第第5 5章章 光电传感器光电传感器光电传感器主要由发光元件、光学系统、光电接收元件和测量电路组成。光电接受元件主要有光敏电阻、光电池、光敏晶体管、固态成像器件、光栅、光导纤维等。光电传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等优点，故广泛用于各种自动检 测系统中。光电传感器是利用光电效应将光信号转换为电信号的装置，使用它测量非电量时，需要将这些非 电量的变化转换成光信号的变化。5.1 光电效应 自然界的一切物体在环境温度高于0K以上时 都会产生光波辐射，光是波长约在1000.01m之 间的电磁辐射，其光谱见图。 紫 蓝 绿 黄 橙 红380nm780nm光也可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子 (称为光子)所构成h为普朗克常数；v光的频率( s-1)。 光子能量每个光子具有的能量正比于光的频率；光照射某一物体，就可以看作这物体受到一连串 具有一定能量的光子所轰击，而光电效应就是由于 这物体吸收到光子能量为的光后产生的电效应；光线照射到物体后产生的光电效应分为两类，即 外光电效应和内光电效应。爱因斯坦光电效应方程： 式中第一项是电子逸出物体表面所需的功；第二 项是逸出物体表面的电子所具有的动能。 1电子能否逸出物体表面取决于光子具有的能 量hv是否大于A0，而 hv只与光的频率v 有关，否则 光强再大也不会产生光电发射。2如果产生了光电发射，在入射光频谱不变的 情况下，逸出的电子与光强成正比。光强愈强意味 着入射的光子数目愈多，受轰击逸出物体表面的电 子数目愈多。 5.1.1 外光电效应5.1.2 内光电效应（光电导效应、光生伏特效应 ）1光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态 过渡到自由状态而使物体电阻率改变的现象称光电导 效应。2光生伏特效应（结光电效应、侧向光电效应 ）（1）结光电效应。 在光激发 下多数载 流子浓度 变化不大 ，而少数 载流子浓 度变化很 大，主要 研究少数 载流子的 运动。（2）侧向光电效应 当光照射半导体光电器件的灵敏面时，光照部分 吸收光子能量便产生自由电子-空穴对，这部分的 载流子浓度比未被光照部分的载流子浓度大，就 产生了浓度梯度，由光照部分和未被光照部分的 载流子浓度梯度产生的电动势，称为侧向光电效 应。 5.2 光电元件5.2.1 光敏电阻工作原理是光电导效应，图为光敏电阻的结构图。 图示符号1光敏电阻的主要参数和基本特性（1） 暗电阻与亮电阻（2） 伏安特性 （3） 光照特性 光强（4） 光谱特性（5） 频率特性和响应时间 （6） 光谱温度特性硫化铅光敏电阻 简单测量电路薄P层PN结N层工作原理是光生伏特效应，其结构如图。 引出电极5.2.2 光电池 图示符号太阳能电池板1电池的基本特性 （1）光照特性 （2）光谱特性 （3）光电池的频率特性（4）光电池的温度特性T(）PNPNN5.2.3 光敏晶体管1光敏二极管和光敏三极管的结构与工作原理光敏晶体管2光敏晶体管的基本特性 （1）光敏晶体管的光谱特性（2）光敏晶体管的伏安特性（3）光敏晶体管的光照特性 负载增大（4）光敏晶体管的温度特性光敏管的温度特性曲线 （5）光敏晶体管的时间常数时间常数：锗210-4 s，硅10-5s左右。 5.2.4 CCD固体图象传感器四种：电荷耦合器件（CCD阵列）；光电二极管阵列（SSPD阵列）；电荷耦合光电二极管（CCPD阵列）；电荷注入器件（CID阵列）。CCD元件CCD的构成，从上到下 分别是微型透镜、滤光 片和CCD传感器1.1=1, 2=3=0 1下形成“势阱”2.1=0.5, 2=1，3=0 1 2下均为“势阱” ，2深3.1=0, 2=1，3=0 只有2是“势阱”，形成 一次转移继续上述操作直到全部转移完成CCD电荷耦合器件的工作原理 SSPD光电二极管阵列像元结构图与场效 应管相似 ，只是其 氧化层部 分裸露， 光子打在 光敏二极 管上。预充电放电（积分）充电（信号输出）放 电（积分） 充电（信号输出） 5.3 光电传感器应用实例5.3.1 光电传感器使用的光源类型1）钨丝灯卤素灯节能灯2）弧光灯3）发光二极管 （LED）4）激光光源各式各样的光电传感器5.3.2 应用实例 光电开关1）直接反射式； 2）反射板式；3）会聚式； 4）对射式；5）光纤透射式； 6）光纤反射式案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。光电鼠标对射式检测可以直接使用在 危险环境中调制传感器原理图光重叠区域表示接受 传感器的最小距离反射型棱镜反射锥型有效光束就像高速公路上的警示牌， 由丙烯酸塑料压制而成定区域检测利用光线的短 距离聚焦检测在区域内的 可以反射到接受 元件上，在区域 外的被忽略。色标检测红色的LED只能看到 蓝色和绿色。同理， 绿色的LED只能看到 红色和蓝色，蓝色的 LED 只能看到红色和 绿色。可见白色光适 用于许多场合。用于种子包装袋的 计数测量光电传感器安装在与卷取车台共同移动的位置上，经电 机丝杠或液压缸驱动修正，使所卷之材料相对传感器或探头 不偏不倚，使所收之卷整齐。 光电传感器固定，而且接 近于放料车台之位置，经电机 丝杠或液压缸驱动修正放料调 整棍，使所卷之材料相对传感 器或探头不偏不倚的行走。光电传感器安 装在输出面边缘。 执行机构控制工作 平台沿物料输入平 面作平面扭转。用于精确地检测 塑料外包装的光 电传感器 可应用于安全 地识别刀具的 断钻。可以识别清玻 璃，并对玻璃 瓶进行计数。应用为检 测和定位 件数光电按钮包装行业运用 医药行业运用 视觉传感器在药品包装应用中， 视觉传感器辨别包装 瓶上是否缺少标签 经过训练，知道如何 监视横向和纵向位置 的传感器辨别出的误 贴标签 视觉传感器校验 告诉传送带是否 在传送正确的部 件 由背光视觉传感器 找到的泡罩包装中 的破损药片 软件将把每个 被检小键盘的 图像与存储图 样进行对比， 以获得一个百 分比匹配值。视觉系统则能 够检测流水线 上的比萨，确 保其外观、大 小和形状符合 标准。 红外热像仪在电力检测中的应用“威盛 中国芯”的UMD UMD( Ultra Mobile Devices)是可以将 电脑、手机、PDA、GPS导航、 MP4/MP4、摄像及PSP等功能，融合到 一个轻巧便携的盒子里的革命性产品。 红外测温成像 工作和待机状态的散热情况（西安化工厂）14-16油开关内部触头接触不良热像图 红外线的卫星云图， 主要是显示地球不同 地区的温度。要是地 面被高高的云所覆盖 ，由于高空较冷的关 系，红外线所显示的 温度便较低。反之， 若果地面上没有云或 为低云所遮盖，红外 线所显示的温度便较 高。利用计算机技术 ，便可将这些红外线 的卫星云图转化为不 同颜色及不同亮度的 云图。因此不论白画 与黑夜皆可拍摄得到 云图。 一九九九年九月十六日台风约克于清 晨趋近香港时，中心的风眼清晰可见 。 可视门铃