第7章光电式传感器

《第7章光电式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第7章光电式传感器（128页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器1传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术q主要内容： q7.1 光电效应q7.2 光电器件 v光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电晶体管、光光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电晶体管、光电池、其他光电器件、电荷耦合器电池、其他光电器件、电荷耦合器q7.3 光纤传感器q7.4 光栅式传感器 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器2传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术概述概述概述概述 光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这

2、种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器件种类很多，如： 光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器、 光纤等等。 在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器3传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术概述概述 指纹锁指纹锁门禁门禁光光电电鼠鼠标标第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器4传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术概述概述 料料位位自自动动控控制制光电开关第第第第7 7章章章章

3、 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器5传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术概述概述 光栅光栅光纤光纤光电管光电管光敏电阻光敏电阻第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器6传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.17.1 光光电电效效应应 传统的光敏器件利用各种光电效应，传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为：光电效应可分为： 外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器

4、7传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.17.1 光光电电效效应应 7.1.17.1.17.1.17.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 (1)(1)外光电效应外光电效应 红限频率红限频率在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。光电效应。光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光子具有的能量是：光子具有的能量是： 普朗克常数普朗克常数6.62610-34(J.s)光的频率（光的频率（Hz），波长短，频率高，能量），波长短，频率高，能量大 第第第第7 7章章章章

5、 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器8传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.17.1 光光电电效效应应 7.1.17.1.17.1.17.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 如果光子的能量如果光子的能量E E大于电子的逸出功大于电子的逸出功A A，超出的，超出的能量表现在电子逸出的功能，电子逸出物体表面，能量表现在电子逸出的功能，电子逸出物体表面，产生光电子发射。产生光电子发射。 能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。于物体表面的电子逸出功。 由能量守恒定律有：由能量守恒定律有

6、：第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器9传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术u光电导效应：光电导效应： 入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。 这种效应几乎所有高电阻这种效应几乎所有高电阻 率半导体都有，为使电子从率半导体都有，为使电子从 价带激发到导带，入射光子价带激发到导带，入射光子 的能量的能量E E0 0应大于禁带宽度应大于禁带宽度EgEg。 基于光电导效应的光电器件基于光电导效应的光电器件 有光敏电阻。有光敏电阻。7.17.1 光光电电效效应应7.1.17.1.17.

7、1.17.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 (2)(2)内光电效应内光电效应 临界波长临界波长第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器10传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.17.1 光光电电效效应应7.1.17.1.17.1.17.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 (2)(2)内光电效应内光电效应u光生伏特效应：光生伏特效应： 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PNPN结上产生电动势的效应。结上产生电动势的效应。 为什么为什么PNPN结会因光照产生光生伏特效应呢？结会因

8、光照产生光生伏特效应呢？ 有下面两种情况：有下面两种情况： 不加偏压的不加偏压的不加偏压的不加偏压的PNPNPNPN结结结结 处于反偏的处于反偏的处于反偏的处于反偏的PNPNPNPN结结结结第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器11传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 不加偏压的不加偏压的PNPN结结 当光照射在当光照射在PNPN结时，如果电子能量大于半导体禁带结时，如果电子能量大于半导体禁带 宽度（宽度（E0 E0 EgEg）, ,可激发出电子可激发出电子空穴对，在空穴对，在 PNPN结内电场作用下空穴移向结内电场作用下空穴移向P

9、 P区，而电子移向区，而电子移向N N区，区， 使使P P区和区和N N区之间产生电压，区之间产生电压， 这个电压就是光生电动势这个电压就是光生电动势. . 基于这种效应的器件有基于这种效应的器件有 光电池光电池7.17.1 光光电电效效应应7.1.17.1.17.1.17.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 (2)(2)内光电效应内光电效应第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器12传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 处于反偏的处于反偏的PNPN结：结： 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；无光照时，反向电阻很大，反向电流

10、很小； 有光照时，光子能量足够大产生光生电子有光照时，光子能量足够大产生光生电子空穴对，空穴对， 在在PNPN结电场作用下，形成光电流，结电场作用下，形成光电流， 电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。 具有这种性能的器件有：具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管光敏二极管、光敏晶体管. .7.17.1 光光电电效效应应7.1.17.1.17.1.17.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 (2)(2)内光电效应内光电效应第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器13传感器与检测技术传感器与检测技术传感

11、器与检测技术传感器与检测技术7.27.2 光光电电器件器件 （1 1）光电管）光电管 当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E E大于电子的逸出功大于电子的逸出功A A（E EA A），会有电子逸出产生），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，电子发射。电子被带有正电的阳极吸引， 在光电管内形成电子流，在光电管内形成电子流， 电流在回路电阻电流在回路电阻R R上产生上产生 正比于电流大小的压降。正比于电流大小的压降。 因此因此 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器14传感器与检测技术传感器与检测技术传感

12、器与检测技术传感器与检测技术7.27.2 光光电电器件器件 （1 1）光电管）光电管第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器15传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.27.2 光光电电器件器件 （1 1）光电管）光电管第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器16传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.27.2 光光电电器件器件 （2 2）光电倍增管）光电倍增管 光照很弱时，光电管产生光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如

13、核常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元是光电倍增管做光电转换元件。件。 光电倍增管是利用二光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放子，将光电流在管内进行放大。大。第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器17传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件（2 2）光电倍增管）光电倍增管第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器18

14、传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极（倍增极（1010个左右），在阳极和阴极之间加有几个左右），在阳极和阴极之间加有几百上千伏的高压，每个倍增极间有百上千伏的高压，每个倍增极间有100100200V200V高压，电流增益在高压，电流增益在10105 5数量极。数量极。 倍增极外加电压倍增极外加电压U Ud d与增益与增益G G的关系近似为：的关系近似为： 式中：式中：K K 常数常数 N N 光电倍增管倍增极数光电倍增管倍增极数 7.27.2 光光电电器件器件（2 2）光电倍增管）光

15、电倍增管第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器19传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术上式可见，外加电压上式可见，外加电压UdUd的变化引起光电倍增管增的变化引起光电倍增管增益的变化，因此对供给光电倍增管的工作电源电益的变化，因此对供给光电倍增管的工作电源电压要求较高，必须有极好的稳定性。压要求较高，必须有极好的稳定性。 另外，为减少光电倍增管受温度影响，在核探另外，为减少光电倍增管受温度影响，在核探测技术中测技术中“稳谱稳谱”是一个重要内容，与光电倍增是一个重要内容，与光电倍增管的指标、参数密切相关。管的指标、参数密切相关。 7.

16、27.2 光光电电器件器件（2 2）光电倍增管）光电倍增管增益变化为：增益变化为：第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器20传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.27.2 光光电电器件器件（2 2）光电倍增管）光电倍增管光电倍增管测量电路光电倍增管测量电路 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器21传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构光敏电阻的工作原理是基于光电导效应

17、，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。 光敏电阻结构及符号光敏电阻结构及符号 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器22传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器器（3 3）光敏电阻）光敏电阻第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器23传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光敏电阻光照特性光敏电阻光照特性 无

18、光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值； 有光照时，电阻值随光强增加而降低；有光照时，电阻值随光强增加而降低； 光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。 光敏电阻主要参数光敏电阻主要参数暗电阻暗电阻无光照时的电阻；无光照时的电阻；暗电流暗电流无光照时的电流；无光照时的电流；亮电阻、亮电流亮电阻、亮电流受光照时的阻值、电流；受光照时的阻值、电流； 光电流光电流亮电流与暗电流之差称亮电流亮电流与暗电流之差称亮电流。7.27.2 光光电电器件器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻第第第第7 7章章章

19、章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器24传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 伏安特性伏安特性 给定偏压给定偏压 光照越大光电流越大；光照越大光电流越大； 给定光照度给定光照度 电压越大光电流越大；电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和，曲线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。但受最大功耗限制。 7.27.2 光光电电器件器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻基本特性基本特性光敏电阻伏安特性光敏电阻伏安特性第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器25传感器与检测技术传感器与检测技术传

20、感器与检测技术传感器与检测技术 光谱特性光谱特性 光敏电阻灵敏度与入射波长有关光敏电阻灵敏度与入射波长有关; ; 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关， 材料与相对灵敏度峰位波长材料与相对灵敏度峰位波长 例图：例图： 硫化镉（硫化镉（CdSCdS）0.30.30.8(m) 0.8(m) 硫化铅（硫化铅（PbSPbS）1.01.03.5(m) 3.5(m) 锑化铟（锑化铟（InSbInSb）1.01.07.3(m)7.3(m) 7.27.2 光光电电器件器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻基本特性基本特性第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传

21、感器光电式传感器26传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻基本特性基本特性光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器27传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻基本特性基本特性 温度特性温度特性温度变化影响温度变化影响光敏电阻的灵敏度、光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。暗电流和光谱响应。 光敏电阻温度特性光敏电阻温度特性第第第第7 7章章章章 光电式传感器

22、光电式传感器光电式传感器光电式传感器28传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 （3 3）光敏电阻）光敏电阻应用应用光敏电阻开关电路光敏电阻开关电路第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器29传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 (4) (4) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。 特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度

23、高、 可靠性高可靠性高; ; 广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。自动报警、自动计数等领域和装置。 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器30传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 (4) (4) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管光敏二极管 光敏二极管结构与一光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都般二极管相似，它们都有一个有一个PNPN结，并且都结，并且都是单向导电的非线性元是单向导电的非线性元件

24、。为了提高转换效率件。为了提高转换效率大面积受光，大面积受光，PNPN结面积结面积比一般二极管大。比一般二极管大。硅光敏二极管结构硅光敏二极管结构 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器31传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术工作原理：工作原理： 光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态， 无光照时，反向电阻很大，无光照时，反向电阻很大， 反向电流很小；反向电流很小； 有光照时，有光照时，PNPN结处产生光生结处产生光生 电子空穴对；电子空穴对； 在电场作用下形成光电流，在电场作用下形成光电流，

25、 光照越强光电流越大；光照越强光电流越大； 光电流方向与反向电流一致。光电流方向与反向电流一致。 7.27.2 光光电电器件器件 (4) (4) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管基本电路光敏二极管基本电路 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器32传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术v 基本特性：基本特性： 光照特性，光照特性， 图是硅光敏二极管在小图是硅光敏二极管在小 负载电阻下的光照特性。负载电阻下的光照特性。 光电流与照度成线性关系。光电流与照度成线性关系。 光敏二极管光照特性光敏二极管光照特性 7.2

26、7.2 光光电电器件器件 (4) (4) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器33传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光谱特性，光谱特性， 当入射波长当入射波长900nm900nm时，响应下降，因波长长，时，响应下降，因波长长， 光子能量小于禁带宽度，不产生电子光子能量小于禁带宽度，不产生电子空穴对；空穴对； 当入射波长当入射波长900nm900nm时，响应也逐渐下降，波长短时，响应也逐渐下降，波长短 的光穿透深度小，使光电流减小。的光穿透深度小，使光电流减小。 7.27.2 光光电电

27、器件器件 (4) (4) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 硅光敏二极管光谱响应硅光敏二极管光谱响应 光敏晶极管光谱响应光敏晶极管光谱响应 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器34传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光敏二极管伏光敏二极管伏安特性安特性 伏安特性伏安特性 当反向偏压较低时，光电当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，光生随反向偏压的加大，光生电流趋于饱和，这时光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。只取决于光

28、照强度。 7.27.2 光光电电器件器件 (4) (4) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器35传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术由于反向饱和电流与温度由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很管的暗电流对温度变化很敏感。敏感。 7.27.2 光光电电器件器件 (4) (4) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管暗电流与温度关系光敏二极管暗电流与温度关系 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光

29、电式传感器36传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光敏管的频率响应是指光敏管输光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。图光敏二极管频率等因素有关。图光敏二极管频率响应曲线说明调制频率高于响应曲线说明调制频率高于1000Hz1000Hz时，硅光敏晶体管灵敏度时，硅光敏晶体管灵敏度急剧下降。急剧下降。光敏二极管频率响应曲线 7.27.2 光光电电器件器件 (4) (4) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极

30、管和光敏三极管 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器37传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 与普通晶体管不同的是，与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极光敏晶体管是将基极集电极集电极结作为光敏二极管，集电结做结作为光敏二极管，集电结做受光结，另外发射极的尺寸做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。的很大，以扩大光照面积。 大多数光敏晶体管的基极大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到封装上有个小孔，让光照射到基区。基区。 7.27.2 光光电电器件器件 (

31、4) (4) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管光敏三极管光敏晶极管结构光敏晶极管结构 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器38传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 硅（硅（SiSi）光敏晶体极管一般都是）光敏晶体极管一般都是NPNNPN结构，光照射结构，光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极之间的电压升高，这样，

32、发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。在负载电阻流增益。在负载电阻RLRL上的上的输出电压为：输出电压为： 7.27.2 光光电电器件器件 (4) (4) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管光敏三极管晶体管电流放大系数晶体管电流放大系数 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器39传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线 如图所示如图所示 7.27.2 光光电电

33、器件器件 (4) (4) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管等效电路光敏晶体管等效电路 光敏晶体管伏安特性光敏晶体管伏安特性第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器40传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光敏晶体管的光谱特性光敏晶体管的光谱特性 硅材料的光敏管峰值波长在硅材料的光敏管峰值波长在0.9m0.9m附近（可见光）附近（可见光） 灵敏度最大；灵敏度最大； 可见光或探测赤热状可见光或探测赤热状 物体时一般都用硅管物体时一般都用硅管 锗管的峰值波长约为锗管的峰值波长约为 1.5m1.5m（红外光）（红外光） 对

34、红外进行探测时用对红外进行探测时用 锗管较适宜。锗管较适宜。 7.27.2 光光电电器件器件 (4) (4) 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管光敏三极管光敏晶体管光谱特性 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器41传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自

35、动控制等。 光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。电池、砷化镓、氧化铜等等。 7.27.2 光光电电器件器件 (5) (5) 光电池（有源器件）光电池（有源器件）光光 电电 池池 符符 号号第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器42传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 (5) (5) 光电池（有源器件）光电池（有源器件）太阳能手机充电器太阳能手机充电器太阳能供 LED电警示太阳能电池第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器

36、光电式传感器光电式传感器43传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 结构：光电池实质是一个大面积结构：光电池实质是一个大面积PNPN结，上电极为栅结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。状受光电极，下电极是一层衬底铝。 原理：当光照射原理：当光照射PNPN结的一个面时，电子结的一个面时，电子空穴对空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生的电动势。一般可产生0.2V0.2V0.6V0.6V电压电压50mA50mA电流。电流。 7.27.2 光光电电器件器件 (5) (5) 光电池（有源器

37、件）光电池（有源器件）光电池结构光电池结构光电池工作原理图光电池工作原理图第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器44传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光照特性光照特性 开路电压，光生电动势与照度之间关系称开开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度性关系，在照度2000lx2000lx下趋于饱和。下趋于饱和。 短路电流，短路电流与照度之间关系称短路短路电流，短路电流与照度之间关系称短路电流曲线曲线，短路电流是指外接负载电流曲线曲线，短路电流是指外

38、接负载RLRL相相对内阻很小时的光电流。对内阻很小时的光电流。7.27.2 光光电电器件器件 (5)(5)光电池（有源器件）光电池（有源器件）第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器45传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光电池光照特性光电池光照特性光电池光照与负载的关系光电池光照与负载的关系 光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源使用，而作为电流源的形式应用。使用，而作为电流源的形式应用。 7.27.2 光光电电器件器件(5)(5)光电池（有源器件）光电池（有源器件）第第第第7 7章章章章

39、光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器46传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光谱特性光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏光电池对不同波长的光灵敏度不同，度不同， 硅光电池的光谱响应峰值在硅光电池的光谱响应峰值在0.8m0.8m附近，波长范围附近，波长范围0.40.41.2m1.2m。硅光电池可在很宽的。硅光电池可在很宽的波长范围内应用。波长范围内应用。 硒光电池光谱响应峰值在硒光电池光谱响应峰值在0.5m0.5m附近附近, , 波波 长范围长范围0.380.380.75m0.75m。 7.27.2 光光电电器件器件 (5) (5) 光电池（有源器件）光电池

40、（有源器件）第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器47传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光光电池电池谱特性谱特性 7.27.2 光光电电器件器件 (5) (5) 光电池（有源器件）光电池（有源器件）第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器48传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术频率特性频率特性 频率特性指光电池相对频率特性指光电池相对 输出电流与光的调制频输出电流与光的调制频 率之间关系。率之间关系。 硅、硒光电池的频率特硅、硒光电池的频率特 性不同，硅光电池频率性不同，

41、硅光电池频率 响应较好硒光电池较差。响应较好硒光电池较差。 所以高速计数器的转换所以高速计数器的转换 一般采用硅光电池作为一般采用硅光电池作为 传感器元件。传感器元件。 7.27.2 光光电电器件器件 (5) (5) 光电池（有源器件）光电池（有源器件）硅、硒光电池的频率特性硅、硒光电池的频率特性第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器49传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 (5) (5) 光电池（有源器件）光电池（有源器件）温度特性温度特性第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器

42、光电式传感器50传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术v电路连接电路连接 光电池作为控制元件时通常接非线性负载，光电池作为控制元件时通常接非线性负载，控制晶体管工作。控制晶体管工作。 光电池作为电源使用时，根据使用要求进行光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接。连接。 需要高电压时应将光电池串联使用；需要高电压时应将光电池串联使用； 需要大电流时应将光电池并联使用。需要大电流时应将光电池并联使用。 7.27.2 光光电电器件器件 (5) (5) 光电池（有源器件）光电池（有源器件）第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器51传感器与

43、检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 硅管的发射结导通电压为硅管的发射结导通电压为0.6V0.6V0.7V0.7V，光电池的，光电池的 0.5V0.5V电压起不到控制作用，可将两个光电池串联电压起不到控制作用，可将两个光电池串联 后接入基极，或用偏压电阻产生附加电压。后接入基极，或用偏压电阻产生附加电压。 有光照度变化时，引起基极电流有光照度变化时，引起基极电流IbIb变化，集电极变化，集电极 电流发生电流发生倍的变化。电流倍的变化。电流IcIc与光照近似线性关系。与光照近似线性关系。光电池电路连接光电池电路连接第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光

44、电式传感器52传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术PINPIN型硅光电二极管，高速光电二极管，响应时间达型硅光电二极管，高速光电二极管，响应时间达1nS1nS，适，适用于遥控装置。用于遥控装置。 雪崩式光电二极管，具有高速响应和放大功能，高电流增益，雪崩式光电二极管，具有高速响应和放大功能，高电流增益，可有效读取微弱光线，用于可有效读取微弱光线，用于0.8m0.8m范围的光纤通信、光磁盘受范围的光纤通信、光磁盘受光元件装置。光元件装置。光电闸流晶体管（光激可控硅），由入射光线触发导通的可光电闸流晶体管（光激可控硅），由入射光线触发导通的可控硅元件。控硅元件。达林顿光

45、电三极管（光电复合晶体管），输入是光电三极管，达林顿光电三极管（光电复合晶体管），输入是光电三极管，输出是普通晶体管，增益大，输出是普通晶体管，增益大，I=IgI1I2 I=IgI1I2 。 光敏场效应晶体管，具有灵敏度高、线性动态范围大、光谱光敏场效应晶体管，具有灵敏度高、线性动态范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗低、响应范围宽、输出阻抗低、体积小等优点。广泛用于对微弱信体积小等优点。广泛用于对微弱信号和紫外光的检测。号和紫外光的检测。 半导体色敏传感器，可直接测量从可见光到红外波段的单色半导体色敏传感器，可直接测量从可见光到红外波段的单色辐射波长。辐射波长。 7.27.2 光光电电器件器件

46、(6) (6) 其他光电管其他光电管第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器53传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术又称光电隔离器又称光电隔离器 “光耦光耦”器件由发光元件和接收光敏元件（光敏电器件由发光元件和接收光敏元件（光敏电 阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光 管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用 下控制输出电流大小。通过电下控制输出电流大小。通过电光、光光、光电，电， 两次转换进行输入输出耦合。两次转换进行输入输出耦合。 7.27

47、.2 光光电电器件器件 (6) (6) 其他光电管其他光电管 光电耦合器件光电耦合器件第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器54传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 “ “光耦光耦”集成器件的特点：输入输出完全隔离，集成器件的特点：输入输出完全隔离，有独立的输入输出抗，器件有很强的抗干扰能有独立的输入输出抗，器件有很强的抗干扰能力和隔离性能可避免振动、噪声干扰。力和隔离性能可避免振动、噪声干扰。 特别适宜做数字电路特别适宜做数字电路 开关信号传输、逻辑开关信号传输、逻辑 电路隔离器、计算机电路隔离器、计算机 测量、控制系统中做测量、

48、控制系统中做 无触点开关等。无触点开关等。 7.27.2 光光电电器件器件 (6) (6) 其他光电管其他光电管第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器55传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 (6) (6) 其他光电管其他光电管光电耦合器用于光电耦合器用于天然气点火器电路天然气点火器电路第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器56传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术透射式，当不透明物质位透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接于中间时会阻

49、断光路，接受器产生相应的电信号。受器产生相应的电信号。 反射式，光电开关的发射反射式，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平与接受器件光轴在同一平面上，以某一角度相交，面上，以某一角度相交，交点处为待测点，当有物交点处为待测点，当有物体经过待测点时，接受元体经过待测点时，接受元件接收到物体表面反射的件接收到物体表面反射的光线。光线。 7.27.2 光光电电器件器件 (6) (6) 其他光电管其他光电管 光电开关光电开关光电开关结构与外形光电开关结构与外形第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器57传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7

50、.27.2 光光电电器件器件 (7) (7) 光电器件的测量方法光电器件的测量方法 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器58传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 (7) (7) 光电器件的测量方法光电器件的测量方法 电梯平层用光电开关电梯平层用光电开关第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器59传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 (7) (7) 光电器件的测量方法光电器件的测量方法 透射式透射式反射式反射式

51、第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器60传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术电荷耦合器件，又称电荷耦合器件，又称CCDCCD图象传感器，是一种大图象传感器，是一种大 规模集成电路光电器件电荷耦合器件。具有光电转规模集成电路光电器件电荷耦合器件。具有光电转 换，信息存储、延时、传输、处理等功能。换，信息存储、延时、传输、处理等功能。 特点：集成度高、尺寸小、电压低（特点：集成度高、尺寸小、电压低（DC7DC712V12V）、）、 功耗小。功耗小。 该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型

52、化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农 业、军用等各个领域。业、军用等各个领域。 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） ChargeCoupled DevicesChargeCoupled Devices第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器61传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件电荷耦合器件第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器6

53、2传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件电荷耦合器件基于基于CCDCCD光电耦器件的输入光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机机、平板扫描仪、指纹机第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器63传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 CCDCCD基本结构分两部分：基本结构分两部分： MOSMOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）半导体） 光敏元阵列；光敏元阵列； 读出移位寄存器。读出移位寄存器。 电荷耦合

54、器件是在半导体硅片上电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元，制作成百上千（万）个光敏元， 一个光敏元又称一个像素，在半一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。阵有规则地排列。 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） CCDCCD基本结构和工作原理基本结构和工作原理CCDCCD结构示意图结构示意图显微镜下的MOS元表面第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器64传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术v电荷

55、存储原理：电荷存储原理： 当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下 P P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言， 是一势能很低的区域，称是一势能很低的区域，称“势阱势阱”。有光线入射到硅。有光线入射到硅 片上时，光子作用下产生片上时，光子作用下产生 电子电子空穴对，空穴被电空穴对，空穴被电 场作用排斥出耗尽区，而场作用排斥出耗尽区，而 电子被附近势阱（俘获），电子被附近势阱（俘获）， 此时势阱内吸的光子数与此时势阱内吸的光子数与 光强度成正比。光强度成正比。 7.27.2 光光电电器件器件 （8

56、8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）一个一个MOSMOS光敏元结构光敏元结构第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器65传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） 一个一个MOSMOS结构元为结构元为MOSMOS光敏元或一个像素，把一个势光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；阱所收集的光生电子称为一个电荷包； CCDCCD器件内是在硅片上制作成百上千的器件内是在硅片上制作成百上千的MOSMOS元，每个元，每个

57、金金属电极加电压，就形成成百上千个势阱；属电极加电压，就形成成百上千个势阱； 这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。图象。第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器66传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）2651

58、801339066453322分辨率不同的图象比较第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器67传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术v 电荷转移原理（读出移位寄存器）电荷转移原理（读出移位寄存器） 光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，CCDCCD电荷电荷 耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。耦合器件是以电荷为信号而不是电压电流。 读出移位寄存器也是读出移位寄存器也是MOSMOS结构，由金属电极、氧化结构，由金属电极、氧化 物、半导体三部分组成。物、半导体三部分组成。 它与它与MOSMOS光敏元的区别

59、在于，半导体底部覆盖了一光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一 层遮光层，防止外来光线干扰。层遮光层，防止外来光线干扰。 由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元； 在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲 123123。 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器68传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术电荷转移原理（读出移位寄存器）电荷转移原理（读出移位寄存器） 7.27.2

60、光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）读出移位寄存器结构读出移位寄存器结构第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器69传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术当当t = t1t = t1时刻，时刻，11电极下出现势阱存入光电荷电极下出现势阱存入光电荷 当当t = t2t = t2时刻，两个势阱形成大的势阱存入光电荷。时刻，两个势阱形成大的势阱存入光电荷。 当当t = t3t = t3时刻，时刻，11中电荷全部转移至中电荷全部转移至22。 当当t = t4t = t4时刻，时刻，22中电荷向中电荷向3

61、3势阱转移。势阱转移。 当当t = t5t = t5时刻，时刻，33中电荷向下一个中电荷向下一个11势阱转移。势阱转移。 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）读出移位寄存器三相时钟脉冲读出移位寄存器三相时钟脉冲第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器70传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术v 电荷转移原理电荷转移原理 这一传输过程依次下去，信号电荷按设计好的这一传输过程依次下去，信号电荷按设计好的方向，在时钟脉冲控制下从寄存器的一端转移到方向，在时钟脉冲控制下从寄存器的一端转移到

62、另一端。另一端。这样一个传输过程，实际上是一个电荷耦合过这样一个传输过程，实际上是一个电荷耦合过程，所以称电荷耦合器件，担任电荷传输的单元程，所以称电荷耦合器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器。称移位寄存器。 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器71传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术uCCDCCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种出两种, ,以电压输出型为例：以电压输出型为例： 有浮

63、置扩散放大器（有浮置扩散放大器（FDAFDA）、浮置栅放大器（）、浮置栅放大器（FGAFGA） 由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管VT2VT2的栅的栅极电位：极电位：式中，式中，为为浮置扩散节点上的总电容。浮置扩散节点上的总电容。 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）电荷耦合器信号输出方式电荷耦合器信号输出方式第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器72传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术输出信号电压为输出信号电压为：式中，式中，为为MO

64、SMOS管管VT1VT1栅极与源极之间的跨导栅极与源极之间的跨导。 复位管复位管VT1VT1导通，导通，VT2VT2的沟道抽走浮置扩散区的剩余电荷，的沟道抽走浮置扩散区的剩余电荷，直到下一个时钟周期信号到来如此循环下去。直到下一个时钟周期信号到来如此循环下去。 单沟道单沟道 CCDCCD驱动驱动 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器73传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷

65、耦合器件（CCDCCD）电荷信息转移原理电荷信息转移原理第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器74传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术CCDCCD器件的物理性能可以用特性参数来描述器件的物理性能可以用特性参数来描述 内部参数描述的是内部参数描述的是CCDCCD存储和转移信号电荷有存储和转移信号电荷有关的特性关的特性, ,是器件理论设计的重要依据；是器件理论设计的重要依据； 外部参数描述的是与外部参数描述的是与CCDCCD应用有关的性能指标应用有关的性能指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损

66、失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率。率。 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） CCDCCD的特性参数的特性参数第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器75传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 CCDCCD器件分为线阵器件分为线阵CCDCCD和面阵和面阵CCDCCD，结构上有多，结构上有多种不同形式，如单沟道种不同形式，如单沟道CCDCCD、双沟道、双沟道CCDCCD、帧转移结、帧转移结构构CCDCCD、行间转移结构、行间转移结构

67、CCDCCD。 v 线阵线阵CCDCCD结构结构 线阵线阵CCDCCD传感器是由一列传感器是由一列MOSMOS光敏元和一列移位寄存光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅，制栅，10241024位线阵，由位线阵，由10241024个光敏元个光敏元10241024个读出移位个读出移位寄存器组成。读出移位寄存器的输出端寄存器组成。读出移位寄存器的输出端GaGa一位位输出一位位输出信息，这一过程是一个串行输出过程。信息，这一过程是一个串行输出过程。 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件

68、（CCDCCD） CCDCCD器件器件第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器76传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）单沟道单沟道CCDCCD结构结构电荷输出控制波形电荷输出控制波形第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器77传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）6464位线阵位线阵CCDCC

69、D结构结构第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器78传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术v面阵电荷耦合器面阵电荷耦合器 面型面型CCDCCD是把光敏元件排列成矩阵形式是把光敏元件排列成矩阵形式 传输读出结构有不同类型。传输读出结构有不同类型。 基本构成有：基本构成有： 帧转送方式（帧转送方式（Frame Transfer CCDFrame Transfer CCD） 行间转送方式（行间转送方式（Inter Line Transfer CCDInter Line Transfer CCD） 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8

70、 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器79传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术对不同型号的对不同型号的CCDCCD器件而言，其工作机理是相同器件而言，其工作机理是相同的。的。 不同型号的不同型号的CCDCCD器件具有完全不同的外型结构和器件具有完全不同的外型结构和驱动时序，在实际使用时必须加以注意。驱动时序，在实际使用时必须加以注意。 我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索我们可以通过器件供货商或直接向生产厂家索取相关资料，为取相关资料，为CCDCCD器件的应用提供技术支持。器件的应

71、用提供技术支持。 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） 典型的典型的CCDCCD器件器件第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器80传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） 典型的典型的CCDCCD器件器件CCD产品产品第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器81传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术CCDCCD传感器应用时是将不同光

72、源与透镜、镜头、光传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。 CCDCCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCDCCD被广泛用于再线检测尺寸、位移、速度、定位被广泛用于再线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。和自动调焦等方面。 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电

73、荷耦合器件（CCDCCD）CCDCCD传感器的应用传感器的应用 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器82传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术利用利用CCDCCD测量几何量，测量几何量，CCDCCD诞生后，首先在工业检诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在在CCDCCD光敏元上造成影像，光敏元上造成影像，CCDCCD输出的脉冲表征测输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷；量工件的尺寸或缺陷； 用于传真技术，文字、图象识别。例如用用于传真技术，文字、图象识别。例如用CCD

74、CCD识识别集别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机；装置、指纹机； 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）CCDCCD传感器的应用传感器的应用 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器83传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术CCDCCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫

75、描），代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描），与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小，且不需要高压压低、功耗小，且不需要高压; ; 作为机器人视觉系统；作为机器人视觉系统； M2AM2A摄影胶囊（摄影胶囊（Mouth anusMouth anus）, ,由发光二极管做由发光二极管做光源，光源，CCDCCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号发做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。进行下载。 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器

76、件（CCDCCD）CCDCCD传感器的应用传感器的应用 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器84传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） 实例实例1 1： 测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。玻玻璃璃管管C CC CD D视视频频信信号号第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电

77、式传感器光电式传感器光电式传感器85传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术测量原理测量原理: : 在荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测在荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测 量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生 产过程进行调整，以便提高产品质量。产过程进行调整，以便提高产品质量。 玻璃管的平均外径玻璃管的平均外径12mm,12mm,壁厚壁厚1.2mm,1.2mm,要求测量要求测量 精度为外径精度为外径0.1mm,0.1mm,壁厚壁厚0.05mm0.05mm。利用。利用CCDCCD配合配合 适当的光学系统，对

78、玻璃管相关尺寸进行实时监测，适当的光学系统，对玻璃管相关尺寸进行实时监测， 用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸影像投影用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸影像投影 在在CCDCCD光敏像元阵列面上。光敏像元阵列面上。 7.27.2 光光电电器件器件 （8 8 8 8）电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） 实例实例1 1：第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器86传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像 的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间的两条暗

79、带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间 亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的 壁厚像。壁厚像。 成像物镜的放大倍率为成像物镜的放大倍率为，CCDCCD相元尺寸为相元尺寸为t t， 上壁厚、下壁厚分别为上壁厚、下壁厚分别为n1n1、n2 n2 ，外径尺寸的脉冲，外径尺寸的脉冲 数（即像元个数）为数（即像元个数）为N N，测量结果有：测量结果有： d1,d2,D分别为上壁厚、分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。下壁厚，外径尺寸。 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器87传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术

80、传感器与检测技术线阵CCD进行工件尺寸测量实例实例2 2：第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器88传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术M2A胶囊 CCD在医疗诊断中的应用实例实例3 3：第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器89传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光导纤维光导纤维简称光纤简称光纤 光纤传感器是光纤传感器是2020世纪世纪7070年代中期发展起来的一年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，

81、光纤传感器得到进一步发展。与其它的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：传感器相比较，光纤传感器有如下特点： 不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火； 可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。 7.37.3 光光纤传纤传感器感器第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器90传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.37.3 光光纤传纤传感器感器（1 1）

82、光纤的结构和传输原理）光纤的结构和传输原理 光纤结构：光纤结构：基本采用石英玻璃，基本采用石英玻璃， 有不同掺杂，主要有不同掺杂，主要 由三部分组成由三部分组成 中心中心纤芯；纤芯； 外层外层包层；包层； 护套护套尼龙料。尼龙料。 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质， 纤芯折射率纤芯折射率N1N1略大于包层折射率略大于包层折射率N2N2（N1N1N2N2）。）。第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器91传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 光纤的传播基于光的全反射。当光线以不同角光纤的

83、传播基于光的全反射。当光线以不同角 度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤； v光线在光纤端面入射角光线在光纤端面入射角减小到某一角度减小到某一角度cc时，时，光线全部反射。光线全部反射。 v只要只要cc，光在纤芯和包层界面上经若干次全，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。反射向前传播，最后从另一端面射出。 7.37.3 光光纤传纤传感器感器（1 1）光纤的结构和传输原理）光纤的结构和传输原理 光纤的传光原理：光纤的传光原理：第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器92传感器与检测技

84、术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术为保证全反射，必须满足全反射条件（即为保证全反射，必须满足全反射条件（即cc） 实现全反射的临界入射角为：实现全反射的临界入射角为：空气中空气中v 可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（质（N1N1、N2N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。）决定的，与光纤的几何尺寸无关。第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器93传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.37.3 光光纤传纤传感器感器（2 2）光纤的性能（几个重要参数）光纤的性能（几个重

85、要参数） 数值孔径（数值孔径（NANA）临界入射角临界入射角cc的正弦函数定义为光纤的数值孔径的正弦函数定义为光纤的数值孔径. . 空气中：空气中：第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器94传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术NANA意义讨论：意义讨论： NANA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在大，只要在2c2c张角之内的入射光才能被光纤接收、张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。光。

86、一般一般NANA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但容易。但NANA越大光信号畸变越大，要选择适当。越大光信号畸变越大，要选择适当。 产品光纤不给出折射率产品光纤不给出折射率N N，只给数值孔径，只给数值孔径NANA，石英光，石英光纤的数值孔径一般为：纤的数值孔径一般为：NA=0.20.4第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器95传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。不

87、同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同，模式光波之间的干涉产生的强度分布也不同，模式值定义为：值定义为： 式中：式中：为纤芯半径为纤芯半径；为入射波长。为入射波长。 7.37.3 光光纤传纤传感器感器（2 2）光纤的性能（几个重要参数）光纤的性能（几个重要参数） 光纤模式（光纤模式（V V）第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器96传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光纤模式光纤模式第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器97传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检

88、测技术传感器与检测技术模式讨论：模式讨论： 模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。导致合成信号畸变。 模式值模式值V V小，就是小，就是值小，即纤芯直径小，只能值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。连

89、接困难。 除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。常用的普通光纤。 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器98传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲 处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗，用率减处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗，用率减 率率A A表示：表示： 在一根率减率为在一根率减率为10dB/Km10dB/

90、Km的光纤中，表示当光纤传输的光纤中，表示当光纤传输1Km1Km后，光强下降到入射时的后，光强下降到入射时的1/101/10。 7.37.3 光光纤传纤传感器感器（2 2）光纤的性能（几个重要参数）光纤的性能（几个重要参数） 传播损耗（传播损耗（A A）第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器99传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光纤目前可以测量光纤目前可以测量7070多种物理量，光纤的类多种物理量，光纤的类 型较多，大致可分为功能型和非功能型两类。型较多，大致可分为功能型和非功能型两类。 7.37.3 光光纤传纤传感器感器 (3)

91、 (3) 光纤传感器光纤传感器第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器100传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术FF FF （Function Function FibreFibre OptilOptil Sensor Sensor） 又称传感型又称传感型 这类传感器利用光纤这类传感器利用光纤 本身对外界被测对象具有本身对外界被测对象具有 敏感能力和检测功能，光敏感能力和检测功能，光 纤不仅起到传光作用，而纤不仅起到传光作用，而 且在被测对象作用下，如且在被测对象作用下，如 光强、相位、偏振态等光光强、相位、偏振态等光 学特性得到调制

92、，调制后学特性得到调制，调制后 的信号携带了被测信息。的信号携带了被测信息。 7.37.3 光光纤传纤传感器感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器 功能型功能型第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器101传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.37.3 光光纤传纤传感器感器(3) (3) 光纤传感器光纤传感器 马赫马赫泽德干涉仪泽德干涉仪分束器分束器1 1把激光器的把激光器的 输出光束分成两部分，输出光束分成两部分， 经上、下光路的传输后经上、下光路的传输后 又重新合路，使其在光又重新合路，使其在光 检测器处互相干涉。这检测器

93、处互相干涉。这 种干涉仪灵敏度，可精种干涉仪灵敏度，可精 确到确到10-13nm 10-13nm 。但实现。但实现 非常困难，限制在实验非常困难，限制在实验 室工作。室工作。第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器102传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术光纤干涉传感器，几公里光路对光纤是容易实现的。光纤干涉传感器，几公里光路对光纤是容易实现的。 在光源和检测器之间，干涉仪只含光纤元件，换在光源和检测器之间，干涉仪只含光纤元件，换能把被测量转换成光束的相位变化，利用集成和能把被测量转换成光束的相位变化，利用集成和光电技术可把所有元件装

94、入一个很小装置内与光光电技术可把所有元件装入一个很小装置内与光纤对接耦合。纤对接耦合。 光纤干涉传感器原理 各种光纤耦合器第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器103传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术马赫马赫泽德泽德光纤干涉仪原理光纤干涉仪原理第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器104传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术NFFNFF（Non-Function Non-Function FibreFibre OptilOptil Sensor Sensor） 称传光型称

95、传光型 传光型光纤传感器的传光型光纤传感器的 光纤只当作传播光的媒介，光纤只当作传播光的媒介， 待测对象的调制功能是由待测对象的调制功能是由 其它光电转换元件实现的，其它光电转换元件实现的， 光纤的状态是不连续的，光纤的状态是不连续的， 光纤只起传光作用。光纤只起传光作用。7.37.3 光光纤传纤传感器感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器 非功能型非功能型第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器105传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术利用半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。利用半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。 敏感

96、元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信 号。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透号。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透 过薄片的光强受温度的调制温度过薄片的光强受温度的调制温度T T升高，材料吸收光升高，材料吸收光 波长向长波移动，半导体薄片透过的光强度变化。波长向长波移动，半导体薄片透过的光强度变化。 7.37.3 光光纤传纤传感器感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器 光纤温度传感器光纤温度传感器第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器106传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检

97、测技术利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体 上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤 传送到光敏元件上。传送到光敏元件上。 被测物体与光纤间被测物体与光纤间 距离变化，反射到距离变化，反射到 接受光纤上，光通接受光纤上，光通 量发生变化。再通量发生变化。再通 过光电传感器检测过光电传感器检测 出距离的变化。出距离的变化。 7.37.3 光光纤传纤传感器感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器 反射式光纤位移传感器反射式光

98、纤位移传感器第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器107传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 7.37.3 光光纤传纤传感器感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器 反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器108传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术 反射式光纤位移传感器一般是将发射和接收光反射式光纤位移传感器一般是将发射和接收光纤捆绑组合在一起，组合的形式有不同，纤捆绑组合在一起，组合的形式有不同， 如：半分式、如：半分式、共轴式、

99、共轴式、混合式，混合式，v混合式灵敏度高，混合式灵敏度高，v半分式测量范围大。半分式测量范围大。7.37.3 光光纤传纤传感器感器(3) (3) 光纤传感器光纤传感器 反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器109传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术工作原理：工作原理： 由于光纤有一定的数值孔径，当光纤探头端紧贴由于光纤有一定的数值孔径，当光纤探头端紧贴 被测物体时，接收光敏元件无光电信号；被测物体时，接收光敏元件无光电信号； 被测物体逐渐远离光纤时被测物体逐渐远离光纤时 接收光纤照亮的区域接收

100、光纤照亮的区域B2B2越越 来越大来越大 ； 当整个接收光纤被照亮时，当整个接收光纤被照亮时， 输出曲线达到光峰值；输出曲线达到光峰值； 被测体继续远离时部分光被测体继续远离时部分光 线被反射光信号减弱，曲线被反射光信号减弱，曲 线下降。线下降。7.37.3 光光纤传纤传感器感器(3) (3) 光纤传感器光纤传感器 反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器110传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.37.3 光光纤传纤传感器感器(3) (3) 光纤传感器光纤传感器 反射式光纤位移传感器反射式光

101、纤位移传感器第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器111传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术讨论：讨论： 前坡区前坡区 输出信号的强度增加快，位移输出曲输出信号的强度增加快，位移输出曲 线有较好的线性关系，可进行小位移测量；线有较好的线性关系，可进行小位移测量； 后坡区后坡区 信号随探头和被测体之间的距离增加信号随探头和被测体之间的距离增加 而减弱，该区域可用于距离较远要求不高的测量；而减弱，该区域可用于距离较远要求不高的测量； 光峰区光峰区 输出信号输出信号 有最大值，值的大小有最大值，值的大小 决定被测表面的状态，决定被测表面的

102、状态， 可用于表面状态测量，可用于表面状态测量， 如工件的光洁度或光如工件的光洁度或光 滑度。滑度。7.37.3 光光纤传纤传感器感器(3) (3) 光纤传感器光纤传感器 反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器112传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.37.3 光光纤传纤传感器感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器113传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.37.3 光光纤传纤传感器感

103、器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器相位调制型光纤传感器测量压力或温度动画演示相位调制型光纤传感器测量压力或温度动画演示第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器114传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.37.3 光光纤传纤传感器感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器115传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.47.4 光光栅栅式式传传感器感器光栅式传感器的特点：光栅式传感器的特点： v精度高；精度高； v大量程测量兼有高分

104、辨率；大量程测量兼有高分辨率； v可实现动态测量；可实现动态测量； v具有较强的抗干扰能力。具有较强的抗干扰能力。第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器116传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.47.4 光光栅栅式式传传感器感器(1) (1) 计量光栅的种类计量光栅的种类光栅放大图光栅放大图 长光栅：用于长度或直线位移的测量，刻线相互平行；长光栅：用于长度或直线位移的测量，刻线相互平行； 圆光栅圆光栅 ：用来测量角度或角位移，在圆盘玻璃上刻线；：用来测量角度或角位移，在圆盘玻璃上刻线；第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传

105、感器光电式传感器光电式传感器117传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术计量光栅的分类计量光栅的分类 7.47.4 光光栅栅式式传传感器感器(1) (1) 计量光栅的种类计量光栅的种类第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器118传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.47.4 光光栅栅式式传传感器感器 (2) (2) 莫尔条纹莫尔条纹 一、形成莫尔条纹的光学原理一、形成莫尔条纹的光学原理 长光栅莫尔条纹的周期：长光栅莫尔条纹的周期： 1 1 标尺光栅标尺光栅 2 2 指示光栅指示光栅 两光栅的夹角两光栅的夹

106、角式中：式中：第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器119传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.47.4 光光栅栅式式传传感器感器 (2) (2) 莫尔条纹莫尔条纹 一、一、形成莫尔条纹的光学原理形成莫尔条纹的光学原理 莫尔条纹的重要特性：莫尔条纹的重要特性： v运动对应关系运动对应关系 v位移放大作用位移放大作用 v误差平均效应误差平均效应二、莫尔条纹的种类二、莫尔条纹的种类 v 长光栅的莫尔条纹长光栅的莫尔条纹 v 圆光栅的莫尔条纹圆光栅的莫尔条纹 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器120

107、传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.47.4 光光栅栅式式传传感器感器 (2) (2) 莫尔条纹莫尔条纹 长光栅横向莫尔条纹长光栅横向莫尔条纹第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器121传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.47.4 光光栅栅式式传传感器感器 (2) (2) 莫尔条纹莫尔条纹圆圆 光光 栅栅第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器122传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术一、透射式光栅传感器一、透射式光栅传感器 二、反射式光

108、栅传感器二、反射式光栅传感器 7.47.4 光光栅栅式式传传感器感器(3) (3) 光栅传感器光栅传感器 光栅传感器构成原理光栅传感器构成原理 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器123传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.47.4 光光栅栅式式传传感器感器 (3) (3) 光栅传感器光栅传感器相距相距B/4B/4放置四个光电元件放置四个光电元件 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器124传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.47.4 光光栅栅式式传传感器感器(3

109、) (3) 光栅传感器光栅传感器 辨向电路原理框图第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器125传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术辨 向 电 路 各 点 波 形 第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器126传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术四倍频细分电路原理框图第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器127传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术7.47.4 光光栅栅式式传传感器感器(3) (3) 光栅传感器光栅传感器 细分与末分比较第第第第7 7章章章章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器128传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术传感器与检测技术本章要点：本章要点：光电效应；光电效应； 光电器件与应用方法；光电器件与应用方法； 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）工作原理，）工作原理， 典型器件应用；典型器件应用； 光纤传感器传光与传感原理；光纤传感器传光与传感原理； 光栅式传感器。光栅式传感器。