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1、,光电式传感器的定义与类别,光电式传感器(或称光敏传感器)是利用光电器件把光信号转换成电信号(电压、电流、电阻等)的装置。按工作原理分类,应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。利用辐射的红外光(热)照射材料引起材料电学性质变化或产生热电动势原理制成的一类器件。结构上分为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光电转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器，一类是用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS金属氧化物半导体图像传感器。它利用发光管（LED）或激光管（
2、LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信号。,光电效应传感器,概述,光电式传感器的类别,光电式传感器基本形式,红外热释电探测器,固体图像传感器,光纤传感器,前言,概述,光电式传感器的类别,光电式传感器基本形式,光电式传感器的特点及用途,概述,光电式传感器的类别,光电式传感器基本形式,光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量等特点。可以直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、速度、加速度等。其发展速度快、应用范围广，具有很大的
3、应用潜力。,光电式传感器的基本形式,概述,光电式传感器的类别,光电式传感器基本形式,由光路及电路两大部分组成，有四种基本形式光路部分实现被测信号对光量的控制和调制电路部分完成从光信号到电信号的转换,透射式,反射式,辐射式,开关式,光电式传感器的基本形式,概述,光电式传感器的类别,光电式传感器基本形式,由光路及电路两大部分组成，有四种基本形式光路部分实现被测信号对光量的控制和调制电路部分完成从光信号到电信号的转换,透射式,反射式,光电式传感器的基本形式,概述,光电式传感器的类别,光电式传感器基本形式,由光路及电路两大部分组成，有四种基本形式光路部分实现被测信号对光量的控制和调制电路部分完成从光信
4、号到电信号的转换,辐射式,开关式,光电效应与光电器件,基本概念,外光电效应型光电器件,光电效应与光电器件,光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为： 光电效应方程 ：,根据光电效应方程，当光照射在某些物体上时，光能量作用于被测物体而释放出电子，即物体吸收具有一定能量的光子后所产生的电效应，这就是光电效应。光电效应中所释放出的电子叫光电子，能产生光电效应的材料称作光电材料。光电效应一般分为外光电效应和内光电效应。根据光电效应可以制作出相应的光电转换元件，简称光电器件或光敏器件，它是构成光电式传感器的主要部件。,内光电效应型光电器件,外光电效应及光电器件,基本概念,外光电效应型光电器件,光电效
5、应与光电器件,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。即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。,光电倍增管,光电管,内光电效应型光电器件,伏安特性,光照特性,光谱特性,光电管,基本概念,外光电效应型光电器件,光电效应与光电器件,光电管种类很多，它是个装有光阴极和阳极的真空玻璃管 ，结构如图所示。有真空和充气两种。,真空光电管：光电子形成电流，一般为线性。充气光电管：光电子电离
6、气体产生电子及正离子，光电子与电子、正离子共同形成电流，不成比例。,内光电效应型光电器件,光电倍增管,基本概念,外光电效应型光电器件,光电效应与光电器件,在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，尚装有多个光电倍增极。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。设每级的培增率为，若有n级，则光电倍增管的光电流倍增率将为n。使用时一般在暗室中，另注意暗电流。,内光电效应型光电器件,内光电效应及光电器件,基本概念,外光电效应型光电器件,光电效应与光电器件,内光电效应型光电器件,内光电
7、效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种,光电导效应：在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。如光敏电阻光生伏特效应：在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池。,光敏电阻,基本概念,外光电效应型光电器件,光电效应与光电器件,内光电效应型光电器件,光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻梳状电极； (c) 光敏电阻接线图,主要
8、参数暗电阻：未受光照时的阻值，一般为M欧级。亮电阻：受光照时的阻值，一般为K欧级。光电流：亮电流与暗电流的差值。,光敏电阻,(photo resistors),光敏电阻,基本概念,外光电效应型光电器件,光电效应与光电器件,内光电效应型光电器件,火灾探测,光电池,基本概念,外光电效应型光电器件,光电效应与光电器件,内光电效应型光电器件,光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。即电源。 工作原理：基于“光生伏特效应”。光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时， 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从
9、表面向内迅速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。,光敏管(光敏二极管),基本概念,外光电效应型光电器件,光电效应与光电器件,内光电效应型光电器件,光敏二极管,(photodiode),光敏二极管的结构与一般二极管相似、 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子使PN结产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光照度越大光电流越大。光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。,光敏管(光敏三极管),基本概念,外光电效应型光电器
10、件,光电效应与光电器件,内光电效应型光电器件,光敏三极管,(photo transistors),光敏晶体管与一般晶体管很相似，只是它的基极做得很大，以扩大光的照射面积。 大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。,光敏管(应用),基本概念,外光电效应型光电器件,光电效应与光电器件,内光电效应型光电器件,路灯自动控制器,光电式数字
11、转速表,光耦合器,基本概念,外光电效应型光电器件,光电效应与光电器件,内光电效应型光电器件,燃气灶高压打火确认电路,通过光路将发光元件和光敏三极管耦合起来，实现了电路的隔离,总结,基本概念,外光电效应型光电器件,光电效应与光电器件,内光电效应型光电器件,电荷耦合器件CCD,基本概念,CCD固体图像传感器,电荷耦合器件（Charge Couple Device, 缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。它以电荷为信号， 具有光电信号转换、 存储、 转移并读出信号电荷的功能。1970年美国贝尔实验室提出，目前广泛用于数码相机、摄像机等。,CCD工作原理,CCD固体图像
12、传感器应用,CCD固体图像传感器分类,CCD的MOS光敏元结构,基本概念,CCD固体图像传感器,CCD工作原理,CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。 它以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、 输出结构就构成了CCD器件。,P型 MOS光敏元,CCD固体图像传感器应用,CCD固体图像传感器分类,电荷存储,基本概念,CCD固体图像传感器,CCD工作原理,构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其它电容器一样，
13、MOS电容器能够存储电荷。如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区， 也称表面势阱。对带负电的电子来说， 耗尽区是个势能很低的区域。在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。 如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电子被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。,CCD固体图像传感器应用,CCD固体图像传
14、感器分类,电荷转移,基本概念,CCD固体图像传感器,CCD工作原理,三相CCD时钟电压与电荷转移的关系(a) 三相时钟脉冲波形；(b) 电荷转移过程,电子转移示意图,CCD固体图像传感器应用,CCD固体图像传感器分类,电荷注入及输出,基本概念,CCD固体图像传感器,CCD工作原理,（a） 背面光注入； （b） 电注入,电荷注入,CCD输出端结构,CCD固体图像传感器应用,CCD固体图像传感器分类,线阵型CCD图像传感器,基本概念,CCD固体图像传感器,CCD工作原理,CCD固体图像传感器分类,CCD固体图像传感器应用,面阵型CCD图像传感器,基本概念,CCD固体图像传感器,CCD工作原理,CC
15、D固体图像传感器分类,CCD固体图像传感器应用,尺寸检测,基本概念,CCD固体图像传感器,CCD工作原理,CCD固体图像传感器分类,CCD固体图像传感器应用,微小尺寸检测,轮廓尺寸检测,机器视觉或视觉伺服,基本概念,CCD固体图像传感器,CCD工作原理,CCD固体图像传感器分类,CCD固体图像传感器应用,光电式编码器,基本概念,光电式编码器,编码器是将机械转动的位移（模拟量）转换成数字式电信号的传感器。编码器在角位移测量方面应用广泛，具有高精度、高分辨率、高可靠性的特点。光电式编码器从结构上可分为:码盘式和脉冲盘式两种。,码盘式编码器,光电式编码器的应用,脉冲盘式编码器,结构,基本概念,光电式
16、编码器,码盘式编码器,码盘式编码器又叫绝对编码器，主要由安装在旋转轴上的编码圆盘(码盘)、 窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。,光电式编码器的应用,脉冲盘式编码器,结构,基本概念,光电式编码器,码盘式编码器,码盘上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分(亮区和暗区)。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，亮区透过的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。,光电式编码器的应用,脉冲盘式编码器,编码：110110,编码：000110,编码,基本概念,光电式编码器,码盘式编码器,采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。 这主要是因为二进制码当某一较高的数码改变时， 所有比它低的各位数码均需同时改变。如：0111变到1000由于制作的误差会出现很多种情况：高位还没变时低位全变：0000高位变了低位全没变：1111 还有其他很多情况：0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 10 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1,
