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1、第一章第一章 传感器及其应用传感器及其应用 光传感器光传感器光传感器课件一一 光电效应光电效应外光电效应外光电效应: 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管内光电效应内光电效应: 在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等属于这类光电器件。阻挡层光电效应阻挡层光电效应(光生伏特效应光生伏特效应): 在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等光传感器课件光光电电器器件件光电管光电管光电倍增管光电倍增管光敏电阻光敏电阻光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管光电池光电池二二 光电器件光电器件光传感器课件1 光电管光电管真空光电管：真空光
2、电管：当阴极受到适当波长的光线照射时便当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。光传感器课件真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高。所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少是灵敏度高。所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体。其灵敏度随电压变化的稳定性、量的惰性气体。其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真
3、空光电管差。频率特性等都比真空光电管差。 光传感器课件2 光电倍增管光电倍增管 在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：光电倍增管：放大光电流放大光电流组成：组成：光电阴极光电阴极+若干倍增极若干倍增极+阳极阳极 光传感器课件光电倍增管的结构光电倍增管的结构 与工作原理与工作原理l光电阴极光电倍增极阳极光电阴极光电倍增极阳极l倍增极上涂有倍增极上涂有Sb-Cs或或Ag-Mg等光敏材料，并且电等光敏材料，并且电位逐级升高。阴极发射的光电子以高速射到倍增位逐级升高。阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射。极上，引起二
4、次电子发射。l二次电子发射系数二次电子发射系数 = 二次发射电子数入射电二次发射电子数入射电子数。子数。l若倍增极有若倍增极有n，则倍增率为，则倍增率为n 。光传感器课件光敏电阻光敏电阻是一种应用广泛的半导体是一种应用广泛的半导体(硫硫化镉化镉CdS、硒化镉、硒化镉CdSe等）光电元件，等）光电元件，其物理基础是光电导效应（内光电效应）其物理基础是光电导效应（内光电效应），即在光的照射下，半导体电导率发生，即在光的照射下，半导体电导率发生变化的现象。变化的现象。3 光敏电阻光敏电阻光传感器课件（1） 光敏电阻的工作原理及结构光敏电阻的工作原理及结构当无光照时，光敏电阻值当无光照时，光敏电阻值(
5、暗电阻暗电阻)很大，电路中电流很大，电路中电流很小很小 ；当有光照时，光敏电阻值；当有光照时，光敏电阻值(亮电阻亮电阻)急剧减少，急剧减少，电流迅速增加。电流迅速增加。光传感器课件光敏电阻的结构光敏电阻的结构 1.玻璃玻璃 2.光电导层光电导层 3.电极电极 4.绝缘衬底绝缘衬底 5.金属壳金属壳 6.黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃 7.引线引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。光传感器课件半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光
6、照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。而且体积小、重量轻、性能稳定。而且体积小、重量轻、性能稳定。 梳梳状状电电极极 光传感器课件（2） 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数a. 暗电阻和暗电流暗电阻和暗电流 光光敏敏电电阻阻在在室室温温条条件件下下，在在全全暗暗后后经经过过一一定定时时间间测测量量的的电电阻阻值值，称称为为暗暗电电阻阻。此此时时流流过过的的电电流流，称为暗电流。称为暗电流。 b. 亮电阻亮电阻
7、光光敏敏电电阻阻在在某某一一光光照照下下的的阻阻值值，称称为为该该光光照照下下的的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 c. 光电流光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。亮电流与暗电流之差，称为光电流。光传感器课件（3）光谱特性）光谱特性 l光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的。同的。 光传感器课件l由于光敏自动控制中，如电阻光照特性的突变由于光敏自动控制中，如电阻光照特性的突变性，一般可作为开关元件用于摄影所需的曝光性，一般可作为开关元件用于摄影所需的曝光表电路中。表电路中。（4） 光敏电阻的应用光敏电阻的应用光传感器课件
8、 光敏电阻的应用举例光敏电阻的应用举例 烟雾报警器电路烟雾报警器电路光传感器课件工作原理：工作原理：l正常情况下灯泡亮，光线充足，光敏电阻LDR阻值较小，T1截止，T2截止，T3截止，扬声器不发声；l烟雾浓度较高时，光线较暗，光敏电阻LDR阻值变大，T1导通，T2导通，T3导通，扬声器发声报警。光传感器课件（1）光敏二极管）光敏二极管l结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态反向工作状态的，无光照时，因二极管反向电阻很大，光电流很小，一旦有光照，因二极管PN结被激发产生电子空穴对，反向电阻很小，光电流明显增大。4 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 光传
9、感器课件 光敏二极管根据其适应光波长范围的不同，可分光敏二极管根据其适应光波长范围的不同，可分为为敏感紫外光的光敏二极管敏感紫外光的光敏二极管、敏感可见光的光敏二敏感可见光的光敏二极管极管和和敏感近红外光的光敏二极管敏感近红外光的光敏二极管，被广泛用于医，被广泛用于医疗器械紫外线监测仪、比色计、分光光度计、光通疗器械紫外线监测仪、比色计、分光光度计、光通信、光电开关和红外检测装置中。信、光电开关和红外检测装置中。 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。 光传感器课件（2）光敏晶
10、体管）光敏晶体管 ：NPN和和PNP两种两种l与一般晶体管很相似，具有两个PN结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。 比光敏二极管更灵敏。光传感器课件 光敏三极管具有光敏三极管具有比光敏二极管更高的比光敏二极管更高的灵敏度，被广泛用于灵敏度，被广泛用于光继电器、烟雾探测光继电器、烟雾探测器和照相机电子快门器和照相机电子快门中。中。 光传感器课件（3）伏安特性）伏安特性硅硅光光敏敏管管的的伏伏安安特特性性 光传感器课件（4）光谱特性）光谱特性l入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。 硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 光传感器课件 （5）光照特性）
11、光照特性 硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好光敏二极管的光照特性曲线的线性较好 光传感器课件 光敏二极管的应用举例光敏二极管的应用举例简易光控开关简易光控开关光传感器课件工作原理：工作原理：lVD1为光敏二极管，无光照射时， VD1呈现大阻值，VT1截止，电路不工作。l开灯原理：开灯原理：用一手电筒（或其它光源）短暂照射VD1， VD1阻值减小，VT1导通，VD2、VT3导通，继电器K1闭合：一方面，常开触点K1-2闭合，Xs插座通电，灯亮；另一方面，常开触点K1-1闭合，VD2截止，且光源撤离后使 VT1截止。VT3保持导通，使K1保持吸合，电路稳定。l
12、关灯原理关灯原理：用手电筒用（或其它光源）长时照射VD1， VD1阻值减小，VT1导通，VD2由于K1-1闭合保持截止，电源通过R2向C1充电，VT2基极电位升高，过一段时间后VT2导通，使VT3截止，继电器K1断开，常开触点K1-2打开，Xs插座断电，灯灭。光传感器课件 光敏三极管的应用举例光敏三极管的应用举例 自动报警自动报警“防盗犬防盗犬”电电路路光传感器课件工作原理：工作原理：lVT1采用3DU5型光电三极管。l平时在环境光线照射下呈低阻状态，VT2基极通过R2接正电位而导通，IC1语音集成电路得不到正触发脉冲不工作。l当VT1被物体遮挡时，产生一负脉冲电压，通过C1耦合到VT2基极使
13、VT2截止，IC1获得一正触发脉冲而工作，输出音频信号，此信号通过VT3放大后，推动扬声器BL发出警报声。光传感器课件5 光电池光电池l直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的面积的PN结。当光照射到结。当光照射到PN结上时，便在结上时，便在PN结的两端产生电动势结的两端产生电动势(P区为正，区为正，N区为负区为负) 。l用用导导线线将将PN结结两两端端用用导导线线连连接接起起来来，就就有有电电流流流流过过，电电流流的的方方向向由由P区区流流经经外外电电路路至至N区区。若若将电路断开，就可以测出光生电动势。将电路断开，就可以测出光生电动势。l有有光
14、光线线作作用用下下实实质质上上就就是是电电源源，电电路路中中有有了了这这种器件就不再需要外加电源。种器件就不再需要外加电源。 光传感器课件 （1）光谱特性）光谱特性l光电池对不同波长的光，灵敏度不同。 光传感器课件（2）光照特性）光照特性 l不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。 短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用。光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用。 光传感器课件 光电池的应用举例光电池的应用举例感光
15、防盗报警器感光防盗报警器 硅光电池硅光电池光传感器课件三三 光耦合器件（复合型）光耦合器件（复合型）l光耦合器件是由发光与受光器件组成光耦合器件是由发光与受光器件组成,输入端与输入端与输出端在电气上是绝缘的，只能由光来传递信号输出端在电气上是绝缘的，只能由光来传递信号。通常将发光元件与受光元件同时密封于一个管壳通常将发光元件与受光元件同时密封于一个管壳内形成，根据其光路外露与否有内形成，根据其光路外露与否有光耦合器光耦合器和和光断光断续器续器之分。之分。l光电耦合器和光断续器所用的发光、受光器件都光电耦合器和光断续器所用的发光、受光器件都相似。相似。光电耦合器主要用于电路的隔离，光断续光电耦合
16、器主要用于电路的隔离，光断续器主要是用来测试目标物体的有无。器主要是用来测试目标物体的有无。光传感器课件1 发光二极管发光二极管外加电压通过电外加电压通过电阻获得电流使发阻获得电流使发光二极管发光，光二极管发光，一般要求电流一般要求电流IF10mA。光传感器课件电源接通指示电路电源接通指示电路电源接通指示电路电源接通指示电路脉冲调制式发光脉冲调制式发光脉冲调制式发光脉冲调制式发光二极管驱动电路二极管驱动电路二极管驱动电路二极管驱动电路电源下降电源下降电源下降电源下降报警指示电路报警指示电路报警指示电路报警指示电路TTLTTL门驱动门驱动门驱动门驱动LEDLED发光电路发光电路发光电路发光电路光
17、传感器课件2 光耦合器：光耦合器：无光路外露无光路外露 输入输出完全隔离输入输出完全隔离l以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。由发光源和受光器两部分组成。把发光源和件。由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。绝缘体隔离。光敏三极管型光敏三极管型光耦合器光耦合器 光传感器课件l在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光（光的强度取决于激励电流的大小），此光（光的强度取决于激励电流的大小），此光照射到封装在一起的受光器上
18、后，因光电效照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了这样就实现了电一光一电电一光一电的转换。的转换。l常见的常见的发光源为发光二极管发光源为发光二极管，受光器为光敏受光器为光敏二极管、光敏三极管二极管、光敏三极管等等。等等。光传感器课件注意偏置，保持线性！注意偏置，保持线性！光传感器课件l光电耦合器的种类较多，常见有光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型电达林顿型、集成电路型等。等。 l
19、由于无光路外露，输入输出之间又是完全隔离由于无光路外露，输入输出之间又是完全隔离（无公共地线），完全以光为媒介进行信息的传（无公共地线），完全以光为媒介进行信息的传递，因此递，因此具有良好的抗干扰性能具有良好的抗干扰性能，被广泛用于需被广泛用于需要实现电隔离的信息传输通路要实现电隔离的信息传输通路中，如：电话机的中，如：电话机的信号检出电路、心电图机的浮地输入电路、数字信号检出电路、心电图机的浮地输入电路、数字逻辑电路和光电开关电路。逻辑电路和光电开关电路。光传感器课件应应用用实实例例光传感器课件光传感器课件3 光断续器：光断续器：光路外露光路外露 被广泛用于光电转换控制、数控机床控制、红外报
20、警器、被广泛用于光电转换控制、数控机床控制、红外报警器、被广泛用于光电转换控制、数控机床控制、红外报警器、被广泛用于光电转换控制、数控机床控制、红外报警器、计算机终端设备和扫描、定位的自动控制系统中。计算机终端设备和扫描、定位的自动控制系统中。计算机终端设备和扫描、定位的自动控制系统中。计算机终端设备和扫描、定位的自动控制系统中。光传感器课件四四 发光体与受光体分离的发光体与受光体分离的 单一型光传感器形成光系统单一型光传感器形成光系统光传感器课件光传感器课件光传感器课件（1）CCD的基本结构及原理的基本结构及原理lCCD图像传感器是按一定规律排列的图像传感器是按一定规律排列的MOS电容器电容
21、器组成的阵列，其构造如图所示。组成的阵列，其构造如图所示。五五CCD（电荷耦合器件）（电荷耦合器件）摄像传感器及其应用摄像传感器及其应用光传感器课件l在在P型或型或N型衬底上生长一层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄型衬底上生长一层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的层上依序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。芯片。光传感器课件l电荷耦合器件（CCD）的重要应用是作为摄像器件，作为摄像器件，它将二维光学图像信号通过驱动电路转变成一维
22、的视将二维光学图像信号通过驱动电路转变成一维的视频信号输出频信号输出。当光学镜头将被摄物体成像在CCD的光敏面上，每一个光敏单元（MOS电容）的电子势阱就会收集根据光照强度而产生的光生电子，每个势阱中收集的电子数与光照强度成正比。在CCD电路时钟脉冲的作用下，势阱中的电荷信号会依次向相邻的单元转移，从而有序地完成载流子的运输输出，成为视频信号。l用图像采集卡将模拟的视频信号转换成数字信号，在计算机上实时显示，用实验软件对图像进行计算处理，就可获得被测物体的轮廓信息。光传感器课件（2） CCD图像传感器的应用图像传感器的应用lCCD图像传感器具有图像传感器具有高分辨率、高灵敏度、较宽的高分辨率、高灵敏度、较宽的动态范围动态范围，所以它可广泛用于自动控制和自动测量，所以它可广泛用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。尤其适用于图像识别技术。光传感器课件 l将线阵将线阵CCD图像传感器的自扫描输出特性和微处理图像传感器的自扫描输出特性和微处理器的信号处理能力结合起来可以实现器的信号处理能力结合起来可以实现文字及图形识文字及图形识别。别。 光传感器课件
