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光电式传感器

光电式传感器

光电效应和光电元件

光电器件的特性

光电耦合器件电荷耦合器件(CCD) 光电式传感器

光电式传感器

光电式传感器的概念

光电式传感器是以光电元件作为转化元件，可以将被测的非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成。

光电式传感器的物理基础是光电效应。

光电效应和光电元件

外光电效应

基于外光电效应的器件

内光电效应

基于内光电效应的器件

光电效应

外光电效应

入射光发生光电效应的波长限由下式确定：

c为光速，h为普朗克常数，A为物体的表面逸出功。

mAA

hc

239.10


光电管


光电倍增管

光电效应

内光电效应之一 (光电导效应)发生内光电效应的临界波长，由下

式确定：

为材料的禁带宽度，锗的为0.75eV，硅的为1.2eV。

nmE g

1239

0

gE

光电效应

内光电效应之二 (光生伏特效应)

势垒效应(结光电效应)

侧向光电效应


光敏电阻

光敏电阻工作原理光敏电阻外壳封装


光敏晶体管

光敏二极管光敏三极管

－＋P N N P N+ -


光电池与外电路连接方式

mA+ -

P N

(a)

V

+ -P N

(b)

(a)短路电流输出 (b)开路电压输出


光照特性常用响应率R来表征光电器件的光

照特性：

式中，为光生电流器件的电流响应率；为光生伏特器件的电压响应率；为光输入功率；和分别为光生电流器件的输出电流和光生伏特器件的输出电压。

i

p

P

IR 1

i

pv P

VR

1RvR

iP pI pV


光谱特性在入射光照度一定时，光电元件的

相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种材料只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光谱特性。

频率特性表征光电器件的动态性能，反映了

交变光照下器件的输出特性，用响应时间来表示。


伏安特性在一定的光照下，对光电器件所加

端电压与光电流之间的关系称为伏安特性。它是传感器设计时选择电参数的依据。使用时应注意不要超过器件最大允许的功耗。

温度特性光电器件随所处环境温度的变化，

其光电效应的外在表现会发生变化。


峰值探测率光探测器件的性能用峰值探测率

来表征：

式中，为电子电荷( ), 为暗电流(A)，为电流响应率(A／W)。

*D

NEPfA

fANEPD

/1*

I

D

RqI

NEP2

q C9106.1 DI

IR

光电耦合器件

概述

光电隔离器

光电开关

光电耦合器件

概述光电耦合器是利用发光元件与光敏

元件封装为一体而构成电－光－电转换的器件加到发光器件上的电信号为耦合器的输入，接收器的输出信号为耦合器的输出信号。

光电耦合器具有无机械触点、噪音低、执行动作快、体积小、寿命长的特点。

根据结构和用途的不同，光电耦合器分为光电隔离器和光电开关两大类。

光电隔离器

光电隔离器由发光二极管和光敏晶体管封装在同一个管壳内组成，在装配上要使LED辐射能量能有效的耦合到光敏晶体管上。

光电隔离器

光电隔离器的选用LED-光敏三极管形式常用于信号隔

离，频率在100kHz一下；LED－复合管或达林顿管的形式常用在低功率负载的直接驱动等场合；LED－光控晶闸管形式常用在大功率的隔离驱动场合。

无论何种组合形式，均要使发光元件与接受元件的工作波长相匹配，保证具备较高的灵敏度。

光电隔离器

光电隔离器的应用

将输入与输出端两部分的地线分隔开，并各自使用一套电源供电；

实现电平转换；

提高驱动能力。

光电开关

光电开关是通过把光的强度转变为电信号变化，并以此来实现控制的一种电子开关。对金属或非金属都能作出反应，无机械磨损，无电火花，是一种安全、可靠、长寿命、无触点的开关。

光电开关以其结构和工作方式的不同，可分为沟式、对射式、反光板反射式、扩散反射式、聚焦式、光纤式等类型。

光电开关

光电式光电开关工作示意图一发收

发被检测物体

收

(a)

反光板

反光板(b)

(a)对射式光电开关 (b)反光板反射式光电开关

光电开关

光电式光电开关工作示意图二

发、收

发、收

扩散式光电开关

光电开关

光电式光电开关工作示意图三

聚焦点

(a)

(b)

(a)聚焦式光电开关 (b)光纤式光电开关

光纤

收、发

收、发

电荷耦合器件(CCD)

概述 CCD器件的特点

MOS光敏元

读出移位寄存器 CCD传感器及应用

电荷耦合器件(CCD)

概述电荷耦合器件(Charge-Coupled

Devices，简称CCD)是一种在七十年代初问世的新型半导体器件。利用CCD作为转换器件的传感器，称为CCD传感器，或CCD图像传感器。

CCD器件的特点

CCD器件的特点是在半导体硅片上制有成百上千个(甚至数百万个)按线阵或面阵有规则排列的光敏元，当物体通过物镜成像于半导体硅平面上时，这些光敏元就产生与其光强成正比的光生电荷；

具有自扫描能力，即光敏元上产生的光生电荷依次具有规则的串行输出，输出的幅值与对应的光敏元上的电荷量成正比。

MOS光敏元

CCD器件是在MOS电容器基础理论上发展起来的。在P型硅上生长一层具有介质作用的二氧化硅，在二氧化硅上又淀积一层金属电极，于是就形成了一个金属-氧化物-半导体电容器，也就是MOS电容。由于是P型硅，所以其中主要的导电粒子是带正电的空穴。

MOS光敏元

MOS光敏元结构及其势阱

读出移位寄存器

读出移位过程实质上是电荷转移的过程。在半导体的底部上覆盖一层遮光层，以防外来光干扰。由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元(即传输单元)，在这三个电极上分别施加了脉冲波，电荷传输过程如下图。

读出移位寄存器

读出移位寄存器结构与电荷转移的关系

(a) (b)

(a)势阱耦合与电荷转移 (b)控制时钟波形图

CCD传感器

利用电荷耦合技术组成的图像传感器称为电荷耦合图像传感器。它由成排的感光元件与电荷耦合移位寄存器等构成。电荷耦合图像传感器通常可分为线型传感器和面型传感器。

CCD传感器

线阵型CCD图像传感器

单行结构图

CCD传感器

线阵型CCD图像传感器

双行结构图

CCD传感器

CCD光谱特性

CCD传感器

面阵型CCD图像传感器一

CCD传感器

面阵型CCD图像传感器二

CCD传感器

面阵型CCD图像传感器三

CCD传感器的应用

组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。

用作光学信息处理装置的输入环节，例如传真技术。光学文字识别技术(OCR)与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等。

作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车及自动监视装置等。


尺寸测量基本原理


工件伤痕及表面污垢检测


形状检测


细丝类物件的在线检测

光电式传感器

光电式传感器的工作原理

光电式传感器的优点

光电式传感器的分类

模拟光电传感器

开关式光电传感器

光电式传感器的工作原理

光电式传感器的测量原理图

光学通路

光源

光电传感元件

光量电量

测量/显示被测量

光电式传感器的特点

光电式传感器具有结构简单、隔离性能好、可靠性高、体积小、重量轻、价格低廉、灵敏度高和反应快等优点。在自动化、检测技术领域应用广泛。

光电式传感器的分类

光电式传感器

按输出量性质

模拟式光电传感器



模拟式光电传感器的输出量为连续变化的光电流，为了保证检测的有效性测量精度，要求光电元件的光照特性呈单直线值，光源的光照要求保持均匀稳定。


模拟式光电传感器的工作方式一光电元件探测被测量物发出的光辐

射，属被动式测量方式，被测量物本身是光辐射源。

光照度计、光电高温计、火报警器、红外探测与遥感等。


模拟式光电传感器工作方式二在光电元件和恒定光源之间设置被

测物，根据被测物对光的遮挡程度，通过光通量的大小来测定被参数。

常用于几何测量，如测量孔径、缝宽、直径等。


模拟式光电传感器工作方式三在恒定光源与光电元件之间设置被

测物，通过测定被测物对光的吸收程度以及对光谱线的选择性来测量被测参量。

常用于气体、液体成分分析或透明度、混沌度测量以及测量某种物质含量。


模拟式光电传感器工作方式四

利用恒定光源发出的光投射到被测物体上，并用光电元件测量反射光的光通量，进而测定被测物表面特征或状态等。

如测量机械参量中的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移、表面白度、露点、湿度等。

模拟式光电传感器应用举例

光电比色高温计


透射式光电传感器


反射法检测粗糙度、裂纹


反射法测量尺寸或位置


该类传感器的输出信号对应于光电信号“有”、“无”受到光照两种状态，即输出特性是断续变化的开关信号。这类传感器要求光电元件灵敏度高，而对元件的光照特性要求不高。

在自动计数、光控开关、光电编码器、光电报警装置及其它光电输入设备场合有广泛的应用。

开关式光电传感器应用举例

光电式数字转速表

开关式光电传感器应用举例

光电转速计

光电式传感器实例

定向反射式光电传感器


E3X-ZA光电传感器


光电式烟雾传感器


西门子3RG7 BERO 光电式传感器

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