光电效应器件
光电管的伏安特性曲线
I (A)
4 3
0 . 1 lm
0 .0 5 lm
2
0 .0 2 lm
1 0 20 40 60 80 100
U A（ V ）
7
9.1.2 外光电效应器件
光电管的光照特性
光电流 I ( A)
16 12 8 4 0 0.2 0.4
2
9.1 光电传感器
9.1.1 光电效应
所谓光电效应是指在光的照射下一些金 属、金属氧化物或半导体材料释放电子 的现象。 光子是具有一定能量的微粒，是以光速 运动的粒子流。每一个光子都具有一定 的能量，它的能量大小E与其频率 成正 比。
Eh hc
3
9.1.1 光电效应
光电效应分为内光电效应和外光电效应。当 物体在光的作用下所释放的电子没有逸出物 体表面，而只在物体的内部运动并使物体的 电学特性发生变化的现象叫做内光电效应， 内光电效应多产生于半导体材料内。 当物体在光的作用下使物体中的电子从物体 表面逸出的现象，叫做外光电效应，外光电 效应多发生于金属或金属氧化物内。
9光电式传感器12 共62页PPT资料
7
二、光电器件的特性参数 灵敏度K：表征光电器件输出信号能力的特征量
光电器件的输出信号电压VS与入射光功率PS之比，即 单位入射光功率作用下器件的输出信号电压：
K = V S / P S = V S / ( H A d )
光谱特性：描述光电器件的工作范围 某一种光电器件的灵敏度与入射波长的关系，称为 该光电器件的光谱特性 用不同辐射波长对某一器件的灵敏度描绘的曲线， 就是该器件的光谱特性曲线
阴极灵 敏度 (uA/lm)
40 30 40 30 60 40
阳极工 作电压
(V)
< 900 < 900 < 900 < 1000 < 1300 < 750
暗电流 (A)
< 8×10-9 < 6×10-9 < 8×10-9 < 1×10-7 < 5×10-8 < 2×10-9
环境 温度 (℃)
-40 - 40 -50 - 50 -40 - 50 -80 - 60 -40 - 40 -40 - 50
（1）光电管的伏安特性
在一定的光照射下，对光电器件的阴极所
加电压与阳极所产生的电流之间的关系称
为光电管的伏安特性。
12 IA/μA
10 8 6 4 2
120μlm 100μlm 80μlm 60μlm 40μlm
20μlm
12 IA/μA
10 8 6 4 2
强光
弱光 阴极电压/V
0 50 100 150 阴极电压/V 0 50 100 150
以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料
制成，对可见光范围的入射光灵敏度比较
高。适用于白光光源，被应用于各种光电
二、光电器件的特性参数 灵敏度K：表征光电器件输出信号能力的特征量
光电器件的输出信号电压VS与入射光功率PS之比，即 单位入射光功率作用下器件的输出信号电压：
K = V S / P S = V S / ( H A d )
光谱特性：描述光电器件的工作范围 某一种光电器件的灵敏度与入射波长的关系，称为 该光电器件的光谱特性 用不同辐射波长对某一器件的灵敏度描绘的曲线， 就是该器件的光谱特性曲线
阴极灵 敏度 (uA/lm)
40 30 40 30 60 40
阳极工 作电压
(V)
< 900 < 900 < 900 < 1000 < 1300 < 750
暗电流 (A)
< 8×10-9 < 6×10-9 < 8×10-9 < 1×10-7 < 5×10-8 < 2×10-9
环境 温度 (℃)
-40 - 40 -50 - 50 -40 - 50 -80 - 60 -40 - 40 -40 - 50
（1）光电管的伏安特性
在一定的光照射下，对光电器件的阴极所
加电压与阳极所产生的电流之间的关系称
为光电管的伏安特性。
12 IA/μA
10 8 6 4 2
120μlm 100μlm 80μlm 60μlm 40μlm
20μlm
12 IA/μA
10 8 6 4 2
强光
弱光 阴极电压/V
0 50 100 150 阴极电压/V 0 50 100 150
以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料
制成，对可见光范围的入射光灵敏度比较
高。适用于白光光源，被应用于各种光电
第九章光电式传感器
2019/9/24
1.0 波长(m)
9
9.1.2 外光电效应器件
光电倍增管
2019/9/24
10
9.1.2 外光电效应器件
光电倍增管的工作原理
基于外光电效应、二次电子发射和电子光学基础上。在光电 倍增管的各倍增电极D1、D2、D3…和阳极上，依次有逐渐增高 的正电压，即阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位 依次升高，阳极电位最高，而且相邻两极之间电压应使二次发射 系数大于1。在入射光作用下，光电阴极发射的光电子在D1电场 作用下，以高速向倍增电极D1打去，产生二次发射，于是更多的 二次发射电子又在D2电场作用下，射向第二倍增电极，激发更多 的次发射电子，如此下去，一个光电子将激发更多的二次发射电 子，如此不断倍增，最后阳极收集到的电子数将达到阴极发射电 子数的105～106倍，即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到 几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到几百万 倍。因此，在很微弱的光照下，光电倍增管也能产生很大的光电
2019/9/24
42
9.1.4 光电传感器的应用
1、烟尘浊度监测仪 烟囱里的烟尘浊度是通过光在烟囱里
传输时的变化大小来检测的。如果烟尘 浊度增加，那么光源发出的光被烟尘颗 粒的吸收和折射就会增加，使到达接收 端的光减少，因而光检测器输出的信号 就会减弱；反之，烟尘浊度减少，光检 测器输出的信号就会增强。
2019/9/24
25
②光敏三极管外形
2019/9/24
26
③ 光敏晶闸管
光敏晶闸管（LCR）又称为光控晶闸管 光敏晶闸管的特点是工作电压很高，有
的可达数百伏，导通电流比光敏三极管 大得多，因此输出功率很大，在自动检 测控制和日常生活中应用会越来越广泛。
09第九章光电式传感器
第9章光电式传感器9.1概述光电式传感器是将光能转化为电能的传感器，称为光电器件，它的物理基础是光电效应；用光电式传感器测量非电物理量时，先将非电物理量的变化转换为光量的变化，再用光电式传感器进行测量；外光电效应：它是物体表面在光照时，有电子逸出物体表面的现象，其光电器件有光电管和光电倍增管；内光电效应：它是物体在光照时，其电阻发生变化的现象，其光电器件有光敏电阻；阻挡层光电效应（光伏效应）：它是物体在光照时，将产生一定方向电动势的现象，其光电器件有光电池、光敏晶体管；光电器件具有响应快、结构简单、可靠性咼等特点。
9.2光电管真空光电管原理:真空光电管伏安特性:充气光电管原理:充气光电管伏安特性:光通量电子轰击惰性气体电离产生大量正负带点粒子阳极：正电位吸引电离负电粒子，排斥正电粒子电流与光通量和电压都有关电流只与光通量有关与电压无关光通量光电导体光电倍增管原理:光电倍增管伏安特性与光电管的伏安特性基本相同9.3光敏电阻光敏电阻原理:光敏电阻结构原理:光敏电阻特点：光电阻无极性、灵敏度高、体积小、重量轻、性能稳定（老化以后）、光谱特性好（从紫外直到红外）、但性能受潮湿影响大，可以用玻璃密封解决。
光敏电阻的主要参数：暗电阻：室温和无光照条件下的电阻值，越大越好，一般为1M「~100IM」；亮电阻：室温和某一光照条件下的电阻值；越小越好，一般白昼约为1k】；暗电流：室温和无光照条件下通过的电流，与外加电压有关；光电流：亮电流减去暗电流，与外加电压有关，越大越好，它越大灵敏度越高。
光敏电阻的伏安特性：线性无饱和，但有功耗限制。
200100光敏电阻的光照特性:光敏电阻的光谱特性：光敏电阻对不同波长的光有不同的灵敏度。
光敏电阻的响应时间和频率特性：光敏电阻的响应时间一般为10~ 100ms,它与材料和光照强度有关，光照越强响应时间越短，频率特性越好。
Pn 结无光照时反向电流很小， Pn 结有光照时产生大量载流子，反 向电流随光通量变化而变化。
第9章光电式传感器09-113页PPT精选文档
2、光电倍增管及其基本特性
（1）结构与工作原理：主要由光阴极、次阴极（倍增极） 以及阳极三部分组成。阳极是最后用来收集电子的，它输出 的是电压脉冲。光电倍增管是灵敏度极高、响应速度极快的 光探测器，其输出信号在很大范围内与入射光子数成线性关 系。
工作电路如右图所示：使用时在各个倍增 管上均加电压。阴极电压最低，从阴极开始， 各个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高。 同时这些倍增电极用次级发射材料制成，这种 材料在具有一定能量的电子轰击下，能够产生 更多的“次级电子”。
（2）反射式光电传感器
①工作原理：将恒定光源发出的光投射到被测对 象上，用光电器件接受其反射光通量，反射光 通量的变化反映出被测对象的特性。
②应用：通过光通量变化的大小，可以反映出被 测物体的表面光洁度；通过光通量的变化频率， 可以反映出被测物体的转速。
（3）辐射式光电传感器 工作原理：利用光电器件接收被测对象辐 射能的强弱变化，光通量的强弱与被测参 量（例如温度）的高低有关。
光电器件工件的物理基础：光电效应。 光电效应分为：内光电效应、外光电效
应。
9.2.1 外光电效应型光电器件
当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子 的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的 光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它 的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象 称为外光电效应。
光窗 （a)结构
Uo （b)测量电路
（2）外光电效应型光电器件主要性能：光电器件的 性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时 间、峰值探测率和温度特性等来描述。▲▲
①光电管的伏安特性 ：在一定的光照下，对光电器件的 阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电 管的伏安特性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第9章 光电式传感器
2)转移栅φt 转移栅φt与光栅φp一样，同样是狭长细条，位于 光栅和CCD之间，它是用来控制光敏单元势阱中的信号 电荷向CCD中转移。
图9-2-7
转移沟道
15
第9章 光电式传感器
3)模拟移位寄存器 前面已提到过，CCD有二相、三相、四相几种结构， 现以四相结构为例进行讨论。一、三相为转移相，二、 四相为存储相。在排列上，N位CCD与N个光敏单元一一 对齐，最靠近输出端的那位CCD称第一位，对应的光敏 单元为第一个光敏单元，依此类推。各光敏单元通向 CCD的各转移沟道之间有沟阻隔开，而且只能通向每位 CCD中某一个相，如图9-2-7所示。只通向每位CCD的第 二相，这样可防止各信号电荷包转移时可能引起的混淆。
20
第9章 光电式传感器
行间传输(ILT)的结构如图9-2-8(c)所示，感光区 和暂存区行行相间排列。在感光区结束光积分后同时将 每列信号电荷转移入相邻的暂存列中，然后再进行下一 帧图像的光积分，同时将暂存区中的信号电荷逐列通过 输出寄存器转移到输出端。行间传输结构具有良好的图 像抗混淆性能，即图像不存在“拖影”，但不透光的暂 存转移区降低了器件的收光效率，并且，这种结构不适 宜光从背面照射。
7
第9章 光电式传感器
图9-2-3
三相CCD中电荷的转移过程
(a)初始状态 (b)电荷由(1)电极向(2)电极转移 (c)电荷在(1)(2)电极下均匀分布 (d)电荷继续由(1)电极向(2)电极转移 (e)电荷完全转移到(2)电极 (f)三相转移脉冲
为了实现转移，CCD电极间的间隙必须很小，电荷才能 不受阻碍地从一个电极转移到相邻电极下，电极间的间隙 由电极结构、表面态密度等因素决定。
第9章 光电式传感器
9.2.1 电荷耦合器件工作原理
电荷耦合器件CCD传感器是由许多感光单元组成， 通常以百万像素为单位，它使用一种高感光度的半导体 材料制成，能够将光信号转变成电荷信号。当CCD表面 受到光线照射时，每个感光单元将入射光强的大小以电 荷数量的多少反映出来，这样所有感光单元所产生的信 号叠加在一起，构成了一幅完整的图像。CCD不同于大 多数以电流或电压为信号的器件，它是以电荷作为信号 载体，CCD基本功能表现为信号电荷的产生、存储、传 输和检出(即输出)。
17
第9章 光电式传感器
(3)CCD面阵图像器件 面阵图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，组成感 光区。面阵图像器件能够检测二维的平面图像。由于传 输和读出的结构方式不同，面阵图像器件有许多种类型。 常见的传输方式有行传输、帧传输和行间传输三种。
18
第9章 光电式传感器
行传输(LT)面阵CCD的结构如图9-2-8(a)所示，它 由行选址电路、感光区、输出寄存器(即普通结构的CCD) 组成。当感光区光积分结束后，由行选址电路分别一行 行地将信息电荷通过输出寄存器转移到输出端。行传输 的缺点是需要的时钟电路(即行选址电路)比较复杂，并 且在电荷传输转移过程中，光积分还在进行，会产生 “拖影”，因此，这种结构采用较少。
8
第9章 光电式传感器 (4)光电荷的输出 光电荷的输出是指在光电荷转移通道的末端， 将电荷信号转换为电压或电流信号输出，也称为 光电荷的检出。目前CCD的主要输出方式有电流 输出、浮置扩散放大输出和浮置栅极放大输出。
9
第9章 光电式传感器
以电流输出方式为例，如图9-2-4所示，当信号电荷 在转移脉冲的驱动下向右转移到末电极的势阱中后，Φ2 电极电压由高变低，由于势阱的提高，信号电荷将通过 输出栅(加有恒定电压)下的势阱进入反向偏置的二极管 (图中N+区)。由UD、电阻R、衬底P和N+区构成的反向 偏置二极管相当于一个深势阱，进入反向偏置二极管中 的电荷，将产生输出电流ID，ID的大小与注入二极管中 的信号电荷量QS成正比。由于ID的存在，使得A点的电 位发生变化；ID增大，A点的电位降低，CCD的电流输 出模式即是用隔直电容将A点的电位变化取出，经放大 器输出。
第9章 光电式传感器
9.2 电荷耦合图像传感器
电荷耦合器件(Charge Coupled Devices，CCD) 以电荷转移为核心，是一种应用非常广泛的固体图像 传感器，它是以电荷包的形式存储和传递信息的半导 体表面器件，是在MOS(Metal Oxide Semiconductor) 结构电荷存储器的基础上发展起来的。CCD的概念最 初于1970年由美国贝尔实验室的W. S. Boyle和G. E. Smith提出，很快推出各种实用的CCD。由于它具有光 电转换、信息存储和延时等功能，而且集成度高、功 耗小，所以在固体图像传感、信息存储和处理方面得 到广泛应用，诸如医疗、通信、天文以及工业检测与 自动控制系统。 1
10
第9章 光电式传感器
图9-2-4
CCD电流输出模式结构示意图
11
第9章 光电式传感器
9.2.2 CCD图像传感器 (1)CCD图像传感器的原理 CCD图像传感器是利用CCD的光电转移和电荷转移 的双重功能。当一定波长的入射光照射CCD时，若CCD 的电极下形成势阱，则光生少数载流子就积聚到势阱中， 其数目与光照时间和光强度成正比。使用时钟控制将 CCD的每一位下的光生电荷依次转移出来，分别从同一 输出电路上检测出，则可以得到幅度与各光生电荷包成 正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转 移成了电信号“图像”。由于CCD能实现低噪声的电荷 转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且 具有良好的一致性，因此，对图像的传感具有优越的性 能。 12
21
第9章 光电式传感器
图9-2-8
CCD面阵图
22
第9章 光电式传感器
9.2.3 光电阵列器件的应用 光电阵列器件包括光电二极管阵列、光电三极管阵 列和CCD成像器件。它们都具有图像传感功能，可广泛地 应用于摄像、信号检测等领域。如前所述，这些光敏阵 列器件有线列和面阵两种，线列可传感一维的图像，面 阵则可以感受二维的平面图像，它们各具有不同的用途。 (1)尺寸检测 在自动化生产线上，经常需要进行物体尺寸的在线 检测。例如零件的尺寸检验、轧钢厂钢板宽度的在线检 测和控制等。利用光电阵列器件，即可实现物体尺寸的 高精度非接触检测。
5
第9章 光电式传感器
(3)电荷的转移 通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以 实现光电荷在相邻势阱间的转移，图9-2-3表示CCD势 阱中电荷的转移。
图9-2-2 (a)空势阱
势阱 (c)全满势阱
6
(b)填充1/3的势阱
第9章 光电式传感器
图9-2-3中CCD的4个电极彼此靠得很近，假定开始在 偏压为10 V的(1)电极下面的深势阱中，其他电极加有大 于阈值的较低电压(例如2 V)，如图9-2-3(a)所示；一定 时刻后，(2)电极由2 V变为10 V，其余电极保持不变， 如图9-2-3(b)所示；因为(1)、(2)电极靠得很近(间隔只 有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在 (1)电极下的电荷变为(1)、(2)2个电极共有，如图9-23(c)所示；此后，(1)电极上电压由10 V变为2 V，(2)电 极上10 V不变，如图9-2-3(d)所示，电荷就将慢慢转移 到(2)电极下的势阱中；最后(1)电极下的电荷就转移到 了(2)电极下，如图9-2-3(e)，由此深势阱及电荷包向右 转移了一个位置。
第9章 光电式传感器
CCD图像传感器可以分为线列和面阵两大类，它们 各具有不同的结构和用途 (2)CCD线列图像器件 CCD线列图像器件由光敏区、转移栅、模拟移位寄 存器(即CCD)、胖零(即偏置)电荷注入电路、信号读出 电路等几部分组成。图9-2-5是一个有N个光敏单元的线 列CCD图像传感器件。器件中各部分的功能及器件的工 作过程分述如下。
23
第9章 光电式传感器
1）微小尺寸的检测 微小尺寸的检测通常用于对微隙、细丝或小孔的尺 寸进行检测。例如，在游丝轧制的精密机械加工中，要 求对游丝的厚度进行精密的在线检测和控制。而游丝的 厚度通常只有10～20 μm。 对微小尺寸的检测一般采用激光衍射的方法。当激 光照射细丝或小孔时，会产生衍射图像，用阵列光电器 件对衍射图像进行接收，测出暗纹的间距，即可计算出 细丝或小孔的尺寸。
3
第9章 光电式传感器的影响 (b)栅极电压小于阈值电压 (c)栅极电压大于阈值电压
4
第9章 光电式传感器
表面势ǾS 与反型层的电荷浓度QINV、栅极电压UG 有关， ǾS与QINV之间存在反比例线性关系，由于氧化物 与半导体的交界面处的势能最低，可以形象地说，半导 体表面形成了对电子的“势阱”。电子被加有栅极电压 的MOS结构吸引过去，没有反型层时，势阱的深度和UG 成正比例关系，如图9-2-2(a)的情况；当反型层电荷填 充势阱时，表面势收缩，如图9-2-2(b)所示；随着反型 层电荷浓度的继续增加，势阱被填充更多，此时表面不 再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象，如图92-2(c)所示。
图9-2-5
线列CCD图像器件
13
第9章 光电式传感器
1)光敏区 N个光敏单元排成一列。如图 9-2-6所示，光敏单元为MOS电容结 构(目前普遍采用P-N结构)。透明 的低阻多晶硅薄条作为N个MOS电容 (即光敏单元)的共同电极，称为光 栅φp。MOS电容的低电极为半导体 P型单晶硅，在硅表面，相邻两光 敏单元之间用沟阻隔开，以保证N 个MOS电容互相独立。 器件其余部分的栅极也为多晶 图9-2-6 MOS型光敏单元结构 硅栅，但为避免非光敏区“感光”， (a)剖视图 (b)顶视图 除光栅外，器件的所有栅区均以铝 层覆盖，以实现光屏蔽。 14
19
第9章 光电式传感器
帧传输(FT)的结构如图9-2-8(b)所示，它由感光区、 暂存区、输出寄存器组成。工作时，在感光区光积分结 束后，先将信号电荷从感光区迅速转移到暂存区，暂存 区表面具有不透光的覆盖层。然后再从暂存区一行一行 地将信号电荷通过输出寄存器转移到输出端。这种结构 的时钟要求比较简单，它对“拖影”问题比行传输虽有 所改善，但同样是存在的。