第6章 光电式传感器

第6章光电式传感器6.1光源16.2光电效应和光电器件6.3光固态CCD图像传感器32概述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。◆由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。6-1光源•光源是光电式传感器的一个重要组成部分，正确合理地选择光源是成功设计光电传感器的前提和保证。•光电传感器中所用的光源可简单地分为自然光源和人造光源两类。•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称为热辐射光源。物体升温越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。6-1光源•1．白炽灯•白炽灯是一种典型的可见光谱热辐射光源。钨丝密封在玻璃泡内，泡内充以惰性气体或者保持真空，依靠电能将钨丝加热到白炽状态而发光。•2．卤钨灯•卤钨灯是一种特殊的白炽灯，灯泡用石英玻璃或硬质玻璃制作，能够耐3500K的高温，灯泡内充以卤族元素，通常是碘。6-1光源•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称为气体放电光源。•三、电致发光光源——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，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光6-1光源•器件，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。发光二极管原理图6-1光源•四、激光光源•激光的英文是Laser，它是“光受激辐射放大”(lightamplificationbystimulatedemissionofradiation)的缩写。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)。6-1光源•(一)固体激光器•固体激光器的典型实例就是红宝石激光器，它是人类发明的第一种激光器，诞生于1960年。红宝石激光器的工作介质是掺0.5％铬的氧化铝(即红宝石)，激光器采用强光灯作泵浦，红宝石吸收其中的蓝光和绿光，形成粒子数反转，受激发出深红色的激光(波长约694nm)。6-1光源•(二)气体激光器•可用来做气体激光器的介质很多，与固体激光介质相比，气体介质的密度低很多，因而单位体积能够实现的离子反转数目也低得多，为了弥补气体密度低的不足，气体激光器的体积一般都比较大。•(三)半导体激光器•半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器，也称半导体激光二极管(LD)。6-1光源•(四)液体激光器•染料激光器是液体激光器中最普遍采用的激光器，它以染料作为工作物质。液体激光器多用光泵激励，有时也用另一个激光器作激励源。6-2光电效应和光电器件•6.2.1光电效应•由光的粒子学说可知，光可以认为是由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的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，光电效应可氛围两大类：即外光电效应和内光电效应。6-2光电效应和光电器件•1、外光电效应•外光电效应是指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍增管均属这一类。它们的光电发射极，即光电极就是用具有这种特性的材料制造的。•（1）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。这意味着每一种物体都有一个对应的光频率值，称为极限频率。6-2光电效应和光电器件•2、在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光子数目越多，逸出的电子数目也就越多。•3、光电子逸出物体表面具有初始动能。因此，光电管即使没加阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止电压与入射光的频率成正比。6-2光电效应和光电器件•2、内光电效应•内光电效应是指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象，光敏电阻即属此类。•3、光生伏特效应•光生伏特效应利用光势垒效应形成的，光势垒效应指在光的照射下，物体内部产生一定方向的电动势。•6-2光电效应和光电器件6-2光电效应和光电器件•6.2.2光电器件及特征•1．光电管和光电倍增管•（1）光电管。根据外光电效应制成的光电管类型很多，最典型的是真空光电管。图2.32是光电管结构示意图和连接电路。它由一个阴极K和一个阳极A组成，阴极K表面涂有光电材料，和阳极A共同封装在一个真空玻璃泡内。6-2光电效应和光电器件6-2光电效应和光电器件•（2）光电倍增管。当入射光很微弱时，光电管产生的电流很小，只有零点几微安，不易被检测，误差也大。为了提高灵敏度，常用光电倍增管对光电流进行放大。在光电管的阴极和阳极之间安装若干个倍增极VD1，VD2，…，VDn，就构成了光电倍增管。6-2光电效应和光电器件6-2光电效应和光电器件•图6.2-4是采用光电倍增管组成的路灯光电控制器的电路。白天，当光电管VT1的光电阴极受到较强的光照时，光电管产生的光电流会使场效应管VT2栅极上的正电压增高，漏源电流增大，这时运算放大器IC的反相输入端的电压约为+2.1V，所以运算放大器输出为负电压，VD7截止，VT3也处于截止状态，继电器K不工作，其触点K1为常开状态，因此路灯不亮。到了傍晚时分，环境光逐渐减弱，光电管VT1的电流也减小，光电管6-2光电效应和光电器件•VT1的电流也减小，使得场效应管VT2栅极电压和源极电流随之减小，这时运算放大器IC反相输入端上的电压为负电压，其输出端输出+13V的电压，因此VD7导通，VT3也随之饱和导通，继电器K工作，其常开触点K1闭合，路灯被点亮。到第二天清晨，由于光照的增强，电路则再自动转换为关闭状态。6-2光电效应和光电器件•2．光敏器件•光敏器件是能将光照的变化转换成电信号的元件，它们都是用半导体材料制成的，属于半导体传感器。光敏器件的种类很多，常见的光敏器件有：光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管（光敏晶体管）、光控晶闸管、光敏开关管等。•（1）光敏电阻。光敏电阻是一种用光电导材料制成的没有极性的光电元件，也称光导管。它是基于半导体光电导效应工作的。常见的光敏电阻由硫化镉（CdS）材料制成。6-2光电效应和光电器件（1）光敏电阻。光敏电阻是一种用光电导材料制成的没有极性的光电元件，也称光导管。它是基于半导体光电导效应工作的。常见的光敏电阻由硫化镉（CdS）材料制成。6-2光电效应和光电器件•（2）光敏二极管和光敏•三极管。光敏二极管的结•构与一般的二极管相似，•大多数的半导体二极管和•三极管都对光敏感，所以•常规的二极管和三极管都•用金属壳或其他壳体密封•起来，以防光照射，影响•其性能。6-2光电效应和光电器件•光敏开关管的典型应用电路6-2光电效应和光电器件3、光电池◆光电池是在光线照射下，直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。图6-19为光电池的工作原理图。图6-19光电池工作原理6-2光电效应和光电器件1．基本特性（1）光谱特性◆光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。图6-20为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知，不同材料的光电池，光图6-20光电池的光谱特性谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.4~1.2μm，而硒光电池的范围只能为0.38~0.75μm。可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。6-2光电效应和光电器件（2）光照特性◆光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。图6-21为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。图6-21硅光电池的光照特性6-2光电效应和光电器件（3）温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。光电池的温度特性如图6-22所示。图6-22硅光电池的温度特性6-2光电效应和光电器件（4）频率特性◆光电池的频率特性就是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系，如图6-23所示。从曲线可以看出，硅光电池有很高的频率响应，可用在高速计数、有声电影等方面。这就是硅光电池在所以光电元件中最为突出的优点。图6-23光电池的频率特性6-2光电效应和光电器件2．应用电路◆光电池转换电路如图6-24所示，能将光的照度转换为电压形式输出，本电路所使用的光电池，其外型是由四个相同的光电池串联而成，其开路电压约为2V，短路电流约为0.08μA／lx。图6-24光电池转换电路6-2光电效应和光电器件◆由光电池特性得知，光电池的开路电压Vop与入射光强度的对数成正比，成非线性关系，而短路电流Ish却是与照度成正比，所以一般转换电路大都采用短路电流做转换，而不采用开路电压。图6-24的U1为一个电流-电压转换电路，可将光电池的短路电流转换成电压。因运算放大器有虚接地的特性，且光电池接在运算放大器的正负两端相当于光电池短路。又因运算放大器的输入电流几乎为零，所以全部的Ish流到R6与R7，使U1的输出电压V1=Ish(R6+R7)。所以可调整R7的大小，使得输出电压为1mV／lx，这种调整方式，称为扩展率调整(Spanadjust)。6-2光电效应和光电器件◆若现场含有AC110V，60Hz的交流成分存在。由R8(10K)，C1(10μF)所组成的低通滤波器，可将120Hz的交流成分滤除，使得转换电路的输出电压为平均照度的电压信号。而U2为一电压跟随器（AV≈1），作为缓冲器。6-2光电效应和光电器件4、光电耦合器件◆光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。6-2光电效应和光电器件（1）光电耦合器◆光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。耦合器常见的组合形式如图6-25所示。图6-25光电耦合器组合形式6-2光电效应和光电器件（2）光电开关◆光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。图6-26光电开关的结构6-2光电效应和光电器件◆图（a）是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样起到检测作用。图（b）是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与TTL、MOS等电路容易结合。6-2光电效应和光电器件◆用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高-低”（1-0）之分即可。图6-27是基本电路的示例。（a）、（b）表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况，（c）表示用晶体管放大光电流的情况。图6-27光电开关的基本电路◆光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。6-3光固态CCD图像传感器6.3.1电荷耦合器件◆电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，简称CCD）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，基本功能是进行电荷的存储和电荷的转移。C