《光電傳感器 (2)PPT課件》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《光電傳感器 (2)PPT課件（155頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 主 要 內(nèi) 容 ： 第 1頁 /共 147頁 概述 第 2頁 /共 147頁 概述 光 電 鼠 標(biāo) 第 3頁 /共 147頁 概述 光 電 開 關(guān) 第 4頁 /共 147頁 概述 光 柵 光 纖光 電 管 光 敏 電 阻 第 5頁 /共 147頁 第 6頁 /共 147頁 第 7頁 /共 147頁 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 /共 147頁 8.1 光 電 效 應(yīng) (1)外 光 電 效 應(yīng) 在 光 線 作 用

2、 下 ， 電 子 逸 出 物 體 表 面 向 外 發(fā) 射 稱 外 光 電 效 應(yīng) 。 光 照 射 物 體 時 ， 電 子 吸 收 入 射 光 子 的 能 量 ， 每 個 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 短 ， 頻 率 高 ， 能 量 大 第 9頁 /共 147頁 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 /共 147頁 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 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 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 /共 147頁 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 第 12頁 /共 147頁 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 勢的 效 應(yīng) 。 為 什 么 PN結(jié) 會 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 /共 147頁 當(dāng) 光 照 射 在 PN結(jié) 時 ， 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 ， 在 PN結(jié) 內(nèi) 電 場 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 電 壓 就 是 光 生 電 動 勢 . 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 /共 147頁 處 于 反 偏 的 PN結(jié) （ P接 電 源 負(fù) 極 ， N

6、接 電 源 正 極 ） ： 無 光 照 時 ， 反 向 電 阻 很 大 ， 反 向 電 流 很 小 ； 有 光 照 時 ， 光 子 能 量 足 夠 大 產(chǎn) 生 光 生 電 子 空 穴 對 ， 在 PN結(jié) 電 場 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 /共 147頁 8.2 光 電 器 件 1、 光 電 管 RU I 光 強(qiáng) 當(dāng) 光 線 照 射 在 光 敏

7、 材 料 上 時 ， 如 果 光 子 的 能 量 E大 于 電 子 的 逸 出功 A（ E A） ， 會 有 電 子 逸 出 產(chǎn) 生 電 子 發(fā) 射 。 電 子 被 帶 有 正 電 的 陽 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 /共 147頁 8.2 光 電 器 件 1、 光 電 管 第 17頁 /共 147頁 8.2 光 電 器 件 1、 光 電 管 第 18頁 /共 147頁 8.2 光 電 器 件 2、 光 電 倍 增 管 光 照 很 弱 時 ， 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 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 /共 147頁 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 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 第 20頁 /共 147頁 8.2 光 電 器3、 光 敏 電 阻 第 21頁 /共 147頁 光 敏 電 阻 光 照 特 性 無 光 照 時 ， 內(nèi) 部 電 子 被 原 子 束 縛 具 有 很 高 的 電 阻 值 ； 有 光 照 時 ， 電 阻 值 隨 光 強(qiáng) 增 加 而 降 低 ； 光 照 停 止 時 ， 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 光 照 時 的 電 阻

10、 ； 暗 電 流 無 光 照 時 的 電 流 ； 亮 電 阻 、 亮 電 流 受 光 照 時 的 阻 值 、 電 流 ； 光 電 流 亮 電 流 與 暗 電 流 之 差 稱 亮 電 流 。 8.2 光 電 器 件 3、 光 敏 電 阻 第 22頁 /共 147頁 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 不 彎 曲 、 無 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 /共 147頁 光 譜 特 性 光 敏 電 阻 靈 敏 度 與 入 射 波 長 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 靈 敏 度 峰 位 波 長 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 /共 147頁 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 /共

12、147頁 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 /共 147頁 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 ： 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 光 和 遠(yuǎn) 紅 外 探 測 ， 以 及 自 動 控 制 、 自 動 報 警

13、 、 自 動計 數(shù) 等 領(lǐng) 域 和 裝 置 。 第 27頁 /共 147頁 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 PN結(jié) ，并 且 都 是 單 向 導(dǎo) 電 的 非 線 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 /共 147頁 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

14、光 照 時 ， 反 向 電 阻 很 大 ， 反 向 電 流 很 小 ； 有 光 照 時 ， PN結(jié) 處 產(chǎn) 生 光 生 電 子 空 穴 對 ； 在 電 場 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 /共 147頁 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 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 /共 147頁 光 譜 特 性 ， 當(dāng) 入 射 波 長 900nm時 ， 響 應(yīng) 下 降 ， 因 波 長 長 ， 光 子 能 量 小 于 禁 帶 寬 度 ， 不 產(chǎn) 生 電 子 空 穴 對 ； 當(dāng) 入 射 波 長 900nm時 ， 響 應(yīng) 也 逐 漸 下 降 ， 波 長 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 /共 147頁 光 敏 二 極 管 伏 安 特 性 伏 安 特 性 當(dāng) 反 向 偏 壓 較 低 時 ， 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 光 生 電 流 與 所 加 偏 壓 幾 乎無 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 /共 147頁 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 /共 147頁 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 等 因 素 有 關(guān) 。 圖 光 敏 二 極管 頻 率 響 應(yīng) 曲 線 說 明 調(diào) 制 頻 率 高 于1000Hz時 ， 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 8.2 光 電 器 件 4、 光 敏 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 第 34頁 /共 147頁 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 引 線 ， 集電 結(jié) 加 反 偏 。 玻 璃 封 裝 上 有 個 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 /共 147頁 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 /共 147頁 光 敏 晶 體 管 具 有 放 大 作 用 ， 伏 安 特 性 曲 線 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 /共 147頁 光 敏 晶 體 管 的 光 譜 特 性 硅 材 料 的 光 敏 管 峰 值 波 長 在 0.9 m附 近 （ 可 見 光 ） 靈 敏 度 最 大 ； 可 見 光 或 探 測 赤 熱

21、 狀 物 體 時 一 般 都 用 硅 管 鍺 管 的 峰 值 波 長 約 為 1.5 m（ 紅 外 光 ） 對 紅 外 進(jìn) 行 探 測 時 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 /共 147頁 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 作 用 時 就 是 電 源 ， 廣 泛 用 于 宇 航 電 源 ， 另 一 類 用 于檢 測 和 自 動 控 制 等 。 光 電

22、 池 種 類 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 第 39頁 /共 147頁 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 太 陽 能 手 機(jī) 充 電 器太陽能供 LED 電警示 太陽能電池 第 40頁 /共 147頁 結(jié) 構(gòu) ： 光 電 池 實 質(zhì) 是 一 個 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

23、 面 時 ， 電 子 空 穴 對 迅 速 擴(kuò) 散 ， 在 結(jié) 電場 作 用 下 建 立 一 個 與 光 照 強(qiáng) 度 有 關(guān) 的 電 動 勢 。 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 /共 147頁 光 照 特 性 開 路 電 壓 ， 光 生 電 動 勢 與 照 度 之 間 關(guān) 系 稱 開 路 電 壓 曲 線 ， 開路 電 壓 與 光 照 度 關(guān) 系 是 非 線 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 短 路 電 流 曲 線 曲 線 ，短 路 電 流 是 指 外 接 負(fù) 載 RL相 對 內(nèi) 阻 很 小 時 的 光 電 流 。 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 第 42頁 /共 147頁 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 量 元 件 使 用 時 ， 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 /共 147頁 光 譜 特 性 光 電 池

25、 對 不 同 波 長 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 范 圍 0.4 1.2 m。 硅 光 電 池 可 在 很寬 的 波 長 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 范 圍 0.38 0.75 m。 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 第 44頁 /共 147頁 光 電 池 譜 特 性 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 第 45頁 /共 147頁 頻 率 特 性 頻 率 特 性 指 光 電 池 相 對

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 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 /共 147頁 8.2 光 電 器 件 5、 光 電 池 （ 有 源 器 件 ） 溫 度 特 性 第 47頁 /共 147頁 v 電 路 連 接 光 電 池 作 為 控 制 元 件 時

27、 通 常 接 非 線 性 負(fù) 載 ， 控 制 晶 體 管 工 作 。 光 電 池 作 為 電 源 使 用 時 ， 根 據(jù) 使 用 要 求 進(jìn) 行 連 接 。 需 要 高 電 壓 時 應(yīng) 將 光 電 池 串 聯(lián) 使 用 ； 需 要 大 電 流 時 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 /共 147頁 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 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 ， 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 性 關(guān) 系 。光 電 池 電 路 連 接 第 49頁 /共 147頁 又 稱 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 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 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 /共 147頁 “光 耦 ” 集 成 器 件 的 特 點 ： 輸 入 輸 出 完 全 隔 離 ， 有 獨 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 、 噪 聲干 擾 。 特 別 適 宜 做 數(shù) 字 電 路 開 關(guān) 信 號 傳 輸 、 邏 輯 電 路 隔 離 器 、 計 算 機(jī) 測 量 、 控 制 系 統(tǒng) 中 做 無 觸 點 開 關(guān) 等 。 8.2 光 電 器 件 6、 光 電 耦 合 器 件 第 51頁

30、 /共 147頁 （1）組成開關(guān)電路 圖1電路中，當(dāng)輸入信號ui為低電平時，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)于開關(guān)“斷開”；當(dāng)ui為高電平時，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)于開關(guān)“接通”該電路因Ui為低電平時，開關(guān)不通，故為高電平導(dǎo)通狀態(tài)同理，圖2電路中，因無信號(Ui為低電平)時，開關(guān)導(dǎo)通，故為低電平導(dǎo)通狀態(tài) 第 52頁 /共 147頁 （2）功率驅(qū)動電路中的光電隔離 在微機(jī)控制系統(tǒng)中，大量應(yīng)用的是開關(guān)量的控制，這些開關(guān)量一般經(jīng)過微機(jī)的IO輸出，而IO的驅(qū)動能力有限，一般不足以驅(qū)動一些電

31、磁執(zhí)行器件，需加接驅(qū)動介面電路，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)控制信號與可控硅觸發(fā)電路進(jìn)行隔離 第 53頁 /共 147頁 在馬達(dá)控制電路中，也可采用光耦來把控制電路和馬達(dá)高壓電路隔離開。馬達(dá)靠MOSFET或IGBT功率管提供驅(qū)動電流，功率管的開關(guān)控制信號和大功率管之間需隔離放大級。在光耦隔離級放大器級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 （1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源，若兩端共用一個電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義

32、。（2）當(dāng)用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時，必須對所有的信號（包括數(shù)位量信號、控制量信號、狀態(tài)信號）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒有意義的。 第 54頁 /共 147頁 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 火 器 電 路 第 55頁 /共 147頁 8.2 光 電 器 件 7、 光 電 開 關(guān) （1）工作原理 光電開關(guān)（光電傳感器）是光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關(guān)

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

34、阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。 對射式光電開關(guān)：它包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)檢測物體為不透明時，對射式光電開關(guān)是最可靠的檢測裝置。 槽式光電開關(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)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)量信號。 槽式光電開關(guān)比較適合檢測高速運動的物體，并且它能分辨透明與半透明物體,使用安全可靠。 第 58頁 /共 147頁 第 59頁 /共 147頁 （3） 光電開關(guān)的

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

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

37、 使用注意事項 紅外線傳感器屬漫反射型的產(chǎn)品，所采用的標(biāo)準(zhǔn)檢測體為平面的白色畫紙。 紅外線光電開關(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太陽光等強(qiáng)光源。 對射式光電開關(guān)最小可檢測寬度為該種光電開關(guān)透鏡寬度的80%。 當(dāng)使用感性負(fù)載（如燈、電動機(jī)等）時，其瞬態(tài)沖擊電流較大，可能劣化或損壞交流二線的光電開關(guān)，在這種情況下，請將負(fù)載經(jīng)過交流繼電器來轉(zhuǎn)換使用。 紅外線光電開關(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。 針對用戶的現(xiàn)場實際要求，在一些較為惡劣的條件下，如灰塵較多的場合，所生產(chǎn)的光電開關(guān)在靈敏度的選擇上增加了50%，以適應(yīng)在長期使用中延長光電

38、開關(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)格的測試合格后才出廠，在一般情況下使用均不會出現(xiàn)損壞。為了避免意外性發(fā)生，請用戶在接通電源前檢查接線是否正確，核定電壓是否為額定值。 第 63頁 /共 147頁 消 除 背 景 物 的 影 響 第 64頁 /共 147頁 （5）應(yīng)用舉例 從圖6可以看出光電開關(guān)的各種應(yīng)用。其中，圖6（a）為光電開關(guān)用于對材料的定位剪切控制；圖6（b）為用光電開關(guān)來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，光電開關(guān)控制電路可使閾門打開或關(guān)閉，使液面位的高度保持在上下限之間；圖6（c）為利用物體對光的遮擋作用，檢測物體的通過個數(shù)，或物體是否存在

39、；圖6（d）為利用光的直線傳播性，檢驗產(chǎn)品是否等高排列；圖6（e）為將光電開關(guān)用在流水生產(chǎn)線上，來檢測產(chǎn)品的個數(shù)；圖6（f）為用光電開關(guān)檢測液面位的高低。 第 65頁 /共 147頁 第 66頁 /共 147頁 第 67頁 /共 147頁 透 射 式 反 射 式 第 68頁 /共 147頁 光電鼠標(biāo)的工作原理是：在光電鼠標(biāo)內(nèi)部有一個發(fā)光二極管，通過該發(fā)光二極管發(fā)出的光線，照亮光電鼠標(biāo)底部表面（這就是為什么鼠標(biāo)底部總會發(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，經(jīng)過一組光學(xué)透鏡，傳輸?shù)揭粋€光感應(yīng)器件（微成像器）內(nèi)成像。這樣，當(dāng)光電鼠標(biāo)移動時，其移動軌跡便會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)部的一塊專用圖像分析芯片（DSP，即數(shù)字微處理器）對移動軌跡上攝取的一系列圖像進(jìn)行分析處理，通過對這些圖像上特征點位置的變化進(jìn)行分析，來判斷鼠標(biāo)的移動方向和移動距離，從而完成光標(biāo)的定位。 第 69頁 /共 147頁 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 是 以 電 荷 作 為 信 號 ， 實 現(xiàn) 電 荷 的 存儲 和 電 荷 的 轉(zhuǎn) 移 。 因 此 ， CCD工 作 過 程 的 主 要 問 題 是 信 號 電 荷 的 產(chǎn) 生 、存

41、 儲 、 傳 輸 和 檢 測 。 特 點 ： 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 領(lǐng) 域 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） ChargeCoupled Devices 第 70頁 /共 147頁 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 第 71頁 /共 147頁 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 /共 147頁 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 圖象傳感器發(fā)展趨勢 第 73頁 /共 147頁 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 ） 個 光 敏 元 ， 一 個 光 敏 元 又 稱 一 個 像 素 ， 在 半 導(dǎo) 體 硅 平 面 上

43、光 敏 元 按 線 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 /共 147頁 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） v 電 荷 存 儲 原 理 ： 當(dāng) 金 屬 電 極 上 加 正 電 壓 時 ， 由 于 電 場 作 用 ， 電 極 下 P型 硅 區(qū) 里 空 穴 被 排 斥 入 地 成 耗 盡 區(qū) 。 對 電 子 而 言 ， 是 一 勢 能 很 低 的 區(qū) 域 ， 稱 “ 勢 阱 ” 。 有

44、光 線 入 射 到 硅 片 上 時 ， 光 子 作 用 下 產(chǎn) 生 電 子 空 穴 對 ， 空 穴 被 電 場 作 用 排 斥 出 耗 盡 區(qū) ， 而 電 子 被 附 近 勢 阱 （ 俘 獲 ） ， 此 時 勢 阱 內(nèi) 吸 的 光 子 數(shù) 與 光 強(qiáng) 度 成 正 比 。 一 個 MOS光 敏 元 結(jié) 構(gòu) 第 75頁 /共 147頁 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 一 個 MOS結(jié) 構(gòu) 元 為 MOS光 敏 元 或 一 個 像 素 ， 把 一 個 勢 阱 所 收 集 的 光 生 電 子 稱 為 一 個 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 金 屬 電 極 加 電 壓 ， 就 形 成 成 百 上 千 個 勢 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 /共 147頁 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 /共 147頁

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 電 路 進(jìn) 行 輸 出 ， CCD電 荷 耦 合 器 件 是 以 電 荷 為 信 號 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 光 線 干 擾 。 由 三 個 十 分 鄰 近 的 電 極 組 成 一 個 耦 合 單 元 ； 在 三 個 電 極 上 分

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

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

49、擔(dān) 任 電 荷 傳 輸 的 單 元 稱 移 位 寄 存 器 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 第 81頁 /共 147頁 uCCD信 號 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 電 荷 來 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 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 輸 出 方 式 第 82頁 /共 147頁 輸 出 信 號 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 時 鐘周 期 信 號 到 來 如 此 循 環(huán) 下 去 。 單 溝 道 CCD驅(qū) 動 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 第 83頁 /共 147頁 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 /共 147頁 CCD器 件 的 物 理 性 能 可 以 用 特 性 參 數(shù) 來 描 述 內(nèi) 部 參 數(shù) 描 述 的 是 CCD存 儲 和 轉(zhuǎn) 移 信 號 電 荷 有 關(guān) 的 特 性 ,是 器件 理 論 設(shè) 計 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 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 /共 147頁 CCD器 件 分 為 線 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 陣 CCD結(jié) 構(gòu) 線 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 轉(zhuǎn) 移 控 制 柵 ， 1024位 線 陣 ， 由 1024個 光 敏 元 1024個 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 程 是 一 個 串 行 輸 出 過 程 。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） CCD器 件 第 86頁 /共 147頁 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 /共 147頁 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 64位 線 陣 CCD結(jié) 構(gòu) 第 88頁 /共 147頁 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 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 /共 147頁 對 不 同 型 號 的 CCD器 件 而 言 ， 其 工 作 機(jī) 理 是 相 同 的 。 不 同 型 號 的 CCD器 件 具 有 完 全 不 同 的 外 型 結(jié) 構(gòu) 和 驅(qū) 動 時 序 ， 在 實際 使 用 時 必 須 加 以 注 意 。 我 們 可 以 通 過 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 單 介 紹 ， 其 它 型 號 的 器 件 大 同 小 異 。 TCD142D是 一 種 具 有 2048位 像 元 的 兩 相 線 陣 CCD器 件 ， TCD142D有 22個 引 腳 ， 其 中 12個 是 空 腳 ； 1A、 2A、 1B、 2B

56、 均 為 時 鐘 端 ， SH為 轉(zhuǎn) 移 柵 ， RS為 復(fù) 位 柵 ， OS為 信 號 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 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 電 路 。 脈 沖 電 路 產(chǎn) 生 HS、 1、 2、 RS四 路 脈 沖 由 非 門 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 器 ， 放 大 至 一 定 量 以 后 用 以 驅(qū) 動 TCD142D。 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） TCD142D驅(qū) 動 電 路 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） CCD傳 感 器 應(yīng) 用 時 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 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 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 方 法 ， CCD被 廣 泛 用 于 再 線 檢 測 尺 寸 、 位 移 、速 度 、 定 位 和 自 動 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 量 幾 何 量 ， CCD誕 生 后 ， 首 先 在 工 業(yè) 檢 測 中 制 成 測 量 長度 的 光 電 傳 感 器 ， 物 體 通 過 物 鏡 在 CCD光 敏 元 上 造 成 影 像 ， CCD輸出 的 脈 沖

60、表 征 測 量 工 件 的 尺 寸 或 缺 陷 ； 用 于 傳 真 技 術(shù) ， 文 字 、 圖 象 識 別 。 例 如 用 CCD識 別 集 成 電 路 焊 點 圖案 ， 代 替 光 點 穿 孔 機(jī) 的 作 用 ； 自 動 流 水 線 裝 置 ， 機(jī) 床 、 自 動 售 貨 機(jī) 、 自 動 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 廉 、 工 作 電 壓 低 、 功 耗 小 ， 且 不 需 要 高 壓 ; 作 為 機(jī) 器 人 視 覺 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 ， 信 號 發(fā) 射 到 存 儲 器 ， 存 儲 器 取 下 后 接 入計 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/共147 頁 8.2 光 電 器 件 電 荷 耦 合 器 件 （ CCD） 實 例 1

62、： 測 量 拉 絲 過 程 中 絲 的 線 徑 、 軋 鋼 的 直 徑 、 機(jī) 械 加 工 的 軸 類 或 桿 類 的 直 徑 等 等 ，這 里 以 玻 璃 管 直 徑 與 壁 厚 的 測 量 為 例 。 玻璃管CCD 視頻信號 第 100頁 /共 147頁 測 量 原 理 : 在 熒 光 燈 的 玻 璃 管 生 產(chǎn) 過 程 中 ， 總 是 需 要 不 斷 測 量 玻 璃 管 的 外 圓 直 徑 及 壁 厚 ， 并 根 據(jù) 監(jiān) 測 結(jié) 果 對 生 產(chǎn) 過 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 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 玻 璃 管 相 關(guān) 尺 寸 進(jìn) 行 實 時 監(jiān) 測 ， 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 例 1： 第 101頁 /共 147頁 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 數(shù) ） 為 N， 測 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 /共 147頁 線 陣 CCD進(jìn) 行 工 件 尺 寸 測 量實 例 2： 第 103頁 /共 147頁 M2A膠 囊 CCD在 醫(yī) 療 診 斷 中 的 應(yīng) 用

65、實 例 3： 第 104頁 /共 147頁 光 導(dǎo) 纖 維 簡 稱 光 纖 光 纖 傳 感 器 是 20世 紀(jì) 70年 代 中 期 發(fā) 展 起 來 的 一 門 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 ： 不 受 電 磁 干 擾 ， 防 爆 性 能 好 ， 不 會 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 /共 147頁 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 /共 147頁 光 纖 的 傳 播 基 于 光 的 全 反 射 。 當(dāng) 光 線 以 不 同 角 度 入 射 到 光 纖 端 面 時 ， 在 端 面 發(fā) 生 折 射 后 進(jìn) 入 光 纖 ； v 光 線 在 光 纖 端 面 入 射 角 減 小 到 某 一 角 度 c時 ， 光 線 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)