《光電傳感器》課件

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1、5.1 常 用 光 電 器 件5.2 光 柵 傳 感 器5.3 固 態(tài) 圖 像 傳 感 器上 一 頁 下 一 頁返 回教 學(xué) 目 標(biāo) ： 了 解 和 掌 握 光 電 效 應(yīng) 及 其 形 式 以 及相 應(yīng) 的 光 電 器 件 工 作 原 理 。 掌 握 光 敏 電 阻 、 光電 池 、 光 敏 晶 體 管 （ 光 敏 二 極 管 、 光 敏 三 極 管） 的 結(jié) 構(gòu) 特 點 及 相 應(yīng) 的 基 本 特 性 和 參 數(shù) 。 定 義 ： 是 一 種 將 光 信 號 轉(zhuǎn) 換 成 電 信 號 的 裝 置 。 以 光 電 元 件 作 為 轉(zhuǎn) 化 元 件 ， 可 以 將 被 測 的 非 電 量 通 過光 量

2、 的 變 化 再 轉(zhuǎn) 化 成 電 量 的 傳 感 器 。 光 電 式 傳 感 器 一 般 由光 源 、 光 學(xué) 元 件 和 光 電 元 件 三 部 分 組 成 。物 理 基 礎(chǔ) ： 光 電 效 應(yīng)優(yōu) 點 ： 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 性 能 可 靠 、 精 度 高 、 反 映 快 。應(yīng) 用 ： 現(xiàn) 代 測 量 和 自 動 控 制 系 統(tǒng) ， 應(yīng) 用 廣 泛 ， 前 景 廣 闊 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 下 一 頁返 回 定 義 ： 是 指 物 體 吸 收 了 光 能 后 轉(zhuǎn) 換 為 該 物 體 中 某 些 電 子 的 能 量 ， 從 而 產(chǎn) 生的 電 效 應(yīng) 。 光 電 傳 感 器 的 工

3、作 原 理 基 于 光 電 效 應(yīng) 。 光 電 效 應(yīng) 分 為 外 光 電 效應(yīng) 和 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 兩 大 類 ：1） 外 光 電 效 應(yīng) 在 光 線 的 作 用 下 ， 物 體 內(nèi) 的 電 子 逸 出 物 體 表 面 向 外 發(fā) 射 的 現(xiàn) 象 稱 為 外 光電 效 應(yīng) 。 向 外 發(fā) 射 的 電 子 叫 做 光 電 子 。 基 于 外 光 電 效 應(yīng) 的 光 電 器 件 有 光 電管 、 光 電 倍 增 管 等 。光 子 是 具 有 能 量 的 粒 子 ， 每 個 光 子 的 能 量 ： 為 普 朗 克 常 數(shù)sJhhfE 3410626.6 光 是 由 被 看 做 具 有 一 定

4、能 量 的 光 粒 子 組 成 ， 每 個 光 子 所具 有 的 能 量 E正 比 于 其 光 的 頻 率 。 光 射 在 物 體 上 （ 半 導(dǎo) 體 材料 ） 可 以 看 成 是 一 串 有 能 量 的 光 粒 子 轟 擊 在 物 體 上 ， 物 體 吸收 了 能 量 為 E的 光 后 產(chǎn) 生 了 電 效 應(yīng) 。 根 據(jù) 愛 因 斯 坦 假 設(shè) ， 一 個 電 子 只 能 接 受 一 個 光 子 的 能 量 ， 所以 要 使 一 個 電 子 從 物 體 表 面 逸 出 ， 必 須 使 光 子 的 能 量 大 于 該 物 體的 表 面 逸 出 功 ， 超 過 部 分 的 能 量 表 現(xiàn) 為 逸

5、 出 電 子 的 動 能 。 外 光 電效 應(yīng) 多 發(fā) 生 于 金 屬 和 金 屬 氧 化 物 ， 從 光 開 始 照 射 至 金 屬 釋 放 電 子所 需 時 間 不 超 過 10-9s。根 據(jù) 能 量 守 恒 定 理 式 中 m 電 子 質(zhì) 量 ； v 0電 子 逸 出 速 度 。 A0電 子 逸 出 表 面 的 功 （ 束 縛 電 子 的 能 量 ） 02021 Amh 該 方 程 稱 為 愛 因 斯 坦 光 電 效 應(yīng) 方 程 n光 電 子 能 否 產(chǎn) 生 ， 取 決 于 光 電 子 的 能 量 是 否 大 于 該 物 體 的 表 面電 子 逸 出 功 A0。 不 同 的 物 質(zhì) 具

6、有 不 同 的 逸 出 功 ， 即 每 一 個 物 體 都有 一 個 對 應(yīng) 的 光 頻 閾 值 ， 稱 為 紅 限 頻 率 或 波 長 限 。 光 線 頻 率 低 于紅 限 頻 率 ， 光 子 能 量 不 足 以 使 物 體 內(nèi) 的 電 子 逸 出 ， 因 而 小 于 紅 限頻 率 的 入 射 光 ， 光 強 再 大 也 不 會 產(chǎn) 生 光 電 子 發(fā) 射 ； 反 之 ， 入 射 光頻 率 高 于 紅 限 頻 率 ， 即 使 光 線 微 弱 ， 也 會 有 光 電 子 射 出 。n當(dāng) 入 射 光 的 頻 譜 成 分 不 變 時 ， 產(chǎn) 生 的 光 電 流 與 光 強 成 正 比 。 即光 強

7、 愈 大 ， 意 味 著 入 射 光 子 數(shù) 目 越 多 ， 逸 出 的 電 子 數(shù) 也 就 越 多 。n光 電 子 逸 出 物 體 表 面 具 有 初 始 動 能 m v 02 /2 ， 因 此 外 光 電 效 應(yīng) 器件 （ 如 光 電 管 ） 即 使 沒 有 加 陽 極 電 壓 ， 也 會 有 光 電 子 產(chǎn) 生 。 為 了使 光 電 流 為 零 ， 必 須 加 負(fù) 的 截 止 電 壓 ， 而 且 截 止 電 壓 與 入 射 光 的頻 率 成 正 比 。區(qū) 分 光 強 和 光 能 量 ： 光 強 光 子 的 多 少 引 起 光 的 強 弱 光 能 量 E=hf 下 一 頁返 回 2） 內(nèi)

8、光 電 效 應(yīng) 當(dāng) 光 照 射 在 物 體 上 ， 使 物 體 的 電 阻 率 發(fā) 生 變 化 ，或 產(chǎn) 生 光 生 電 動 勢 的 現(xiàn) 象 叫 做 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) ， 它 多 發(fā) 生于 半 導(dǎo) 體 內(nèi) 。 根 據(jù) 工 作 原 理 的 不 同 ， 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 分 為光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) 和 光 生 伏 特 效 應(yīng) 兩 類 ： （ 1） 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) 在 光 線 作 用 下 ， 電 子 吸 收 光 子 能 量 從 鍵 合 狀 態(tài) 過渡 到 自 由 狀 態(tài) ， 而 引 起 材 料 電 導(dǎo) 率 的 變 化 ， 這 種 現(xiàn) 象被 稱 為 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) 。 基 于 這 種 效 應(yīng)

9、的 光 電 器 件 有 光 敏電 阻 。 過 程 ： 當(dāng) 光 照 射 到 半 導(dǎo) 體 材 料 上 時 ， 價 帶 中 的 電 子 受 到能 量 大 于 或 等 于 禁 帶 寬 度 的 光 子 轟 擊 ， 并 使 其 由 價 帶 越過 禁 帶 躍 入 導(dǎo) 帶 ， 如 圖 ， 使 材 料 中 導(dǎo) 帶 內(nèi) 的 電 子 和 價 帶內(nèi) 的 空 穴 濃 度 增 加 ， 從 而 使 電 導(dǎo) 率 變 大 。導(dǎo) 帶價 帶禁 帶 自 由 電 子 所 占 能 帶不 存 在 電 子 所 占 能 帶價 電 子 所 占 能 帶Eg 材 料 的 光 導(dǎo) 性 能 決 定 于 禁 帶 寬 度 ， 對 于 一 種 光 電導(dǎo) 材

10、料 ， 總 存 在 一 個 照 射 光 波 長 限 0， 只 有 波 長 小 于 0的 光 照 射 在 光 電 導(dǎo) 體 上 ， 才 能 產(chǎn) 生 電 子 能 級 間 的 躍 進 ，從 而 使 光 電 導(dǎo) 體 的 電 導(dǎo) 率 增 加 。式 中 、 分 別 為 入 射 光 的 頻 率 和 波 長 。 Eg24.1 hch為 了 實 現(xiàn) 能 級 的 躍 遷 ， 入 射 光 的 能 量 必 須 大 于 光 電導(dǎo) 材 料 的 禁 帶 寬 度 Eg， 即 （ 2） 光 生 伏 特 效 應(yīng) 在 光 線 作 用 下 能 夠 使 物 體 產(chǎn) 生 一 定 方 向 的 電 動 勢 （ 電荷 堆 積 ） 的 現(xiàn) 象 叫

11、 做 光 生 伏 特 效 應(yīng) 。 基 于 該 效 應(yīng) 的 光 電 器 件 有 光 電 池 和 光 敏 二 極 管 、 三 極管 。 勢 壘 效 應(yīng) （ 結(jié) 光 電 效 應(yīng) ） 。 接 觸 的 半 導(dǎo) 體 和 PN結(jié) 中 ， 當(dāng) 光 線 照 射 其 接 觸 區(qū) 域 時 ，便 引 起 光 電 動 勢 ， 這 就 是 結(jié) 光 電 效 應(yīng) 。 以 PN結(jié) 為 例 ， 光線 照 射 PN結(jié) 時 ， 設(shè) 光 子 能 量 大 于 禁 帶 寬 度 Eg， 使 價 帶 中的 電 子 躍 遷 到 導(dǎo) 帶 ， 而 產(chǎn) 生 電 子 空 穴 對 ， 在 阻 擋 層 內(nèi) 電 場的 作 用 下 ， 被 光 激 發(fā) 的 電

12、子 移 向 N區(qū) 外 側(cè) ， 被 光 激 發(fā) 的 空穴 移 向 P區(qū) 外 側(cè) ， 從 而 使 P區(qū) 帶 正 電 ， N區(qū) 帶 負(fù) 電 ， 形 成 光電 動 勢 。 側(cè) 向 光 電 效 應(yīng) 當(dāng) 半 導(dǎo) 體 光 電 器 件 受 光 照 不 均 勻 時 ， 載 流 子 濃 度 梯度 將 會 產(chǎn) 生 側(cè) 向 光 電 效 應(yīng) 。 當(dāng) 光 照 部 分 吸 收 入 射 光 子 的 能 量 產(chǎn) 生 電 子 空 穴 對 時 ，光 照 部 分 載 流 子 濃 度 比 未 受 光 照 部 分 的 載 流 子 濃 度 大 ，就 出 現(xiàn) 了 載 流 子 濃 度 梯 度 ， 因 而 載 流 子 就 要 擴 散 。 如 果

13、電 子 遷 移 率 比 空 穴 大 ， 那 么 空 穴 的 擴 散 不 明 顯 ， 則 電 子向 未 被 光 照 部 分 擴 散 ， 就 造 成 光 照 射 的 部 分 帶 正 電 ， 未被 光 照 射 部 分 帶 負(fù) 電 ， 光 照 部 分 與 未 被 光 照 部 分 產(chǎn) 生 光電 動 勢 。 基 于 該 效 應(yīng) 的 光 電 器 件 如 半 導(dǎo) 體 光 電 位 置 敏 感器 件 （ PSD） 。 下 一 頁返 回 1. 光 敏 電 阻 的 光 電 效 應(yīng)2 光 敏 電 阻 種 類3 光 敏 電 阻 的 主 要 參 數(shù)4. 光 敏 電 阻 的 基 本 特 性 上 一 頁 下 一 頁返 回 光

14、敏 電 阻 特 性 ：當(dāng) 無 光 照 時 ： 光 敏 電 阻 值 (暗 電 阻 )很 大 ， 電 路 中 電 流 很 小 當(dāng) 有 光 照 時 ： 光 敏 電 阻 值 (亮 電 阻 )急 劇 減 少 ， 電 流 迅 速 增加 光 照 停 止 時 ： 恢 復(fù) 高 阻 狀 態(tài)優(yōu) 點 ：靈 敏 度 高 ， 光 譜 響 應(yīng) 范 圍 寬 ， 體 積 小 、 重 量 輕 、 機 械 強 度高 ， 耐 沖 擊 、 耐 振 動 、 抗 過 載 能 力 強 和 壽 命 長 等 。不 足 ： 需 要 外 部 電 源 ， 有 電 流 時 會 發(fā) 熱 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 敏 電 阻 又 稱 為 光 導(dǎo)

15、 管 ， 是 基 于 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 中 的 光 電導(dǎo) 效 應(yīng) （ 即 光 照 改 變 電 導(dǎo) 率 ） 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 接 受 光 照 時 ： 其 共 價 鍵 中 的 價 電 子 吸 收 光 子 能 量 ， 由 價 帶 穿 越 禁 帶 到達 導(dǎo) 帶 ， 成 為 光 生 自 由 電 子 ， 使 得 半 導(dǎo) 體 中 自 由 電 子 空 穴對 增 加 ， 導(dǎo) 電 率 提 高 ， 電 阻 值 下 降 。光 照 停 止 時 ： 失 去 光 子 能 量 的 光 生 自 由 電 子 又 重 新 迭 落 回 價 帶 與 空 穴復(fù) 合 ， 自 由 電 子 空 穴 對 減 少 ， 導(dǎo) 電 率

16、 下 降 ， 電 阻 值 提 高 。Eg禁 帶 寬 度 ， 價 電 子 吸 收 光 子 能 量 E Eg， 才 能 穿 越 禁帶 成 為 自 由 電 子 。u 光 照 越 強 、 E越 大 ， 光 生 自 由 電 子 越 多 ， 電 阻 值 越 小 。u 光 照 停 止 或 光 強 減 小 使 E Eg時 ， 光 生 自 由 電 子 又 迭 回 價帶 成 為 價 電 子 ， 使 電 阻 值 增 加 或 恢 復(fù) 高 阻 狀 態(tài) 。 形 成 原 因 ： 上 一 頁 下 一 頁返 回 偏 壓 U一 定 時 ， 檢 流 計 指 示 電 流 I的 大 小決 定 于 光 敏 電 阻 上 的 光 照 強 度

17、 ：無 光 照 時 ： I很 小 ， 此 電 流 稱 之 為 暗 電 流 ； 光 敏 電 阻 的 阻 值 很 高 ， 相 應(yīng) 稱 之 為 暗 電 阻 （ 兆 歐 級 ）有 光 照 時 ： I較 大 ， 此 電 流 稱 之 為 亮 電 流 ； 光 敏 電 阻 的 阻 值 顯 著 減 小 ， 相 應(yīng) 稱 之 為 亮 電 阻 （ 千 歐以 內(nèi) ）光 電 流 ： 由 光 照 所 產(chǎn) 生 的 自 由 電 子 空 穴 流 ， 為 亮 電 流 與 暗 電 流之 差 。由 于 暗 電 流 很 小 ， 在 工 程 分 析 時 可 把 亮 電 流 看 成 光 電 流 。 光 敏 電 阻 光 電 效 應(yīng) 實 驗 電

18、 路 1.玻 璃 2.光 電 導(dǎo) 層 3.電 極 4.絕 緣 襯 底 5.金 屬 殼 6.黑 色 絕 緣 玻 璃 7.引 線光 敏 電 阻 的 靈 敏 度 易 受 潮 濕 的 影 響 ，因 此 要 將 光 電 導(dǎo) 體 嚴(yán) 密 封 裝 在 帶 有 玻 璃 的 殼 體 中 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 敏 電 阻 是 一 個 純 電 阻 性 兩 端 器 件 ， 適 用 于 交 、 直 流 電 路， 因 而 應(yīng) 用 廣 泛 ， 種 類 很 多 。 對 光 照 敏 感 的 半 導(dǎo) 體 光 敏 元 件 都可 以 制 成 光 敏 電 阻 。 半 導(dǎo) 體 光 敏 元 件 的 敏 感 光 波 長 為

19、納 米 波 ，按 其 最 佳 工 作 波 長 范 圍 分 三 類 ：（ 1） 對 紫 外 光 敏 感 元 件 紫 外 光 是 指 紫 外 線 (波 長 10 380nm)的 內(nèi) 側(cè) 光 波 ， 波 長約 300 380nm。 對 這 類 光 敏 感 的 材 料 有 氧 化 鋅 、 硫 化 鋅 等 ， 適于 作 射 線 檢 測 及 光 電 控 制 電 路 。 （ 2） 對 可 見 光 敏 感 元 件 可 見 光 波 長 范 圍 約 380 760nm， 對 這 類 光 敏 感 的 材 料 有 硒、 硅 、 鍺 等 ， 適 用 于 光 電 計 數(shù) 、 光 電 耦 合 、 光 電 控 制 等 場 合

20、 。（ 3） 對 紅 外 光 敏 感 元 件 紅 外 光 是 紅 外 線 (波 長 760 1 10 6nm)的 內(nèi) 側(cè) 光 波 ， 波長 約 760 6000nm。 對 這 類 光 敏 感 的 材 料 有 硫 化 鉛 、 硒 化 鉗 等， 主 要 用 來 探 測 不 可 見 目 標(biāo) 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 （ 1） 暗 電 阻 和 暗 電 流 光 敏 電 阻 在 室 溫 條 件 下 ， 在 全 暗 后 經(jīng) 過 一 定 時間 測 量 的 電 阻 值 ， 稱 為 暗 電 阻 。 此 時 流 過 的 電流 ， 稱 為 暗 電 流 。 越 小 越 好 （ 2） 亮 電 阻 光 敏 電 阻

21、在 某 一 光 照 下 的 阻 值 ， 稱 為 該 光 照 下的 亮 電 阻 ， 此 時 流 過 的 電 流 稱 為 亮 電 流 。 越 大 越 好 （ 3） 光 電 流 亮 電 流 與 暗 電 流 之 差 ， 稱 為 光 電 流 。 越 大越 好 上 一 頁 下 一 頁返 回 （ 1） 光 譜 特 性（ 2） 光 照 特 性（ 3） 伏 安 特 性 （ 4） 響 應(yīng) 時 間 和 頻 率 特 性（ 5） 溫 度 特 性（ 6） 穩(wěn) 定 性 上 一 頁 下 一 頁返 回 定 義 ： 光 電 流 對 不 同 波 長 的 單 色 光 ， 靈 敏 度 是 不 同 的 ， 即即 產(chǎn) 生 的 光 電 流

22、的 大 小 不 同 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 波 ： 波 長 為 10106nm的 電 磁 波可 見 光 ： 波 長 380780nm紫 外 線 ： 波 長 10380nm， 波 長 300380nm稱 為 近 紫 外 線 波 長 200300nm稱 為 遠(yuǎn) 紫 外 線 波 長 10200nm稱 為 極 遠(yuǎn) 紫 外 線 ，紅 外 線 ： 波 長 780106nm因 為 f不 同 ， 光 的 能 量 不 同 ， 所 以 光 電 組 對 不 同 f的 光 具 有不 同 的 靈 敏 度 。 光 譜 特 性 與 光 敏 電 阻 的 材 料 有 關(guān) 。 從 圖 中 可 知 ， 硫 化鉛 光

23、敏 電 阻 在 較 寬 的 光 譜 范 圍 內(nèi) 均 有 較 高 的 靈 敏 度 ， 峰 值在 紅 外 區(qū) 域 ； 硫 化 鎘 、 硒 化 鎘 的 峰 值 在 可 見 光 區(qū) 域 。結(jié) 論 ： 在 選 用 光 敏 電 阻 時 ， 應(yīng) 把 光 敏 電 阻 的 材 料 和 光 源 的 種類 結(jié) 合 起 來 考 慮 ， 才 能 獲 得 滿 意 的 效 果 。 上 一 頁 下 一 頁返 回2040 6080100400 800 1200 1600 2000 2400/nm31 2相對靈敏度 1硫 化 鎘2硒 化 鎘3硫 化 鉛 一 般 光 敏 電 阻 具 有 較 高 的 靈 敏 度 、 很 好 的 光

24、譜 特 性， 其 光 譜 響 應(yīng) 可 從 紫 外 區(qū) 到 紅 外 區(qū) 。 定 義 ： 在 一 定 電 壓 下 ， 光 敏 電 阻 的 光 電 流 I與 光 強 E之 間的 關(guān) 系 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 01234 5I/mA L/lx1000 2000 右 圖 表 示 CdS硫 化 鎘 光 敏 電 阻的 光 電 流 和 光 通 量 之 間 的 關(guān) 系 。 不同 類 型 光 敏 電 阻 光 照 特 性 不 同 ， 但光 照 特 性 曲 線 均 呈 非 線 性 。 因 此 它不 宜 作 定 量 檢 測 元 件 ， 這 是 光 敏 電阻 的 不 足 之 處 。 一 般 在 自 動 控 制

25、 系統(tǒng) 中 用 作 光 電 開 關(guān) 。 定 義 ：在 一 定 強 度 的 光 照 下 ， 光 敏 電 阻 的 端 電 壓 與 光 電 流 的 關(guān) 系 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 圖 中 曲 線 1、 2分 別 表 示 照 度 為 零 及照 度 為 某 值 時 的 伏 安 特 性 。 由 曲 線 可 知， 在 給 定 偏 壓 下 ,光 照 度 越 大 ， 光 電 流也 越 大 。 在 一 定 的 光 照 度 下 ， 所 加 的 電壓 越 大 ， 光 電 流 越 大 ， 而 且 無 飽 和 現(xiàn) 象。 但 是 電 壓 不 能 無 限 地 增 大 ， 因 為 任 何光 敏 電 阻 都 受 額 定

26、 功 率 、 最 高 工 作 電 壓和 額 定 電 流 的 限 制 。 超 過 最 高 工 作 電 壓和 最 大 額 定 電 流 ， 可 能 導(dǎo) 致 光 敏 電 阻 永久 性 損 壞 。 50100150200 1220I/ A0 40 U/V 時 延 特 性 ： 當(dāng) 光 敏 電 阻 受 到 脈 沖 光 照 射 時 ， 光 電 流 要 經(jīng) 過一 段 時 間 才 能 達 到 穩(wěn) 定 值 ， 而 在 停 止 光 照 后 ， 光 電流 也 不 立 刻 為 零 ， 這 就 是 光 敏 電 阻 的 時 延 特 性 。 通 常 用 響 應(yīng) 時 間 t表 示 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 頻 率 特 性

27、 ： 是 指 光 照 的 交 變 （ 調(diào) 制 ） 頻 率 與 光 敏 電 阻 光 電流 輸 出 的 關(guān) 系 。 其 原 因 在 于 光 敏 電 阻 突 然 受 到 光 照 ， 光 電流 并 不 是 立 刻 上 升 到 飽 和 值 ， 光 突 然 消 失 光 電 流 也 不 是 立刻 降 為 0， 在 時 間 上 有 一 個 滯 后 。 不 同 材 料 的 光 敏 電 阻 具 有不 同 的 響 應(yīng) 時 間 ， 所 以 它 們 的頻 率 特 性 也 就 不 盡 相 同 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 20406080 100I / % f / Hz0 10 102 103 104硫 化 鉛硫 化

28、 鎘 如 圖 。 硫 化 鉛 的 使 用 頻 率比 硫 化 鎘 高 得 多 ， 但 多 數(shù) 光 敏電 阻 的 時 延 都 比 較 大 ， 所 以 ，它 不 能 用 在 要 求 快 速 響 應(yīng) 的 場合 。 光 敏 電 阻 性 能 (靈 敏 度 、 暗 電 阻 )受 溫 度 的 影 響 較 大 。隨 著 溫 度 的 升 高 ， 其 暗 電 阻 和 靈 敏 度 下 降 ， 光 譜 特 性 曲線 的 峰 值 向 波 長 短 的 方 向 移 動 。 硫 化 鎘 的 光 電 流 I和 溫 度T的 關(guān) 系 如 圖 所 示 。 有 時 為 了 提 高 靈 敏 度 ， 或 為 了 能 夠 接收 較 長 波 段

29、 的 輻 射 ， 將 元 件 降 溫 使 用 。 例 如 ， 可 利 用 制冷 器 使 光 敏 電 阻 的 溫 度 降 低 。 上 一 頁 下 一 頁返 回I / A100150200-50 -10 30 5010-30 T / C 204060801000 1.0 2.0 3.0 4.0 /mI/mA+20 C -20 C 上 一 頁 下 一 頁返 回 圖 中 曲 線 1、 2分 別 表 示 兩 種 型 號 CdS硫 化 鎘 光 敏 電 阻 的 穩(wěn) 定 性 。初 制 成 的 光 敏 電 阻 ， 由 于 體 內(nèi) 機 構(gòu) 工 作 不 穩(wěn) 定 ， 以 及 電 阻 體 與 其 介 質(zhì)的 作 用 還

30、沒 有 達 到 平 衡 ， 所 以 性 能 是 不 夠 穩(wěn) 定 的 。 但 在 人 為 地 加 溫 、I / %4080120160 21 T/h0 400 800 1200 1600 光 照 及 加 負(fù) 載 情 況 下 ， 經(jīng) 一 至 二 周 的老 化 ， 性 能 可 達 穩(wěn) 定 。 光 敏 電 阻 在 開始 一 段 時 間 的 老 化 過 程 中 ， 有 些 樣 品阻 值 上 升 ， 有 些 樣 品 阻 值 下 降 ， 但 最后 達 到 一 個 穩(wěn) 定 值 后 就 不 再 變 了 。 這就 是 光 敏 電 阻 的 主 要 優(yōu) 點 。 光 敏 電 阻 的 使 用 壽 命 在 密 封 良 好

31、、使 用 合 理 的 情 況 下 ， 幾 乎 是 無 限 長 的 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 電 池 是 利 用 光 生 伏 特 效 應(yīng) 把 光 直 接 轉(zhuǎn) 變 成 電 能 的 器 件 。 由于 它 可 把 太 陽 能 直 接 變 電 能 ， 因 此 又 稱 為 太 陽 能 電 池 。 它 是 發(fā) 電式 有 源 元 件 ， 有 較 大 面 積 的 PN結(jié) ， 當(dāng) 光 照 射 在 PN結(jié) 上 時 ， 在 結(jié)的 兩 端 出 現(xiàn) 電 動 勢 。命 名 方 式 ： 把 光 電 池 的 半 導(dǎo) 體 材 料 的 名 稱 冠 于 光 電 池 (或 太 陽 能 電池 )之 前 。 如 ， 硒 光 電

32、 池 、 砷 化 鎵 光 電 池 、 硅 光 電 池 等 。 目 前 ， 應(yīng)用 最 廣 、 最 有 發(fā) 展 前 途 的 是 硅 光 電 池 。u 硅 光 電 池 價 格 便 宜 ， 轉(zhuǎn) 換 效 率 高 ， 壽 命 長 ， 適 于 接 受 紅 外 光 。u 硒 光 電 池 光 電 轉(zhuǎn) 換 效 率 低 (0.02 )、 壽 命 短 ， 適 于 接 收 可 見 光(響 應(yīng) 峰 值 波 長 0.56m)， 最 適 宜 制 造 照 度 計 。u 砷 化 鎵 光 電 池 轉(zhuǎn) 換 效 率 比 硅 光 電 池 稍 高 ， 光 譜 響 應(yīng) 特 性 則 與太 陽 光 譜 最 吻 合 。 且 工 作 溫 度 最 高

33、 ， 更 耐 受 宇 宙 射 線 的 輻 射 。 因此 ， 它 在 宇 宙 飛 船 、 衛(wèi) 星 、 太 空 探 測 器 等 電 源 方 面 的 應(yīng) 用 是 有 發(fā)展 前 途 的 。 光 電 池 的 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理 上 一 頁 下 一 頁返 回 硅 光 電 池 的 結(jié) 構(gòu) 如 圖 所 示 。 它 是 在 一 塊 N型 硅 片 上 用 擴 散 的 辦 法摻 入 一 些 P型 雜 質(zhì) (如 硼 )形 成 PN結(jié) 。 當(dāng) 光 照 到 PN結(jié) 區(qū) 時 ， 如 果 光 子 能量 足 夠 大 ， 將 在 結(jié) 區(qū) 附 近 激 發(fā) 出 電 子 -空 穴 對 ， 在 N區(qū) 聚 積 負(fù) 電 荷 ， P區(qū)

34、 聚 積 正 電 荷 ， 這 樣 N區(qū) 和 P區(qū) 之 間 出 現(xiàn) 電 位 差 。 若 將 PN結(jié) 兩 端 用 導(dǎo)線 連 起 來 ， 電 路 中 有 電 流 流 過 ， 電 流 的 方 向 由 P區(qū) 流 經(jīng) 外 電 路 至 N區(qū) 。若 將 外 電 路 斷 開 ， 就 可 測 出 光 生 電 動 勢 。光 電 池 的 示 意 圖+光 PN SiO2R L(a) 光 電 池 的 結(jié) 構(gòu) 圖 I 光(b) 光 電 池 的 工 作 原 理 示 意 圖 P N 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 電 池 的 表 示 符 號 、 基 本 電 路 及 等 效 電 路 如 圖 所 示 。I U Id UI RLI

35、(a) (b) (c)光 電 池 符 號 和 基 本 工 作 電 路 (1) 光 譜 特 性(2) 光 照 特 性(3) 頻 率 響 應(yīng) (4) 溫 度 特 性 (5) 穩(wěn) 定 性 上 一 頁 下 一 頁返 回 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 電 池 對 不 同 波 長 光 的 靈 敏 度 是 不 同 的 ， 不 同 材 料 的 光 電 池 對 入 射 光波 長 的 敏 感 范 圍 是 不 同 的 ， 因 此 光 電 池 的 光 譜 特 性 決 定 于 材 料 。 從 曲 線 可看 出 ， 硒 光 電 池 在 可 見 光 譜 范 圍 內(nèi) 有 較 高 的 靈 敏 度 ， 峰 值 波 長 在 5

36、40nm附近 ， 適 宜 測 可 見 光 。 硅 光 電 池 應(yīng) 用 的 范 圍 400nm1100nm， 峰 值 波 長 在850nm附 近 ， 因 此 硅 光 電 池 可 以 在 很 寬 的 范 圍 內(nèi) 應(yīng) 用 。20406080100 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20.2I / % 1 2/m 1硒 光 電 池2硅 光 電 池實 際 中 ， 使 用 時 可 根 據(jù) 光 源 選 擇 光 電 池 ， 也 可 以 根 據(jù) 光 電 池來 選 擇 相 應(yīng) 的 光 源 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 開 路 電 壓 曲 線 ： 光 生 電 動 勢 與 照 度 之 間 的 特 性 曲 線 ，

37、 當(dāng) 照 度 為 2000lx時趨 向 飽 和 。 （ 呈 非 線 性 關(guān) 系 ）短 路 電 流 曲 線 ： 光 電 流 與 照 度 之 間 的 特 性 曲 線 。 （ 呈 線 性 關(guān) 系 ）所 以 ： 當(dāng) 光 電 阻 作 為 測 量 元 件 時 應(yīng) 取 短 路 電 流 形 式 。 L/klx L/klx 543210 0.10.20.30.40.52 4 6 8 10開 路 電 壓 Uoc /V 0.10.20.30.4 0.50.30.10 1 2 3 4 5Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅 光 電 池 (b)硒 光 電 池開 路 電 壓短 路 電 流 短 路 電 流 上 一

38、 頁 下 一 頁返 回 定 義 ： 指 外 接 負(fù) 載 相 對 于 光 電 池 內(nèi) 阻 而 言 是 很 小 的 。 光 電 池 在 不 同 照 度 下 ， 其 內(nèi) 阻 也 不 同 ， 因 而 應(yīng) 選 取 適 當(dāng) 的 外 接 負(fù) 載 近似 地 滿 足 “ 短 路 ” 條 件 。 下 圖 表 示 硒 光 電 池 在 不 同 負(fù) 載 電 阻 時 的 光 照 特 性 。0 2 4 6 8 100.10.20.30.40.5 I/mA L/klx 50 10010005000RL=0結(jié) 論 ： 負(fù) 載 RL越 小 ， 光 電 流 與 強 度 的 線 性 關(guān) 系 越 好 ， 且 線 性 范 圍 越 寬 。

39、 結(jié) 論 ： 硅 光 電 池 具 有 較 高 的 頻 率 響 應(yīng) ,用 于 高 速 計 數(shù) 的 光 電 轉(zhuǎn) 換 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 電 池 作 為 測 量 、 計 數(shù) 、 接 收 元 件 時 常 用 調(diào) 制 光 輸 入 。 光 電 池 的 頻 率響 應(yīng) 就 是 指 輸 出 電 流 隨 調(diào) 制 光 頻 率 變 化 的 關(guān) 系 。 由 于 光 電 池 PN結(jié) 面 積 較大 ， 極 間 電 容 大 ， 故 頻 率 特 性 較 差 。 圖 示 為 光 電 池 的 頻 率 響 應(yīng) 曲 線 。204060801000I / % 1 2 3 4 51 2 f / kHz1硒 光 電 池2硅 光

40、 電 池總 趨 勢 ： f， I， 這 是 因 為 響 應(yīng) 有 滯 后 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 電 池 的 溫 度 特 性 是 指 開 路 電 壓 和 短 路 電 流 隨 溫 度 變 化 的 關(guān) 系 。 由 圖 可 見， 開 路 電 壓 與 短 路 電 流 均 隨 溫 度 而 變 化 ， 它 將 關(guān) 系 到 應(yīng) 用 光 電 池 的 儀 器 設(shè) 備的 溫 度 漂 移 ， 影 響 到 測 量 或 控 制 精 度 等 主 要 指 標(biāo) ， 因 此 ， 當(dāng) 光 電 池 作 為 測 量元 件 時 ， 最 好 能 保 持 溫 度 恒 定 ， 或 采 取 溫 度 補 償 措 施 。200 40

41、60 904060UOC/ mV T / CISCUOC ISC / A600400200 UOC開 路 電 壓ISC 短 路 電 流硅 光 電 池 在 1000lx照度 下 的 溫 度 特 性 曲 線結(jié) 論 ： 1.Uoc隨 T上 升 ， 下 降 很 快 3mv/ ； 2.Isc隨 T上 升 ， 緩 慢 上 升 2 10-6A/ ； 3.光 電 池 作 為 光 測 量 元 件 使 用 時 ， 應(yīng) 注 意 采 取 相 應(yīng) 的 溫 度 補 償 措 施 。 l當(dāng) 光 電 池 密 封 良 好 、 電 極 引 線 可 靠 、 應(yīng)用 合 理 時 ， 光 電 池 的 性 能 是 相 當(dāng) 穩(wěn) 定 的 硅 光

42、 電 池 的 性 能 比 硒 光 電 池 更 穩(wěn) 定 l影 響 性 能 和 壽 命 因 素 ：光 電 池 的 材 料 及 制 造 工 藝使 用 環(huán) 境 條 件 上 一 頁 下 一 頁返 回 l1 工 作 原 理l2 基 本 特 性 上 一 頁 下 一 頁返 回 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 電 二 極 管 和 光 電 池 一 樣 ， 其 基 本 結(jié)構(gòu) 也 是 一 個 PN結(jié) 。 它 和 光 電 池 相 比 ， 重 要的 不 同 點 是 結(jié) 面 積 小 ， 因 此 它 的 頻 率 特 性特 別 好 。 光 生 電 勢 與 光 電 池 相 同 ， 但 輸 出電 流 普 遍 比 光 電 池 小

43、， 一 般 為 幾 A到 幾 十A。 1） 光 敏 二 極 管 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 敏 二 極 管 的 結(jié) 構(gòu) 與 一 般 二 極 管 相 似 、 它 裝 在 透 明 玻 璃 外 殼 中 ，其 PN結(jié) 裝 在 管 頂 ， 可 直 接 受 到 光 照 射 。 光 敏 二 極 管 在 電 路 中 一 般 是 處于 反 向 工 作 狀 態(tài) ， 如 圖 所 示 。P N光光 敏 二 極 管 符 號 RL 光P N光 敏 二 極 管 接 線 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 敏 二 極 管 在 沒 有 光 照 射 時 ， 反 向 電 阻 很 大 ， 反 向 電流 很 小 。 反 向 電 流

44、 也 叫 做 暗 電 流 當(dāng) 光 照 射 時 ， 光 敏 二 極管 的 工 作 原 理 與 光 電 池 的 工 作 原 理 很 相 似 。 受 光 照 射 時 ，PN結(jié) 附 近 受 光 子 轟 擊 ， 吸 收 其 能 量 而 產(chǎn) 生 電 子 -空 穴 對 ，從 而 使 P區(qū) 和 N區(qū) 的 少 數(shù) 載 流 子 濃 度 大 大 增 加 ， 因 此 在 外 加反 向 偏 壓 和 內(nèi) 電 場 的 作 用 下 ， P區(qū) 的 少 數(shù) 載 流 子 渡 越 阻 擋層 進 入 N區(qū) ， N區(qū) 的 少 數(shù) 載 流 子 渡 越 阻 擋 層 進 入 P區(qū) ， 從 而使 通 過 PN結(jié) 的 反 向 電 流 大 為 增

45、加 ， 這 就 形 成 了 光 電 流 。 光敏 二 極 管 的 光 電 流 I 與 照 度 之 間 呈 線 性 關(guān) 系 。 光 敏 二 極 管的 光 照 特 性 是 線 性 的 ， 所 以 適 合 檢 測 等 方 面 的 應(yīng) 用 。 2） 光 敏 三 極 管 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 敏 三 極 管 有 PNP型 和 NPN型 兩 種 ， 如 圖 。 其 結(jié) 構(gòu) 與 一 般 三 極 管 很相 似 ， 具 有 電 流 增 益 ,只 是 它 的 發(fā) 射 極 一 邊 做 的 很 大 ,以 擴 大 光 的 照 射 面 積 ,且 其 基 極 不 接 引 線 。 當(dāng) 集 電 極 加 上 正 電

46、壓 ,基 極 開 路 時 ,集 電 極 處 于 反 向 偏置 狀 態(tài) 。 當(dāng) 光 線 照 射 在 集 電 結(jié) 的 基 區(qū) 時 ,會 產(chǎn) 生 電 子 -空 穴 對 ,在 內(nèi) 電 場 的作 用 下 ,光 生 電 子 被 拉 到 集 電 極 ,基 區(qū) 留 下 空 穴 ,使 基 極 與 發(fā) 射 極 間 的 電 壓升 高 ,這 樣 便 有 大 量 的 電 子 流 向 集 電 極 ,形 成 輸 出 電 流 ,且 集 電 極 電 流 為 光電 流 的 倍 。 P PNN NPe b c R L Ee c b 光 敏 三 極 管 對 光 電 流 有 放 大 作 用 ， 較 二 極 管 靈 敏 度 高 。和 普

47、 通 三 極 管 對 基 極 電 流 的 放 大 作 用 原 理 相 同 。 （ 1） 光 譜 特 性 （ 2） 光 照 特 性（ 3） 伏 安 特 性（ 4） 頻 率 特 性（ 5） 溫 度 特 性 上 一 頁 下 一 頁返 回 存 在 一 個 最 佳 靈 敏 度 的 峰 值 波 長 。 當(dāng) 入 射 光 的 波 長 增 加 時 ， 相 對 靈敏 度 要 下 降 。 因 為 光 子 能 量 太 小 ， 不 足 以 激 發(fā) 電 子 空 穴 對 。 當(dāng) 入 射 光 的波 長 縮 短 時 ， 相 對 靈 敏 度 也 下 降 ， 這 是 由 于 光 子 在 半 導(dǎo) 體 表 面 附 近 就 被吸 收 ，

48、 并 且 在 表 面 激 發(fā) 的 電 子 空 穴 對 不 能 到 達 PN結(jié) ， 因 而 使 相 對 靈 敏 度下 降 。硅 和 鍺 光 敏 二 極 （ 晶 體 ） 管 的 光 譜 特 性 可 見 光 或 探 測 赤 熱 狀 態(tài) 物 體 時 ，一 般 都 用 硅 管 。在 紅 外 光 進 行 探 測 時 ， 則 鍺 管 較為 適 宜 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 定 義 ： 在 一 定 照 度 下 ， 其 靈 敏 度 （ 輸 出 光 電 流 ） 與 光 波 波 長變 化 的 關(guān) 系 。 硅 光 敏 管 的 光 照 特 性 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 敏 二 極 管 與 光 敏 晶 體

49、 管 的 光 照 特 性 明 顯 不 同 ， 以 硅 管 為 例 如 圖 所 示 。光 敏 二 極 管 的 光 照 特 性 近 似 為 線 性 關(guān) 系 ， 光 敏 晶 體 管 的 光 照 特 性 為 非 線 性 ， 照 度 較 小 時 ， 光 電 流 隨 光 照 度 加 強 而 緩 慢 增 加 ， 當(dāng) 光 照 度 較 大 時 ， 光 電 流 又趨 于 飽 和 。 從 而 使 光 敏 三 極 管 既 可 作 線 性 轉(zhuǎn) 換 元 件 ， 也 可 作 開 關(guān) 元 件 。 定 義 ： 在 一 定 偏 壓 下 ， 輸 出 光 電 流 與 光 照 強 度 之 間 的 關(guān) 系 ?？?見 ： 光 敏 二 極

50、管 光 照 特 性 線 性 好 ， 常 用 作 檢 測 元 件 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 u 光 敏 管 的 輸 出 電 流 與 所 加 的 偏 量 電 壓 關(guān) 系 不 大 ， 具 有 近 似 的 恒 流 特 性 ；u 光 敏 晶 體 管 比 光 敏 二 極 管 的 光 電 流 大 近 百 倍 ， 因 而 具 有 更 高 的 靈 敏 度 ；u 光 敏 二 極 管 在 零 偏 壓 下 就 有 一 定 的 電 流 輸 出 ， 光 敏 晶 體 管 卻 有 一 段 死 區(qū)電 壓 。 硅 光 敏 晶 體 管 的 頻 率 響 應(yīng) 上 一 頁 下 一 頁返 回 0 100 1000500 5000

51、1000020406010080 RL=1kRL=10kRL=100k 入 射 光 調(diào) 制 頻 率 / HZ相對靈敏度/% 定 義 ： 光 敏 管 光 電 流 輸 出 與 調(diào) 制 光 頻 率 的 關(guān) 系 。1、 無 論 是 哪 一 類 光 敏 管 ， 其 負(fù) 載 電 阻 越 大 ， 頻 率 特 性 愈 差 。因 此 可 以 根 據(jù) 實 際 頻 率 來 適 當(dāng) 選 擇 RL。 2、 硅 管 的 響 應(yīng) 頻 率 比 鍺 管 大 一 個 數(shù) 量 級 。硅 管 截 止 頻 率 50KH z， 鍺 管 截 止 頻 率 3KH z。3、 光 敏 晶 體 管 比 光 敏 二 極 管 的 響 應(yīng) 頻 率 要

52、小 的 多 。鍺 晶 體 管 截 止 頻 率 ， 鍺 二 極 管 截 止 頻 率 。 無 論 是 硅 管 還 是 鍺 管 ， 對 溫 度 的 變 化 都 比 較 敏 感 。 溫 度 升 高 ， 熱 激 發(fā) 產(chǎn) 生 的 電 子 電 穴 對 增 加 ， 使 暗 電 流 上 升 。尤 其 是 鍺 管 ， 其 暗 電 流 較 大 ， 溫 度 特 性 較 差 。 溫 度 升 高 對 光 電 流 影 響 不 大 。 對 于 高 溫 低 照 度 下 工 作 的 光 敏 晶 體 管 ， 此 時 暗 電 流 上 升 、 亮 電流 下 降 ， 使 信 噪 比 減 小 ； 為 了 提 高 信 噪 比 ， 應(yīng) 采 取

53、 相 應(yīng) 的 溫 度 補 償或 降 溫 措 施 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 1. 光 電 耦 合 器2. 光 電 轉(zhuǎn) 速 器3. 反 射 式 固 體 表 面 粗 糙 度 計4. 透 射 式 薄 膜 厚 度 計5. 煙 塵 濁 度 監(jiān) 測 儀 上 一 頁 下 一 頁返 回 上 一 頁 下 一 頁返 回 定 義 ： 光 電 耦 合 器 是 由 一 個 發(fā) 光 元 件 和 一 個 光 電 傳 感 器 同 時 封裝 在 一 個 外 殼 內(nèi) 組 合 而 成 的 轉(zhuǎn) 換 元 件 。 可 做 隔 離 電 路 或 負(fù) 載 接口 用 。 絕 緣 玻 璃 發(fā) 光 二 極 管透 明 絕 緣 體光 敏 三 極

54、管 塑 料發(fā) 光 二 極 管光 敏 三 極 管透 明 樹 脂采 用 金 屬 外 殼 和 玻 璃 絕 緣 的 結(jié)構(gòu) ， 在 其 中 部 對 接 ， 采 用 環(huán) 焊以 保 證 發(fā) 光 二 極 管 和 光 敏 二 極管 對 準(zhǔn) ， 以 此 來 提 高 靈 敏 度 。(a)金 屬 密 封 型 (b)塑 料 密 封 型采 用 雙 列 直 插 式 用 塑 料 封 裝 的 結(jié)構(gòu) 。 管 心 先 裝 于 管 腳 上 ， 中 間 再用 透 明 樹 脂 固 定 ， 具 有 集 光 作 用， 故 此 種 結(jié) 構(gòu) 靈 敏 度 較 高 。 上 一 頁返 回 反 射 式 固 體 表 面 粗 糙 度 計 上 一 頁返 回

55、光 源 發(fā) 出 一 定 照 度 的 光 入 射 到 被 測 固 定 的 表 面 上 ， 一 部 分 被 表 面 吸收 ， 一 部 分 反 射 到 光 電 池 上 。 被 測 表 面 越 光 滑 ， 反 射 到 光 電 池 上 的 光 越強 ， 光 電 池 輸 出 電 壓 越 大 。 根 據(jù) 電 壓 表 指 示 的 電 壓 數(shù) ， 就 可 以 判 斷 被 測表 面 的 組 糙 度 。 上 一 頁返 回 光 源 發(fā) 出 一 定 照 度 的 光 經(jīng) 準(zhǔn) 直 透 鏡 調(diào) 制 成 平 行 光 束 ， 垂 直 入 射 到 被測 薄 膜 上 ， 一 部 分 被 薄 膜 吸 收 ， 一 部 分 穿 過 薄 膜

56、 出 射 到 光 電 他 上 ； 薄 膜越 薄 ， 出 射 光 越 強 ， 光 電 池 輸 出 電 壓 越 大 。 根 據(jù) 這 種 原 理 ， 不 但 可 以 用于 檢 測 薄 膜 的 厚 度 ， 印 刷 機 紙 張 監(jiān) 控 ， 還 可 以 檢 測 液 體 的 混 濁 度 ， 或 氣體 和 固 體 的 透 明 度 。 煙 塵 濁 度 監(jiān) 測 儀 上 一 頁返 回 防 止 工 業(yè) 煙 塵 污 染 是 環(huán) 保 的 重 要 任 務(wù) 之 一 。 為 了 消 除 工業(yè) 煙 塵 污 染 ， 首 先 要 知 道 煙 塵 排 放 量 ， 因 此 必 須 對 煙 塵 源 進行 監(jiān) 測 、 自 動 顯 示 和 超

57、 標(biāo) 報 警 。 煙 道 里 的 煙 塵 濁 度 是 用 通 過光 在 煙 道 里 傳 輸 過 程 中 的 變 化 大 小 來 檢 測 的 。 如 果 煙 道 濁 度增 加 ， 光 源 發(fā) 出 的 光 被 煙 塵 顆 粒 的 吸 收 和 折 射 增 加 ， 到 達 光檢 測 器 的 光 減 少 ， 因 而 光 檢 測 器 輸 出 信 號 的 強 弱 便 可 反 映 煙道 濁 度 的 變 化 。 上 一 頁返 回 平 行光 源 光 電探 測 放 大 顯 示刻 度 校 正 報 警 器吸 收 式 煙 塵 濁 度 檢 測 系 統(tǒng) 原 理 圖煙 道 5.2.1 莫 爾 條 紋5.2.2 光 柵 傳 感

58、器 的 組 成5.2.3 辨 向 原 理5.2.4 細(xì) 分 技 術(shù) 上 一 頁 下 一 頁返 回 上 一 頁 下 一 頁返 回 光 柵 傳 感 器 是 用 于 測 位 移 的 光 電 傳 感 器 。 光 透 過光 柵 照 射 到 光 電 器 件 上 ， 根 據(jù) 光 柵 的 莫 爾 條 紋 現(xiàn) 象 ，可 實 現(xiàn) 角 位 移 或 線 位 移 的 測 量 。u 直 光 柵 ： 用 于 測 量 直 線 位 移 的 光 柵 ；u 圓 光 柵 ： 用 于 測 量 角 位 移 的 光 柵 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 1.光 柵 光 柵 又 叫 光 柵 尺 ， 是 由 在 光 學(xué) 玻 璃 上 均 勻 刻

59、 有許 多 線 條 ， 形 成 規(guī) 律 排 列 的 透 光 和 不 透 光 的 明 暗 條紋 所 組 成 。 W m n稱 為 光 柵 的 柵 距 或 光 柵 常 數(shù) 把 光 柵 常 數(shù) W相 等 的 兩 光 柵尺 相 對 疊 合 在 一 起 ， 柵 條 間保 持 很 小 夾 角 ， 在 與 柵 條近 乎 垂 直 的 方 向 出 現(xiàn) 明 暗 相間 的 條 紋 ， 稱 為 莫 爾 條 紋 。莫 爾 條 紋 間 距 WWBCABBH 2sin22sin莫 爾 條 紋 寬 度 BH 由 光 柵常 數(shù) 與 光 柵 夾 角 決 定 上 一 頁 下 一 頁返 回 （ 1） 莫 爾 條 紋 的 間 距 BH

60、 對 光 柵 常 數(shù) W具 有 放 大 作 用 調(diào) 整 夾 角 即 可 得 到 很 大 的 莫 爾 條 紋 的 寬 度 ， 起 到 了 放 大作 用 ， 又 提 高 了 測 量 精 度 。（ 2） 莫 爾 條 紋 具 有 消 除 光 柵 尺 局 部 缺 陷 引 起 的 誤 差 由 于 光 柵 尺 在 制 作 時 工 藝 的 分 散 性 ， 難 免 有 的 光 柵 尺 的柵 條 或 柵 條 間 距 存 在 著 局 部 缺 陷 ， 但 這 些 缺 陷 不 會 引 起 莫 爾條 紋 的 誤 差 。 因 為 在 測 量 時 ， 光 電 元 件 上 接 收 到 的 光 信 號 ，是 透 過 眾 多 柵

61、條 形 成 亮 帶 的 光 信 號 ， 光 柵 尺 的 局 部 缺 陷 對 亮帶 透 光 量 影 響 極 小 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 （ 3） 莫 爾 條 紋 的 移 動 大 小 和 方 向 可 以 反 映 兩 光 柵 尺 相 對 移 動大 小 和 方 向 當(dāng) 固 定 斜 光 柵 尺 、 左 右 移 動 直 光 柵 尺 時 ， 莫 爾 條 紋 則 作上 下 移 動 。 若 被 測 體 跟 隨 直 光 柵 尺 移 動 ， 則 可 根 據(jù) 莫 爾 條 紋移 動 的 大 小 和 方 向 ， 判 斷 被 測 體 移 動 的 大 小 和 方 向 。 （ 4） 莫 爾 條 紋 的 光 強 度 變

62、 化 近 似 正 弦 變 化 ， 便 于 將 電 信 號 作進 一 步 細(xì) 分 ， 即 采 用 “ 倍 頻 技 術(shù) ” 。 這 樣 可 以 提 高 測 量 精 度或 可 以 采 用 較 粗 的 光 柵 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 根 據(jù) 莫 爾 條 紋 特 性 制 作 的 光 柵 位 移 傳感 器 ， 按 光 路 形 成 方 式 可 分 為 兩 大 類 ， 即反 射 式 光 柵 傳 感 器 和 透 射 式 光 柵 傳 感 器 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 上 一 頁 下 一 頁返 回 此 光 路 適 合 于 粗 柵 距 的 黑 白 透 射 光 柵 。 特 點 ： 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ，

63、位 置 緊 湊 ， 調(diào) 整 使 用 方 便 ， 應(yīng) 用 廣 泛 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 該 光 路 適 用 于 黑 白反 射 光 柵 。 光 源 發(fā) 射 的 光 ， 經(jīng) 聚 光 鏡 和 物 鏡 后 形 成 平 行 光 束 ， 以 一定 的 角 度 穿 過 指 示 光 柵 、 射 向 主 光 柵 。 這 里 的 主 光 柵 不 形 成透 射 光 。 照 射 到 主 光 柵 上 的 光 產(chǎn) 生 反 射 光 后 與 指 示 光 柵 形 成莫 爾 條 紋 ， 此 莫 爾 條 紋 光 再 經(jīng) 反 射 鏡 反 射 、 物 鏡 組 聚 焦 后 投射 到 光 電 元 件 上 ， 以 實 現(xiàn) 位 移

64、的 測 量 。 單 個 光 電 元 件 接 收 一 固 定 點 的 莫 爾 條 紋 信 號 ，只 能 判 別 明 暗 的 變 化 而 不 能 辨 別 莫 爾 條 紋 的 移動 方 向 ， 因 而 就 不 能 判 別 運 動 零 件 的 運 動 方 向 ，以 致 不 能 正 確 測 量 位 移 。如 果 能 夠 在 物 體 正 向 移 動 時 ， 將 得 到 的 脈 沖 數(shù)累 加 ， 而 物 體 反 向 移 動 時 可 從 已 累 加 的 脈 沖 數(shù)中 減 去 反 向 移 動 的 脈 沖 數(shù) ， 這 樣 就 能 得 到 正 確的 測 量 結(jié) 果 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 在 相 距 的

65、位 置 上 設(shè) 置 兩 個 光 電 元 件 1和 2，以 得 到 兩 個 相 位 互 差 90 的 正 弦 信 號 ， 再以 這 兩 個 正 弦 信 號 為 輸 入 接 入 辯 向 電 路 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 正 向 移 動 時 脈 沖 數(shù) 累 加 ， 反 向 移 動 時 ， 便 從 累 加 的 脈 沖 數(shù) 中減 去 反 向 移 動 所 得 到 的 脈 沖 數(shù) ， 這 樣 光 柵 傳 感 器 就 可 辨 向 。上 一 頁 下 一 頁返 回 l提 高 分 辨 力 方 法 ：在 選 擇 合 適 的 光 柵 柵 距 的 前 提 下 ， 以 對柵 距 進 行 測 微 ， 電 子 學(xué) 中

66、稱 “ 細(xì) 分 ” ，來 得 到 所 需 的 最 小 讀 數(shù) 值 。l細(xì) 分 就 是 在 莫 爾 條 紋 變 化 一 周 期 時 ， 不只 輸 出 一 個 脈 沖 ， 而 是 輸 出 若 干 個 脈 沖 ，以 減 小 辨 向 電 路 輸 出 脈 沖 間 隔 ， 提 高 分辨 力 。 上 一 頁 下 一 頁返 回 定 義 ： 指 在 同 一 半 導(dǎo) 體 襯 底 上 生 成 若 干 個 光 敏 單 元 與 移 位 寄存 器 構(gòu) 成 一 體 的 集 成 光 電 器 件 ， 其 功 能 是 把 按 空 間 分 布 的 光強 信 息 轉(zhuǎn) 換 成 按 時 序 串 行 輸 出 的 電 信 號 。優(yōu) 點 ： 體 積 小 、 重 量 輕 、 耗 電 少 、 耐 振 動 、 抗 電 磁 干 擾 、 堅固 耐 用缺 點 ： 分 辨 率 不 高 ， 圖 像 質(zhì) 量 還 趕 不 上 攝 像 管 。 固 態(tài) 圖 像 傳 感 器 的 敏 感 元 件 有 多 種 類 型 ， 日 前 應(yīng) 用 最廣 泛 的 是 電 耦 合 器 件 (CCD)， 它 是 一 個 硅 光 敏 半 導(dǎo) 體 器 件 ，由 MOS光 敏 元 件