光電傳感器 (2)PPT課件

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1、 主 要 內(nèi) 容 ： 第 1頁(yè) /共 147頁(yè) 概述 第 2頁(yè) /共 147頁(yè) 概述 光 電 鼠 標(biāo) 第 3頁(yè) /共 147頁(yè) 概述 光 電 開(kāi) 關(guān) 第 4頁(yè) /共 147頁(yè) 概述 光 柵 光 纖光 電 管 光 敏 電 阻 第 5頁(yè) /共 147頁(yè) 第 6頁(yè) /共 147頁(yè) 第 7頁(yè) /共 147頁(yè) 8.1 光 電 效 應(yīng) 傳 統(tǒng) 的 光 敏 器 件 利 用 各 種 光 電 效 應(yīng) ， 光 電 效 應(yīng) 可 分 為 ： 外 光 電 效 應(yīng) 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) 光 生 伏 特 效 應(yīng) 第 8頁(yè) /共 147頁(yè) 8.1 光 電 效 應(yīng) (1)外 光 電 效 應(yīng) 在 光 線(xiàn) 作 用

2、 下 ， 電 子 逸 出 物 體 表 面 向 外 發(fā) 射 稱(chēng) 外 光 電 效 應(yīng) 。 光 照 射 物 體 時(shí) ， 電 子 吸 收 入 射 光 子 的 能 量 ， 每 個(gè) 光 子 具 有 的 能 量 是 ： E hh J S 普 朗 克 常 數(shù) ( ) 光 的 頻 率 （ H z） ， 波 長(zhǎng) 短 ， 頻 率 高 ， 能 量 大 第 9頁(yè) /共 147頁(yè) 8.1 光 電 效 應(yīng) 如 果 光 子 的 能 量 E大 于 電 子 的 逸 出 功 A， 超 出 的 能 量 表 現(xiàn) 在 電 子逸 出 的 功 能 ， 電 子 逸 出 物 體 表 面 ， 產(chǎn) 生 光 電 子 發(fā) 射 。 能 否 產(chǎn) 生 光 電

3、 效 應(yīng) ， 取 決 于 光 子 的 能 量 是 否 大 于 物 體 表 面 的 電子 逸 出 功 。 2012E h mv A 由 能 量 守 恒 定 律 有 ： 第 10頁(yè) /共 147頁(yè) u光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) ： 入 射 光 強(qiáng) 改 變 物 質(zhì) 導(dǎo) 電 率 的 物 理 現(xiàn) 象 稱(chēng) 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) 。 這 種 效 應(yīng) 幾 乎 所 有 高 電 阻 率 半 導(dǎo) 體 都 有 ， 為 使 電 子 從 價(jià) 帶 激 發(fā) 到 導(dǎo) 帶 ， 入 射 光 子 的 能 量 E0應(yīng) 大 于 禁 帶 寬 度 Eg。 基 于 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) 的 光 電 器 件 有 光 敏 電 阻 。8.1 光 電 效 應(yīng) (

4、2)內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 第 11頁(yè) /共 147頁(yè) 過(guò)程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)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(jià)帶越過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶 自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg 第 12頁(yè) /共 147頁(yè) 8.1 光 電 效 應(yīng) (2)內(nèi) 光 電 效 應(yīng) u光 生 伏 特 效 應(yīng) ： 光 生 伏 特 效 應(yīng) 是 半 導(dǎo) 體 材 料 吸 收 光 能 后 ， 在 PN結(jié) 上 產(chǎn) 生 電 動(dòng) 勢(shì)的 效 應(yīng) 。 為 什 么 PN結(jié) 會(huì) 因 光 照 產(chǎn) 生 光 生 伏 特 效 應(yīng) 呢

5、 ？ 有 下 面 兩 種 情 況 ： 第 13頁(yè) /共 147頁(yè) 當(dāng) 光 照 射 在 PN結(jié) 時(shí) ， 如 果 電 子 能 量 大 于 半 導(dǎo) 體 禁 帶 寬 度 （ E0 Eg） ,可 激 發(fā) 出 電 子 空 穴 對(duì) ， 在 PN結(jié) 內(nèi) 電 場(chǎng) 作 用 下 空 穴 移 向 P區(qū) ， 而 電 子 移 向 N區(qū) ， 使 P區(qū) 和 N區(qū) 之 間 產(chǎn) 生 電 壓 ， 這 個(gè) 電 壓 就 是 光 生 電 動(dòng) 勢(shì) . 基 于 這 種 效 應(yīng) 的 器 件 有 光 電 池 8.1 光 電 效 應(yīng) (2)內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 第 14頁(yè) /共 147頁(yè) 處 于 反 偏 的 PN結(jié) （ P接 電 源 負(fù) 極 ， N

6、接 電 源 正 極 ） ： 無(wú) 光 照 時(shí) ， 反 向 電 阻 很 大 ， 反 向 電 流 很 小 ； 有 光 照 時(shí) ， 光 子 能 量 足 夠 大 產(chǎn) 生 光 生 電 子 空 穴 對(duì) ， 在 PN結(jié) 電 場(chǎng) 作 用 下 ， 形 成 光 電 流 ， 電 流 方 向 與 反 向 電 流 一 致 ， 光 照 越 大 光 電 流 越 大 。 具 有 這 種 性 能 的 器 件 有 ： 光 敏 二 極 管 、 光 敏 晶 體 管 . 8.1 光 電 效 應(yīng) (2)內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 第 15頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 1、 光 電 管 RU I 光 強(qiáng) 當(dāng) 光 線(xiàn) 照 射 在 光 敏

7、 材 料 上 時(shí) ， 如 果 光 子 的 能 量 E大 于 電 子 的 逸 出功 A（ E A） ， 會(huì) 有 電 子 逸 出 產(chǎn) 生 電 子 發(fā) 射 。 電 子 被 帶 有 正 電 的 陽(yáng) 極吸 引 ， 在 光 電 管 內(nèi) 形 成 電 子 流 ， 電 流 在 回 路 電 阻 R上 產(chǎn) 生 正 比 于 電 流 大 小 的 壓 降 。 因 此 第 16頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 1、 光 電 管 第 17頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 1、 光 電 管 第 18頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 2、 光 電 倍 增 管 光 照 很 弱 時(shí) ， 光 電 管 產(chǎn)

8、生 的 電 流 很 小 ，為 提 高 靈 敏 度 常 常 使 用 光 電 倍 增 管 。 如核 儀 器 中 閃 爍 探 測(cè) 器 都 使 用 的 是 光 電 倍增 管 做 光 電 轉(zhuǎn) 換 元 件 。 光 電 倍 增 管 是利 用 二 次 電 子 釋 放 效 應(yīng) ， 高 速 電 子 撞 擊固 體 表 面 ， 發(fā) 出 二 次 電 子 ， 將 光 電 流 在管 內(nèi) 進(jìn) 行 放 大 。 第 19頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 3、 光 敏 電 阻 光 敏 電 阻 的 工 作 原 理 是 基 于 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) ， 其 結(jié) 構(gòu) 是 在 玻 璃 底 版 上涂 一 層 對(duì) 光 敏 感 的 半

9、導(dǎo) 體 物 質(zhì) ， 兩 端 有 梳 狀 金 屬 電 極 ， 然 后 在 半 導(dǎo) 體上 覆 蓋 一 層 漆 膜 。 光 敏 電 阻 結(jié) 構(gòu) 及 符 號(hào) 第 20頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器3、 光 敏 電 阻 第 21頁(yè) /共 147頁(yè) 光 敏 電 阻 光 照 特 性 無(wú) 光 照 時(shí) ， 內(nèi) 部 電 子 被 原 子 束 縛 具 有 很 高 的 電 阻 值 ； 有 光 照 時(shí) ， 電 阻 值 隨 光 強(qiáng) 增 加 而 降 低 ； 光 照 停 止 時(shí) ， 自 由 電 子 與 空 穴 復(fù) 合 ， 電 阻 恢 復(fù) 原 值 。 光 敏 電 阻 主 要 參 數(shù) 暗 電 阻 無(wú) 光 照 時(shí) 的 電 阻

10、 ； 暗 電 流 無(wú) 光 照 時(shí) 的 電 流 ； 亮 電 阻 、 亮 電 流 受 光 照 時(shí) 的 阻 值 、 電 流 ； 光 電 流 亮 電 流 與 暗 電 流 之 差 稱(chēng) 亮 電 流 。 8.2 光 電 器 件 3、 光 敏 電 阻 第 22頁(yè) /共 147頁(yè) 伏 安 特 性 給 定 偏 壓 光 照 越 大 光 電 流 越 大 ； 給 定 光 照 度 電 壓 越 大 光 電 流 越 大 ； 光 敏 電 阻 的 伏 安 特 性 曲 線(xiàn) 不 彎 曲 、 無(wú) 飽 和 ， 但 受 最 大 功 耗 限 制 。 8.2 光 電 器 件 3、 光 敏 電 阻 基 本 特 性 光 敏 電 阻 伏 安 特 性

11、 第 23頁(yè) /共 147頁(yè) 光 譜 特 性 光 敏 電 阻 靈 敏 度 與 入 射 波 長(zhǎng) 有 關(guān) ; 光 敏 電 阻 靈 敏 度 與 半 導(dǎo) 體 摻 雜 的 材 料 有 關(guān) ， 材 料 與 相 對(duì) 靈 敏 度 峰 位 波 長(zhǎng) 例 圖 ： 硫 化 鎘 （ CdS） 0.3 0.8( m) 硫 化 鉛 （ PbS） 1.0 3.5( m) 銻 化 銦 （ InSb） 1.0 7.3( m) 8.2 光 電 器 件 3、 光 敏 電 阻 基 本 特 性 第 24頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 3、 光 敏 電 阻 基 本 特 性 光 敏 電 阻 的 光 譜 特 性 第 25頁(yè) /共

12、147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 3、 光 敏 電 阻 基 本 特 性 溫 度 特 性 溫 度 變 化 影 響 光 敏 電 阻 的 靈 敏 度 、 暗 電 流 和 光 譜 響 應(yīng) 。 光 敏 電 阻 溫 度 特 性 第 26頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 4、 光 敏 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 光 敏 晶 體 管 工 作 原 理 主 要 基 于 光 生 伏 特 效 應(yīng) 。 特 點(diǎn) ： 響 應(yīng) 速 度 快 、 頻 率 響 應(yīng) 好 、 靈 敏 度 高 、 可 靠 性 高 ; 廣 泛 應(yīng) 用 于 可 見(jiàn) 光 和 遠(yuǎn) 紅 外 探 測(cè) ， 以 及 自 動(dòng) 控 制 、 自 動(dòng) 報(bào) 警

13、 、 自 動(dòng)計(jì) 數(shù) 等 領(lǐng) 域 和 裝 置 。 第 27頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 4、 光 敏 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 （ 1） 光 敏 二 極 管 光 敏 二 極 管 結(jié) 構(gòu) 與 一 般 二 極管 相 似 ， 它 們 都 有 一 個(gè) PN結(jié) ，并 且 都 是 單 向 導(dǎo) 電 的 非 線(xiàn) 性 元 件 。為 了 提 高 轉(zhuǎn) 換 效 率 大 面 積 受 光 ，PN結(jié) 面 積 比 一 般 二 極 管 大 。 硅 光 敏 二 極 管 結(jié) 構(gòu) 第 28頁(yè) /共 147頁(yè) 工 作 原 理 ： 光 敏 二 極 管 在 電 路 中 一 般 處 于 反 向 偏 置 狀 態(tài) ， 無(wú)

14、光 照 時(shí) ， 反 向 電 阻 很 大 ， 反 向 電 流 很 小 ； 有 光 照 時(shí) ， PN結(jié) 處 產(chǎn) 生 光 生 電 子 空 穴 對(duì) ； 在 電 場(chǎng) 作 用 下 形 成 光 電 流 ， 光 照 越 強(qiáng) 光 電 流 越 大 ； 光 電 流 方 向 與 反 向 電 流 一 致 。 8.2 光 電 器 件 4、 光 敏 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 光 敏 二 極 管 基 本 電 路 第 29頁(yè) /共 147頁(yè) v 基 本 特 性 ： 光 照 特 性 ， 圖 是 硅 光 敏 二 極 管 在 小 負(fù) 載 電 阻 下 的 光 照 特 性 。 光 電 流 與 照 度 成 線(xiàn) 性 關(guān) 系 。 光

15、 敏 二 極 管 光 照 特 性 8.2 光 電 器 件 4、 光 敏 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 第 30頁(yè) /共 147頁(yè) 光 譜 特 性 ， 當(dāng) 入 射 波 長(zhǎng) 900nm時(shí) ， 響 應(yīng) 下 降 ， 因 波 長(zhǎng) 長(zhǎng) ， 光 子 能 量 小 于 禁 帶 寬 度 ， 不 產(chǎn) 生 電 子 空 穴 對(duì) ； 當(dāng) 入 射 波 長(zhǎng) 900nm時(shí) ， 響 應(yīng) 也 逐 漸 下 降 ， 波 長(zhǎng) 短 的 光 穿 透 深 度 小 ， 使 光 電 流 減 小 。 8.2 光 電 器 件 4、 光 敏 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 硅 光 敏 二 極 管 光 譜 響 應(yīng) 光 敏 晶 極 管 光 譜 響

16、 應(yīng) 第 31頁(yè) /共 147頁(yè) 光 敏 二 極 管 伏 安 特 性 伏 安 特 性 當(dāng) 反 向 偏 壓 較 低 時(shí) ， 光 電 流 隨電 壓 變 化 比 較 敏 感 ， 隨 反 向 偏壓 的 加 大 ， 光 生 電 流 趨 于 飽 和 ，這 時(shí) 光 生 電 流 與 所 加 偏 壓 幾 乎無(wú) 關(guān) ， 只 取 決 于 光 照 強(qiáng) 度 。 8.2 光 電 器 件 4、 光 敏 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 第 32頁(yè) /共 147頁(yè) 溫 度 特 性 ， 由 于 反 向 飽 和 電 流 與 溫 度 密 切 有關(guān) ， 因 此 光 敏 二 極 管 的 暗 電 流 對(duì)溫 度 變 化 很 敏 感 。

17、8.2 光 電 器 件 4、 光 敏 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 光 敏 二 極 管 暗 電 流 與 溫 度 關(guān) 系 第 33頁(yè) /共 147頁(yè) 頻 率 響 應(yīng) : 光 敏 管 的 頻 率 響 應(yīng) 是 指 光 敏 管 輸 出 的 光電 流 隨 頻 率 的 變 化 關(guān) 系 。 光 敏 管 的 頻 響與 本 身 的 物 理 結(jié) 構(gòu) 、 工 作 狀 態(tài) 、 負(fù) 載 以及 入 射 光 波 長(zhǎng) 等 因 素 有 關(guān) 。 圖 光 敏 二 極管 頻 率 響 應(yīng) 曲 線(xiàn) 說(shuō) 明 調(diào) 制 頻 率 高 于1000Hz時(shí) ， 硅 光 敏 晶 體 管 靈 敏 度 急 劇 下降 。 光 敏 二 極 管 頻 率 響

18、 應(yīng) 曲 線(xiàn) 8.2 光 電 器 件 4、 光 敏 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 第 34頁(yè) /共 147頁(yè) 與 普 通 晶 體 管 不 同 的 是 ， 光 敏 晶 體 管是 將 基 極 集 電 極 結(jié) 作 為 光 敏 二 極 管 ，集 電 結(jié) 做 受 光 結(jié) ， 另 外 發(fā) 射 極 的 尺 寸 做的 很 大 ， 以 擴(kuò) 大 光 照 面 積 。 大 多 數(shù) 光 敏 晶 體 管 的 基 極 無(wú) 引 線(xiàn) ， 集電 結(jié) 加 反 偏 。 玻 璃 封 裝 上 有 個(gè) 小 孔 ， 讓光 照 射 到 基 區(qū) 。 8.2 光 電 器 件 4、 光 敏 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 光 敏 三 極

19、管 光 敏 晶 極 管 結(jié) 構(gòu) 第 35頁(yè) /共 147頁(yè) 硅 （ Si） 光 敏 晶 體 極 管 一 般 都 是 NPN結(jié) 構(gòu) ， 光 照 射 在 集 電 結(jié) 的 基 區(qū) ，產(chǎn) 生 電 子 、 空 穴 ， 光 生 電 子 被 拉 向 集 電 極 ， 基 區(qū) 留 下 正 電 荷 （ 空 穴 ） ，使 基 極 與 發(fā) 射 極 之 間 的 電 壓 升 高 ， 這 樣 ， 發(fā) 射 極 便 有 大 量 電 子 經(jīng) 基 極 流向 集 電 極 ， 形 成 三 極 管 輸 出 電 流 ， 使 晶 體 管 具 有 電 流 增 益 。 在 負(fù) 載 電 阻RL上 的 輸 出 電 壓 為 ： 8.2 光 電 器 件

20、 4、 光 敏 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 光 敏 三 極 管 0 p LV i R 晶 體 管 電 流 放 大 系 數(shù) 第 36頁(yè) /共 147頁(yè) 光 敏 晶 體 管 具 有 放 大 作 用 ， 伏 安 特 性 曲 線(xiàn) 如 圖 所 示 8.2 光 電 器 件 4、 光 敏 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 光 敏 晶 體 管 等 效 電 路 光 敏 晶 體 管 伏 安 特 性 第 37頁(yè) /共 147頁(yè) 光 敏 晶 體 管 的 光 譜 特 性 硅 材 料 的 光 敏 管 峰 值 波 長(zhǎng) 在 0.9 m附 近 （ 可 見(jiàn) 光 ） 靈 敏 度 最 大 ； 可 見(jiàn) 光 或 探 測(cè) 赤 熱

21、 狀 物 體 時(shí) 一 般 都 用 硅 管 鍺 管 的 峰 值 波 長(zhǎng) 約 為 1.5 m（ 紅 外 光 ） 對(duì) 紅 外 進(jìn) 行 探 測(cè) 時(shí) 用 鍺 管 較 適 宜 。 8.2 光 電 器 件 4、 光 敏 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 光 敏 三 極 管 光 敏 晶 體 管 光 譜 特 性 第 38頁(yè) /共 147頁(yè) 光 電 池 工 作 原 理 也 是 基 于 光 生 伏 特 效 應(yīng) ， 可 以 直 接 將 光 能 轉(zhuǎn) 換 成 電能 的 器 件 。 有 光 線(xiàn) 作 用 時(shí) 就 是 電 源 ， 廣 泛 用 于 宇 航 電 源 ， 另 一 類(lèi) 用 于檢 測(cè) 和 自 動(dòng) 控 制 等 。 光 電

22、 池 種 類(lèi) 很 多 ， 有 硒 光 電 池 、 鍺 光 電 池 、 硅 光 電 池 、 砷 化 鎵 、 氧化 銅 等 等 。 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 光 電 池 符 號(hào) 第 39頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 太 陽(yáng) 能 手 機(jī) 充 電 器太陽(yáng)能供 LED 電警示 太陽(yáng)能電池 第 40頁(yè) /共 147頁(yè) 結(jié) 構(gòu) ： 光 電 池 實(shí) 質(zhì) 是 一 個(gè) 大 面 積 PN結(jié) ， 上 電 極 為 柵 狀 受 光 電 極 ， 下 電極 是 一 層 襯 底 鋁 。 原 理 ： 當(dāng) 光 照 射 PN結(jié) 的 一 個(gè)

23、 面 時(shí) ， 電 子 空 穴 對(duì) 迅 速 擴(kuò) 散 ， 在 結(jié) 電場(chǎng) 作 用 下 建 立 一 個(gè) 與 光 照 強(qiáng) 度 有 關(guān) 的 電 動(dòng) 勢(shì) 。 一 般 可 產(chǎn) 生 0.2V 0.6V電壓 50mA電 流 。 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 光 電 池 結(jié) 構(gòu) 光 電 池 工 作 原 理 圖 第 41頁(yè) /共 147頁(yè) 光 照 特 性 開(kāi) 路 電 壓 ， 光 生 電 動(dòng) 勢(shì) 與 照 度 之 間 關(guān) 系 稱(chēng) 開(kāi) 路 電 壓 曲 線(xiàn) ， 開(kāi)路 電 壓 與 光 照 度 關(guān) 系 是 非 線(xiàn) 性 關(guān) 系 ， 在 照 度 2000lx下 趨 于 飽和 。 短 路 電 流 ，

24、 短 路 電 流 與 照 度 之 間 關(guān) 系 稱(chēng) 短 路 電 流 曲 線(xiàn) 曲 線(xiàn) ，短 路 電 流 是 指 外 接 負(fù) 載 RL相 對(duì) 內(nèi) 阻 很 小 時(shí) 的 光 電 流 。 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 第 42頁(yè) /共 147頁(yè) 光 電 池 光 照 特 性 光 電 池 光 照 與 負(fù) 載 的 關(guān) 系 光 電 池 作 為 測(cè) 量 元 件 使 用 時(shí) ， 一 般 不 做 電 壓 源 使 用 ， 而 作 為 電流 源 的 形 式 應(yīng) 用 。 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 第 43頁(yè) /共 147頁(yè) 光 譜 特 性 光 電 池

25、 對(duì) 不 同 波 長(zhǎng) 的 光 靈 敏 度 不 同 ， 硅 光 電 池 的 光 譜 響 應(yīng) 峰 值 在 0.8 m附 近 ，波 長(zhǎng) 范 圍 0.4 1.2 m。 硅 光 電 池 可 在 很寬 的 波 長(zhǎng) 范 圍 內(nèi) 應(yīng) 用 。 硒 光 電 池 光 譜 響 應(yīng) 峰 值 在 0.5 m附 近 , 波 長(zhǎng) 范 圍 0.38 0.75 m。 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 第 44頁(yè) /共 147頁(yè) 光 電 池 譜 特 性 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 第 45頁(yè) /共 147頁(yè) 頻 率 特 性 頻 率 特 性 指 光 電 池 相 對(duì)

26、 輸 出 電 流 與 光 的 調(diào) 制 頻 率 之 間 關(guān) 系 。 硅 、 硒 光 電 池 的 頻 率 特 性 不 同 ， 硅 光 電 池 頻 率 響 應(yīng) 較 好 硒 光 電 池 較 差 。 所 以 高 速 計(jì) 數(shù) 器 的 轉(zhuǎn) 換 一 般 采 用 硅 光 電 池 作 為 傳 感 器 元 件 。 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 硅 、 硒 光 電 池 的 頻 率 特 性 第 46頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 溫 度 特 性 第 47頁(yè) /共 147頁(yè) v 電 路 連 接 光 電 池 作 為 控 制 元 件 時(shí)

27、 通 常 接 非 線(xiàn) 性 負(fù) 載 ， 控 制 晶 體 管 工 作 。 光 電 池 作 為 電 源 使 用 時(shí) ， 根 據(jù) 使 用 要 求 進(jìn) 行 連 接 。 需 要 高 電 壓 時(shí) 應(yīng) 將 光 電 池 串 聯(lián) 使 用 ； 需 要 大 電 流 時(shí) 應(yīng) 將 光 電 池 并 聯(lián) 使 用 。 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 第 48頁(yè) /共 147頁(yè) 硅 管 的 發(fā) 射 結(jié) 導(dǎo) 通 電 壓 為 0.6V 0.7V， 光 電 池 的 0.5V電 壓 起 不 到 控 制 作 用 ， 可 將 兩 個(gè) 光 電 池 串 聯(lián) 后 接 入 基 極 ， 或 用 偏 壓 電 阻 產(chǎn) 生

28、 附 加 電 壓 。 有 光 照 度 變 化 時(shí) ， 引 起 基 極 電 流 Ib變 化 ， 集 電 極 電 流 發(fā) 生 倍 的 變 化 。 電 流 Ic與 光 照 近 似 線(xiàn) 性 關(guān) 系 。光 電 池 電 路 連 接 第 49頁(yè) /共 147頁(yè) 又 稱(chēng) 光 電 隔 離 器 “ 光 耦 ” 器 件 由 發(fā) 光 元 件 和 接 收 光 敏 元 件 （ 光 敏 電 阻 、 光 敏 二 極 管 、 晶 體 管 等 ） 集 成 在 一 起 ， 發(fā) 光 管 輻 射 可 見(jiàn) 光 或 紅 外 光 ， 受 光 器 件 在 光 輻 射 作 用 下 控 制 輸 出 電 流 大 小 。 通 過(guò) 電 光 、 光 電

29、， 兩 次 轉(zhuǎn) 換 進(jìn) 行 輸 入 輸 出 耦 合 。 8.2 光 電 器 件 6、 光 電 耦 合 器 件 第 50頁(yè) /共 147頁(yè) “光 耦 ” 集 成 器 件 的 特 點(diǎn) ： 輸 入 輸 出 完 全 隔 離 ， 有 獨(dú) 立 的 輸 入 輸出 抗 ， 器 件 有 很 強(qiáng) 的 抗 干 擾 能 力 和 隔 離 性 能 可 避 免 振 動(dòng) 、 噪 聲干 擾 。 特 別 適 宜 做 數(shù) 字 電 路 開(kāi) 關(guān) 信 號(hào) 傳 輸 、 邏 輯 電 路 隔 離 器 、 計(jì) 算 機(jī) 測(cè) 量 、 控 制 系 統(tǒng) 中 做 無(wú) 觸 點(diǎn) 開(kāi) 關(guān) 等 。 8.2 光 電 器 件 6、 光 電 耦 合 器 件 第 51頁(yè)

30、 /共 147頁(yè) （1）組成開(kāi)關(guān)電路 圖1電路中，當(dāng)輸入信號(hào)ui為低電平時(shí)，晶體管V1處于截止?fàn)顟B(tài)，光電耦合器B1中發(fā)光二極管的電流近似為零，輸出端Q11、Q12間的電阻很大，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“斷開(kāi)”；當(dāng)ui為高電平時(shí)，v1導(dǎo)通，B1中發(fā)光二極管發(fā)光，Q11、Q12間的電阻變小，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“接通”該電路因Ui為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)不通，故為高電平導(dǎo)通狀態(tài)同理，圖2電路中，因無(wú)信號(hào)(Ui為低電平)時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，故為低電平導(dǎo)通狀態(tài) 第 52頁(yè) /共 147頁(yè) （2）功率驅(qū)動(dòng)電路中的光電隔離 在微機(jī)控制系統(tǒng)中，大量應(yīng)用的是開(kāi)關(guān)量的控制，這些開(kāi)關(guān)量一般經(jīng)過(guò)微機(jī)的IO輸出，而IO的驅(qū)動(dòng)能力有限，一般不足以驅(qū)動(dòng)一些電

31、磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動(dòng)介面電路，為避免微機(jī)受到干擾，須采取隔離措施。如可控硅所在的主電路一般是交流強(qiáng)電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機(jī)直接相連，可應(yīng)用光耦合器將微機(jī)控制信號(hào)與可控硅觸發(fā)電路進(jìn)行隔離 第 53頁(yè) /共 147頁(yè) 在馬達(dá)控制電路中，也可采用光耦來(lái)把控制電路和馬達(dá)高壓電路隔離開(kāi)。馬達(dá)靠MOSFET或IGBT功率管提供驅(qū)動(dòng)電流，功率管的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)和大功率管之間需隔離放大級(jí)。在光耦隔離級(jí)放大器級(jí)大功率管的連接形式中，要求光耦具有高輸出電壓、高速和高共模抑制。 注意事項(xiàng) （1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)立的電源，若兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義

32、。（2）當(dāng)用光電耦合器來(lái)隔離輸入輸出通道時(shí)，必須對(duì)所有的信號(hào)（包括數(shù)位量信號(hào)、控制量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒(méi)有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒(méi)有意義的。 第 54頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 （ 3） 光 電 耦 合 器 件 的 應(yīng) 用 光 電 耦 合 器 用 于 天 然 氣 點(diǎn) 火 器 電 路 第 55頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 7、 光 電 開(kāi) 關(guān) （1）工作原理 光電開(kāi)關(guān)（光電傳感器）是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無(wú)的。物體不限于金屬，所有能反射光線(xiàn)的物體均可被檢測(cè)。光電開(kāi)關(guān)

33、將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線(xiàn)的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。 工作原理圖1所示。多數(shù)光電開(kāi)關(guān)選用的是波長(zhǎng)接近可見(jiàn)光的紅外線(xiàn)光波型。 第 56頁(yè) /共 147頁(yè) 第 57頁(yè) /共 147頁(yè) （2）光電開(kāi)關(guān)的分類(lèi) 漫反射式光電開(kāi)關(guān)：它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，物體將光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線(xiàn)反射到接收器，于是光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，漫反射式的光電開(kāi)關(guān)是首選的檢測(cè)模式。 鏡反射式光電開(kāi)關(guān)：它亦集發(fā)射器與接收器于一體，光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)反射鏡反射回接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)且完全

34、阻斷光線(xiàn)時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。 對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)：它包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線(xiàn)直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線(xiàn)時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體為不透明時(shí)，對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)是最可靠的檢測(cè)裝置。 槽式光電開(kāi)關(guān)：它通常采用標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)量信號(hào)。 槽式光電開(kāi)關(guān)比較適合檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)的物體，并且它能分辨透明與半透明物體,使用安全可靠。 第 58頁(yè) /共 147頁(yè) 第 59頁(yè) /共 147頁(yè) （3） 光電開(kāi)關(guān)的

35、特性參數(shù) 檢測(cè)距離：是指檢測(cè)體按一定方式移動(dòng)，當(dāng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)測(cè)得的基準(zhǔn)位置（光電開(kāi)關(guān)的感應(yīng)表面）到檢測(cè)面的空間距離。額定動(dòng)作距離指接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作距離的標(biāo)稱(chēng)值。 回差距離：動(dòng)作距離與復(fù)位距離之間的絕對(duì)值。響應(yīng)頻率：在規(guī)定的1s的時(shí)間間隔內(nèi)，允許光電開(kāi)關(guān)動(dòng)作循環(huán)的次數(shù)。 輸出狀態(tài)：分常開(kāi)和常閉。當(dāng)無(wú)檢測(cè)物體時(shí)，常開(kāi)型的光電開(kāi)關(guān)所接通的負(fù)載由于光電開(kāi)關(guān)內(nèi)部的輸出晶體管的截止而不工作，當(dāng)檢測(cè)到物體時(shí)，晶體管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。 檢測(cè)方式：根據(jù)光電開(kāi)關(guān)在檢測(cè)物體時(shí)發(fā)射器所發(fā)出的光線(xiàn)被折回到接收器的途徑的不同，可分為漫反射式、鏡反射式、對(duì)射式等。 指向角：見(jiàn)光電開(kāi)關(guān)的指向角示意圖,即如圖4的下部三個(gè)小圖所示。

36、表面反射率：漫反射式光電開(kāi)關(guān)發(fā)出的光線(xiàn)需要經(jīng)檢測(cè)物表面才能反射回漫反射開(kāi)關(guān)的接受器，所以檢測(cè)距離和被檢測(cè)物體的表面反射率將決定接受器接收到光線(xiàn)的強(qiáng)度。粗糙的表面反 射回的光線(xiàn)強(qiáng)度必將小于光滑表面反射回的強(qiáng)度,而且，被檢測(cè)物體的表面必須垂直于光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射光線(xiàn)。 第 60頁(yè) /共 147頁(yè) 被 檢 測(cè) 物 體光 電 開(kāi) 關(guān)移 動(dòng) 方 向 光 電 開(kāi) 關(guān)被 檢 測(cè) 物 體 檢 測(cè) 距 離回 差 值動(dòng) 作 （ 接 通 ）復(fù) 位 （ 斷 開(kāi) ）基 準(zhǔn) 軸被 測(cè) 物 反 光 鏡 漫 反 射 式 鏡 反 射 式 接 受 器發(fā) 射 器 對(duì) 射 式第 61頁(yè) /共 147頁(yè) 第 62頁(yè) /共 147頁(yè) （4）

37、 使用注意事項(xiàng) 紅外線(xiàn)傳感器屬漫反射型的產(chǎn)品，所采用的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)體為平面的白色畫(huà)紙。 紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)在環(huán)境照度高的情況下都能穩(wěn)定工作，但原則上應(yīng)回避將傳感器光軸正對(duì)太陽(yáng)光等強(qiáng)光源。 對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)最小可檢測(cè)寬度為該種光電開(kāi)關(guān)透鏡寬度的80%。 當(dāng)使用感性負(fù)載（如燈、電動(dòng)機(jī)等）時(shí)，其瞬態(tài)沖擊電流較大，可能劣化或損壞交流二線(xiàn)的光電開(kāi)關(guān)，在這種情況下，請(qǐng)將負(fù)載經(jīng)過(guò)交流繼電器來(lái)轉(zhuǎn)換使用。 紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)的透鏡可用擦鏡紙擦拭，禁用稀釋溶劑等化學(xué)品，以免永久損壞塑料鏡。 針對(duì)用戶(hù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求，在一些較為惡劣的條件下，如灰塵較多的場(chǎng)合，所生產(chǎn)的光電開(kāi)關(guān)在靈敏度的選擇上增加了50%，以適應(yīng)在長(zhǎng)期使用中延長(zhǎng)光電

38、開(kāi)關(guān)維護(hù)周期的要求。 產(chǎn)品均為SMD工藝生產(chǎn)制造，并經(jīng)嚴(yán)格的測(cè)試合格后才出廠，在一般情況下使用均不會(huì)出現(xiàn)損壞。為了避免意外性發(fā)生，請(qǐng)用戶(hù)在接通電源前檢查接線(xiàn)是否正確，核定電壓是否為額定值。 第 63頁(yè) /共 147頁(yè) 消 除 背 景 物 的 影 響 第 64頁(yè) /共 147頁(yè) （5）應(yīng)用舉例 從圖6可以看出光電開(kāi)關(guān)的各種應(yīng)用。其中，圖6（a）為光電開(kāi)關(guān)用于對(duì)材料的定位剪切控制；圖6（b）為用光電開(kāi)關(guān)來(lái)控制液面位的上下限值，當(dāng)液面位高于或低于上下極限液面位時(shí)，光電開(kāi)關(guān)控制電路可使閾門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉，使液面位的高度保持在上下限之間；圖6（c）為利用物體對(duì)光的遮擋作用，檢測(cè)物體的通過(guò)個(gè)數(shù)，或物體是否存在

39、；圖6（d）為利用光的直線(xiàn)傳播性，檢驗(yàn)產(chǎn)品是否等高排列；圖6（e）為將光電開(kāi)關(guān)用在流水生產(chǎn)線(xiàn)上，來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品的個(gè)數(shù)；圖6（f）為用光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)液面位的高低。 第 65頁(yè) /共 147頁(yè) 第 66頁(yè) /共 147頁(yè) 第 67頁(yè) /共 147頁(yè) 透 射 式 反 射 式 第 68頁(yè) /共 147頁(yè) 光電鼠標(biāo)的工作原理是：在光電鼠標(biāo)內(nèi)部有一個(gè)發(fā)光二極管，通過(guò)該發(fā)光二極管發(fā)出的光線(xiàn)，照亮光電鼠標(biāo)底部表面（這就是為什么鼠標(biāo)底部總會(huì)發(fā)光的原因）。然后將光電鼠標(biāo)底部表面反射回的一部分光線(xiàn)，經(jīng)過(guò)一組光學(xué)透鏡，傳輸?shù)揭粋€(gè)光感應(yīng)器件（微成像器）內(nèi)成像。這樣，當(dāng)光電鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，其移動(dòng)軌跡便會(huì)被記錄為一組高速拍攝的連貫圖

40、像。最后利用光電鼠標(biāo)內(nèi)部的一塊專(zhuān)用圖像分析芯片（DSP，即數(shù)字微處理器）對(duì)移動(dòng)軌跡上攝取的一系列圖像進(jìn)行分析處理，通過(guò)對(duì)這些圖像上特征點(diǎn)位置的變化進(jìn)行分析，來(lái)判斷鼠標(biāo)的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離，從而完成光標(biāo)的定位。 第 69頁(yè) /共 147頁(yè) CCD（ Charged Coupled Device， 電 荷 耦 合 器 件 ） 是 由 一 系 列 排 得 很 緊密 的 MOS電 容 器 組 成 。 它 的 突 出 特 點(diǎn) 是 以 電 荷 作 為 信 號(hào) ， 實(shí) 現(xiàn) 電 荷 的 存儲(chǔ) 和 電 荷 的 轉(zhuǎn) 移 。 因 此 ， CCD工 作 過(guò) 程 的 主 要 問(wèn) 題 是 信 號(hào) 電 荷 的 產(chǎn) 生 、存

41、 儲(chǔ) 、 傳 輸 和 檢 測(cè) 。 特 點(diǎn) ： 集 成 度 高 、 尺 寸 小 、 電 壓 低 （ DC7 12V） 、 功 耗 小 。 該 技 術(shù) 的 發(fā) 展 促 進(jìn) 了 各 種 視 頻 裝 置 的 普 及 和 微 型 化 ， 應(yīng) 用 遍 及 航 天 、 遙 感 、 天 文 、 通 訊 、 工 業(yè) 、 農(nóng) 業(yè) 、 軍 用 等 各 個(gè) 領(lǐng) 域 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） ChargeCoupled Devices 第 70頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 第 71頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器

42、 件 基 于 CCD光 電 耦 器 件 的 輸 入 設(shè) 備 ： 數(shù)字 攝 像 機(jī) 、 數(shù) 字 相 機(jī) 、 平 板 掃 描 儀 、指 紋 機(jī) 第 72頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 圖象傳感器發(fā)展趨勢(shì) 第 73頁(yè) /共 147頁(yè) CCD基 本 結(jié) 構(gòu) 分 兩 部 分 ： MOS（ 金 屬 氧 化 物 半 導(dǎo) 體 ） 光 敏 元 陣 列 ； 讀 出 移 位 寄 存 器 。 電 荷 耦 合 器 件 是 在 半 導(dǎo) 體 硅 片 上 制 作 成 百 上 千 （ 萬(wàn) ） 個(gè) 光 敏 元 ， 一 個(gè) 光 敏 元 又 稱(chēng) 一 個(gè) 像 素 ， 在 半 導(dǎo) 體 硅 平 面 上

43、光 敏 元 按 線(xiàn) 陣 或 面 陣 有 規(guī) 則 地 排 列 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） CCD基 本 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理 CCD結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 顯 微 鏡 下 的 MOS元 表 面 第 74頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） v 電 荷 存 儲(chǔ) 原 理 ： 當(dāng) 金 屬 電 極 上 加 正 電 壓 時(shí) ， 由 于 電 場(chǎng) 作 用 ， 電 極 下 P型 硅 區(qū) 里 空 穴 被 排 斥 入 地 成 耗 盡 區(qū) 。 對(duì) 電 子 而 言 ， 是 一 勢(shì) 能 很 低 的 區(qū) 域 ， 稱(chēng) “ 勢(shì) 阱 ” 。 有

44、光 線(xiàn) 入 射 到 硅 片 上 時(shí) ， 光 子 作 用 下 產(chǎn) 生 電 子 空 穴 對(duì) ， 空 穴 被 電 場(chǎng) 作 用 排 斥 出 耗 盡 區(qū) ， 而 電 子 被 附 近 勢(shì) 阱 （ 俘 獲 ） ， 此 時(shí) 勢(shì) 阱 內(nèi) 吸 的 光 子 數(shù) 與 光 強(qiáng) 度 成 正 比 。 一 個(gè) MOS光 敏 元 結(jié) 構(gòu) 第 75頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 一 個(gè) MOS結(jié) 構(gòu) 元 為 MOS光 敏 元 或 一 個(gè) 像 素 ， 把 一 個(gè) 勢(shì) 阱 所 收 集 的 光 生 電 子 稱(chēng) 為 一 個(gè) 電 荷 包 ； CCD器 件 內(nèi) 是 在 硅 片 上 制 作 成

45、 百 上 千 的 MOS元 ， 每 個(gè) 金 屬 電 極 加 電 壓 ， 就 形 成 成 百 上 千 個(gè) 勢(shì) 阱 ； 如 果 照 射 在 這 些 光 敏 元 上 是 一 幅 明 暗 起 伏 的 圖 象 ， 那 么 這 些 光 敏元 就 感 生 出 一 幅 與 光 照 度 響 應(yīng) 的 光 生 電 荷 圖 象 。 這 就 是 電 荷 耦 合 器 件 的 光 電 物 理 效 應(yīng) 基 本 原 理 。 第 76頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 265 180133 90 66 4533 22分 辨 率 不 同 的 圖 象 比 較 第 77頁(yè) /共 147頁(yè)

46、v 電 荷 轉(zhuǎn) 移 原 理 （ 讀 出 移 位 寄 存 器 ） 光 敏 元 上 的 電 荷 需 要 經(jīng) 過(guò) 電 路 進(jìn) 行 輸 出 ， CCD電 荷 耦 合 器 件 是 以 電 荷 為 信 號(hào) 而 不 是 電 壓 電 流 。 讀 出 移 位 寄 存 器 也 是 MOS結(jié) 構(gòu) ， 由 金 屬 電 極 、 氧 化 物 、 半 導(dǎo) 體 三 部 分 組 成 。 它 與 MOS光 敏 元 的 區(qū) 別 在 于 ， 半 導(dǎo) 體 底 部 覆 蓋 了 一 層 遮 光 層 ， 防 止 外 來(lái) 光 線(xiàn) 干 擾 。 由 三 個(gè) 十 分 鄰 近 的 電 極 組 成 一 個(gè) 耦 合 單 元 ； 在 三 個(gè) 電 極 上 分

47、 別 施 加 脈 沖 波 三 相 時(shí) 鐘 脈 沖 1 2 3。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 第 78頁(yè) /共 147頁(yè) 電 荷 轉(zhuǎn) 移 原 理 （ 讀 出 移 位 寄 存 器 ） 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 讀 出 移 位 寄 存 器 結(jié) 構(gòu) 第 79頁(yè) /共 147頁(yè) 當(dāng) t = t1時(shí) 刻 ， 1電 極 下 出 現(xiàn) 勢(shì) 阱 存 入 光 電 荷 當(dāng) t = t2時(shí) 刻 ， 兩 個(gè) 勢(shì) 阱 形 成 大 的 勢(shì) 阱 存 入 光 電 荷 。 當(dāng) t = t3時(shí) 刻 ， 1中 電 荷 全 部 轉(zhuǎn) 移 至 2。 當(dāng) t = t4時(shí) 刻

48、 ， 2中 電 荷 向 3勢(shì) 阱 轉(zhuǎn) 移 。 當(dāng) t = t5時(shí) 刻 ， 3中 電 荷 向 下 一 個(gè) 1勢(shì) 阱 轉(zhuǎn) 移 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 讀 出 移 位 寄 存 器 三 相 時(shí) 鐘 脈 沖 第 80頁(yè) /共 147頁(yè) v 電 荷 轉(zhuǎn) 移 原 理 這 一 傳 輸 過(guò) 程 依 次 下 去 ， 信 號(hào) 電 荷 按 設(shè) 計(jì) 好 的 方 向 ， 在 時(shí) 鐘 脈沖 控 制 下 從 寄 存 器 的 一 端 轉(zhuǎn) 移 到 另 一 端 。 這 樣 一 個(gè) 傳 輸 過(guò) 程 ， 實(shí) 際 上 是 一 個(gè) 電 荷 耦 合 過(guò) 程 ， 所 以 稱(chēng) 電 荷 耦合 器 件 ，

49、擔(dān) 任 電 荷 傳 輸 的 單 元 稱(chēng) 移 位 寄 存 器 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 第 81頁(yè) /共 147頁(yè) uCCD信 號(hào) 電 荷 的 輸 出 的 方 式 主 要 有 電 流 輸 出 、 電 壓 輸 出 兩 種 ,以 電 壓 輸出 型 為 例 ： 有 浮 置 擴(kuò) 散 放 大 器 （ FDA） 、 浮 置 柵 放 大 器 （ FGA） 由 浮 置 擴(kuò) 散 區(qū) 收 集 的 信 號(hào) 電 荷 來(lái) 控 制 放 大 管 VT2的 柵 極 電 位 ：/out FDU Q C 式 中 ， FDC 為 浮 置 擴(kuò) 散 節(jié) 點(diǎn) 上 的 總 電 容 。 8.2 光 電

50、器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 電 荷 耦 合 器 信 號(hào) 輸 出 方 式 第 82頁(yè) /共 147頁(yè) 輸 出 信 號(hào) 電 壓 為 ： 1 m Lout m Lg RU U g R 式 中 ， mg為 MOS管 VT1柵 極 與 源 極 之 間 的 跨 導(dǎo) 。 復(fù) 位 管 VT1導(dǎo) 通 ， VT2的 溝 道 抽 走 浮 置 擴(kuò) 散 區(qū) 的 剩 余 電 荷 ， 直 到 下 一 個(gè) 時(shí) 鐘周 期 信 號(hào) 到 來(lái) 如 此 循 環(huán) 下 去 。 單 溝 道 CCD驅(qū) 動(dòng) 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 第 83頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 電 荷

51、 耦 合 器 件 （ CCD） 電 荷 信 息 轉(zhuǎn) 移 原 理 第 84頁(yè) /共 147頁(yè) CCD器 件 的 物 理 性 能 可 以 用 特 性 參 數(shù) 來(lái) 描 述 內(nèi) 部 參 數(shù) 描 述 的 是 CCD存 儲(chǔ) 和 轉(zhuǎn) 移 信 號(hào) 電 荷 有 關(guān) 的 特 性 ,是 器件 理 論 設(shè) 計(jì) 的 重 要 依 據(jù) ； 外 部 參 數(shù) 描 述 的 是 與 CCD應(yīng) 用 有 關(guān) 的 性 能 指 標(biāo) 主 要 包 括 以 下 內(nèi)容 ： 電 荷 轉(zhuǎn) 移 效 率 、 轉(zhuǎn) 移 損 失 率 、 工 作 頻 率 、 電 荷 存 儲(chǔ) 容 量 、靈 敏 度 、 分 辨 率 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件

52、 （ CCD） CCD的 特 性 參 數(shù) 第 85頁(yè) /共 147頁(yè) CCD器 件 分 為 線(xiàn) 陣 CCD和 面 陣 CCD， 結(jié) 構(gòu) 上 有 多 種 不 同 形 式 ， 如 單溝 道 CCD、 雙 溝 道 CCD、 幀 轉(zhuǎn) 移 結(jié) 構(gòu) CCD、 行 間 轉(zhuǎn) 移 結(jié) 構(gòu) CCD。 v 線(xiàn) 陣 CCD結(jié) 構(gòu) 線(xiàn) 陣 CCD傳 感 器 是 由 一 列 MOS光 敏 元 和 一 列 移 位 寄 存 器 并 行 構(gòu) 成 。光 敏 元 和 移 位 寄 存 器 之 間 有 一 個(gè) 轉(zhuǎn) 移 控 制 柵 ， 1024位 線(xiàn) 陣 ， 由 1024個(gè) 光 敏 元 1024個(gè) 讀 出 移 位 寄 存 器 組 成 。

53、 讀 出 移 位 寄 存 器 的 輸 出 端 Ga一 位 位 輸 出 信 息 ， 這 一 過(guò) 程 是 一 個(gè) 串 行 輸 出 過(guò) 程 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） CCD器 件 第 86頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 單 溝 道 CCD結(jié) 構(gòu)電 荷 輸 出 控 制 波 形 第 87頁(yè) /共 147頁(yè) 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 64位 線(xiàn) 陣 CCD結(jié) 構(gòu) 第 88頁(yè) /共 147頁(yè) v 面 陣 電 荷 耦 合 器 面 型 CCD是 把 光 敏 元 件 排 列 成 矩 陣 形

54、 式 傳 輸 讀 出 結(jié) 構(gòu) 有 不 同 類(lèi) 型 。 基 本 構(gòu) 成 有 ： 幀 轉(zhuǎn) 送 方 式 （ Frame Transfer CCD） 行 間 轉(zhuǎn) 送 方 式 （ Inter Line Transfer CCD） 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 第 89頁(yè) /共 147頁(yè) 對(duì) 不 同 型 號(hào) 的 CCD器 件 而 言 ， 其 工 作 機(jī) 理 是 相 同 的 。 不 同 型 號(hào) 的 CCD器 件 具 有 完 全 不 同 的 外 型 結(jié) 構(gòu) 和 驅(qū) 動(dòng) 時(shí) 序 ， 在 實(shí)際 使 用 時(shí) 必 須 加 以 注 意 。 我 們 可 以 通 過(guò) 器 件 供 貨 商 或

55、直 接 向 生 產(chǎn) 廠 家 索 取 相 關(guān) 資 料 ， 為CCD器 件 的 應(yīng) 用 提 供 技 術(shù) 支 持 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 典 型 的 CCD器 件 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 典 型 的 CCD器 件 CCD產(chǎn) 品 以 TCD142D型 CCD為 例 做 簡(jiǎn) 單 介 紹 ， 其 它 型 號(hào) 的 器 件 大 同 小 異 。 TCD142D是 一 種 具 有 2048位 像 元 的 兩 相 線(xiàn) 陣 CCD器 件 ， TCD142D有 22個(gè) 引 腳 ， 其 中 12個(gè) 是 空 腳 ； 1A、 2A、 1B、 2B

56、 均 為 時(shí) 鐘 端 ， SH為 轉(zhuǎn) 移 柵 ， RS為 復(fù) 位 柵 ， OS為 信 號(hào) 輸 出 端 ， DOS為 補(bǔ) 償 輸 出 端 ， SS為 地 ， NC空 閑 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） TCD142D引 腳 TCD142D結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） TCD142D的 驅(qū) 動(dòng) 電 路 可 分 為 兩 部 分 ： 一 部 分 是 脈 沖 產(chǎn) 生 電 路 ； 另 一 部 分 是 驅(qū) 動(dòng) 電 路 。 脈 沖 電 路 產(chǎn) 生 HS、 1、 2、 RS四 路 脈 沖 由 非 門(mén) 及 晶 體 振 蕩 器 構(gòu)

57、 成 的 晶 體 振 蕩 電 路 輸 出 頻 率 為 4MHz的 方 波 ； 經(jīng) JK觸 發(fā) 器 分 頻 ， 得 到 頻 率 為 2MHz的 方 波 ， 將 4MHz與 2MHz脈 沖 相與 ， 形 成 RS脈 沖 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 將 RS經(jīng) JK觸 發(fā) 器 分 頻 ， 產(chǎn) 生 頻 率 為 1MHz的 1脈 沖 ， 1脈 沖 送 入 分 頻 器 ； 經(jīng) 譯 碼 電 路 產(chǎn) 生 轉(zhuǎn) 移 脈 沖 SH， 并 且 使 SH周 期 TSH1061 s； 將 SH和 1相 與 產(chǎn) 生 2, 1= 2， 至 此 ， 就 產(chǎn) 生 了 四 路脈 沖 。 將 這

58、 四 路 脈 沖 經(jīng) 反 相 器 反 相 ， 再 經(jīng) 阻 容 加 加 速 電 路 送 至H0026驅(qū) 動(dòng) 器 ， 放 大 至 一 定 量 以 后 用 以 驅(qū) 動(dòng) TCD142D。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） TCD142D驅(qū) 動(dòng) 電 路 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） CCD傳 感 器 應(yīng) 用 時(shí) 是 將 不 同 光 源 與 透 鏡 、 鏡 頭 、 光 導(dǎo) 纖 維 、 濾 光 鏡及 反 射 鏡 等 各 種 光 學(xué) 元 件 結(jié) 合 ， 主 要 用 來(lái) 裝 配 輕 型 攝 像 機(jī) 、 攝 像 頭 、工 業(yè) 監(jiān) 視 器 。 CCD應(yīng) 用

59、 技 術(shù) 是 光 、 機(jī) 、 電 和 計(jì) 算 機(jī) 相 結(jié) 合 的 高 新 技 術(shù) ， 作 為 一 種非 常 有 效 的 非 接 觸 檢 測(cè) 方 法 ， CCD被 廣 泛 用 于 再 線(xiàn) 檢 測(cè) 尺 寸 、 位 移 、速 度 、 定 位 和 自 動(dòng) 調(diào) 焦 等 方 面 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） CCD傳 感 器 的 應(yīng) 用 利 用 CCD測(cè) 量 幾 何 量 ， CCD誕 生 后 ， 首 先 在 工 業(yè) 檢 測(cè) 中 制 成 測(cè) 量 長(zhǎng)度 的 光 電 傳 感 器 ， 物 體 通 過(guò) 物 鏡 在 CCD光 敏 元 上 造 成 影 像 ， CCD輸出 的 脈 沖

60、表 征 測(cè) 量 工 件 的 尺 寸 或 缺 陷 ； 用 于 傳 真 技 術(shù) ， 文 字 、 圖 象 識(shí) 別 。 例 如 用 CCD識(shí) 別 集 成 電 路 焊 點(diǎn) 圖案 ， 代 替 光 點(diǎn) 穿 孔 機(jī) 的 作 用 ； 自 動(dòng) 流 水 線(xiàn) 裝 置 ， 機(jī) 床 、 自 動(dòng) 售 貨 機(jī) 、 自 動(dòng) 監(jiān) 視 裝 置 、 指 紋 機(jī) ； 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） CCD傳 感 器 的 應(yīng) 用 CCD固 態(tài) 圖 像 傳 感 器 作 為 攝 像 機(jī) 或 像 敏 器 件 ， 取 代 攝 像 裝 置 的 光學(xué) 掃 描 系 統(tǒng) （ 電 子 束 掃 描 ） ， 與 其 它 攝 像

61、器 件 相 比 ， 尺 寸 小 、價(jià) 廉 、 工 作 電 壓 低 、 功 耗 小 ， 且 不 需 要 高 壓 ; 作 為 機(jī) 器 人 視 覺(jué) 系 統(tǒng) ； M2A攝 影 膠 囊 （ Mouth anus） ,由 發(fā) 光 二 極 管 做 光 源 ， CCD做 攝 像機(jī) ， 每 秒 鐘 兩 次 快 門(mén) ， 信 號(hào) 發(fā) 射 到 存 儲(chǔ) 器 ， 存 儲(chǔ) 器 取 下 后 接 入計(jì) 算 機(jī) 將 圖 像 進(jìn) 行 下 載 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） CCD傳 感 器 的 應(yīng) 用 第99頁(yè)/共147 頁(yè) 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 實(shí) 例 1

62、： 測(cè) 量 拉 絲 過(guò) 程 中 絲 的 線(xiàn) 徑 、 軋 鋼 的 直 徑 、 機(jī) 械 加 工 的 軸 類(lèi) 或 桿 類(lèi) 的 直 徑 等 等 ，這 里 以 玻 璃 管 直 徑 與 壁 厚 的 測(cè) 量 為 例 。 玻璃管CCD 視頻信號(hào) 第 100頁(yè) /共 147頁(yè) 測(cè) 量 原 理 : 在 熒 光 燈 的 玻 璃 管 生 產(chǎn) 過(guò) 程 中 ， 總 是 需 要 不 斷 測(cè) 量 玻 璃 管 的 外 圓 直 徑 及 壁 厚 ， 并 根 據(jù) 監(jiān) 測(cè) 結(jié) 果 對(duì) 生 產(chǎn) 過(guò) 程 進(jìn) 行 調(diào) 整 ， 以 便 提 高 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 。 玻 璃 管 的 平 均 外 徑 12mm,壁 厚 1.2mm,要 求 測(cè) 量 精

63、 度 為 外 徑 0.1mm,壁 厚 0.05mm。 利 用 CCD配 合 適 當(dāng) 的 光 學(xué) 系 統(tǒng) ， 對(duì) 玻 璃 管 相 關(guān) 尺 寸 進(jìn) 行 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 測(cè) ， 用 平 行 光 照 射 玻 璃 管 ， 成 像 物 鏡 將 尺 寸 影 像 投 影 在 CCD光 敏 像 元 陣 列 面 上 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 實(shí) 例 1： 第 101頁(yè) /共 147頁(yè) 由 于 玻 璃 管 的 透 射 率 分 布 的 不 同 ， 玻 璃 管 成 像 的 兩 條 暗 帶 最 外 邊 界 距 離 為 玻 璃 管 外 徑 大 小 ， 中 間 亮 帶 反 映 了 玻 璃

64、管 內(nèi) 徑 大 小 ， 而 暗 帶 則 是 玻 璃 管 的 壁 厚 像 。 成 像 物 鏡 的 放 大 倍 率 為 ， CCD相 元 尺 寸 為 t， 上 壁 厚 、 下 壁 厚 分 別 為 n1、 n2 ， 外 徑 尺 寸 的 脈 沖 數(shù) （ 即 像 元 個(gè) 數(shù) ） 為 N， 測(cè) 量 結(jié) 果 有 ： 1 12 2 /d ntd n tD N t 分 別 為 上 壁 厚 、 下 壁 厚 ， 外 徑 尺 寸 。 1d 2d D第 102頁(yè) /共 147頁(yè) 線(xiàn) 陣 CCD進(jìn) 行 工 件 尺 寸 測(cè) 量實(shí) 例 2： 第 103頁(yè) /共 147頁(yè) M2A膠 囊 CCD在 醫(yī) 療 診 斷 中 的 應(yīng) 用

65、實(shí) 例 3： 第 104頁(yè) /共 147頁(yè) 光 導(dǎo) 纖 維 簡(jiǎn) 稱(chēng) 光 纖 光 纖 傳 感 器 是 20世 紀(jì) 70年 代 中 期 發(fā) 展 起 來(lái) 的 一 門(mén) 新 技 術(shù) ， 光 纖 最早 用 于 通 訊 ， 隨 著 光 纖 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 光 纖 傳 感 器 得 到 進(jìn) 一 步 發(fā)展 。 與 其 它 傳 感 器 相 比 較 ， 光 纖 傳 感 器 有 如 下 特 點(diǎn) ： 不 受 電 磁 干 擾 ， 防 爆 性 能 好 ， 不 會(huì) 漏 電 打 火 ； 可 根 據(jù) 需 要 做 成 各 種 形 狀 ， 可 以 彎 曲 ； 可 以 用 于 高 溫 、 高 壓 、 絕 緣 性 能 好 ， 耐

66、腐 蝕 。 8.3 光 纖 傳 感 器 第 105頁(yè) /共 147頁(yè) 8.3 光 纖 傳 感 器（ 1） 光 纖 的 結(jié) 構(gòu) 和 傳 輸 原 理 光 纖 結(jié) 構(gòu) ： 基 本 采 用 石 英 玻 璃 ， 有 不 同 摻 雜 ， 主 要 由 三 部 分 組 成 中 心 纖 芯 ； 外 層 包 層 ； 護(hù) 套 尼 龍 料 。 光 導(dǎo) 纖 維 的 導(dǎo) 光 能 力 取 決 于 纖 芯 和 包 層 的 性 質(zhì) ， 纖 芯 折 射 率 N1略 大 于 包 層 折 射 率 N2（ N1 N2） 。 第 106頁(yè) /共 147頁(yè) 光 纖 的 傳 播 基 于 光 的 全 反 射 。 當(dāng) 光 線(xiàn) 以 不 同 角 度 入 射 到 光 纖 端 面 時(shí) ， 在 端 面 發(fā) 生 折 射 后 進(jìn) 入 光 纖 ； v 光 線(xiàn) 在 光 纖 端 面 入 射 角 減 小 到 某 一 角 度 c時(shí) ， 光 線(xiàn) 全 部 反 射 。 v 只 要 c， 光 在 纖 芯 和 包 層 界 面 上 經(jīng) 若 干 次 全 反 射 向 前 傳 播 ，最 后 從 另 一 端 面 射 出 。 8.3 光 纖 傳 感 器（ 1） 光 纖 的 結(jié) 構(gòu)