光電傳感器及應用ppt課件-資料下載頁

　　

【正文】 產生電荷包 （ t=t0） ；當 P2極加上同樣的電壓時 ， 由于兩電勢下面勢阱間的耦合 ， 原來在 P1下的電荷將在 P P2兩電極下分布 （ t=t1） ；當 P1回到低電位時 ， 電荷包全部流入 P2下的勢阱中 （ t=t2） 。然后 ， p3的電位升高 ， P2回到低電位 ， 電荷包從 P2下轉到 P3下的勢阱 （ t=t3） ， 以此控制 ， 使 P1下的電荷轉移到P3下 。 隨著控制脈沖的分配 ， 少數(shù)載流子便從 CCD的一端轉移到最終端 。 終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子 ，送入放大器處理 ， 便實現(xiàn) 電荷移動 。 2．線型 CCD圖像傳感器 線型 CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列 CCD并行且對應的構成一個主體 ,在它們之間設有一個轉移控制柵 ,如圖 (a)所示 。 在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極 ,由一個 P型溝阻使其在電氣上隔開 。 當入射光照射在光敏元件陣列上 ,梳狀電極施加高電壓時 ,光敏元件聚集光電荷 ,進行光積分 ,光電荷與光照強度和光積分時間成正比 。 在光積分時間結束時 ,轉移柵上的電壓提高 (平時低電壓 ),與 CCD對應的電極也同時處于高電壓狀態(tài) 。 然后 ,降低梳狀電極電壓 ， 各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉移到移位寄存器中 。 當轉移完畢 ,轉移柵電壓降低 ,梳妝電極電壓回復原來的高電壓狀態(tài) ,準備下一次光積分周期 。 同時 ,在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖 ,將存儲的電荷從 CCD中轉移 ,由輸出端輸出 。 這個過程重復地進行就得到相繼的行輸出 ,從而讀出電荷圖形 。 目前 ， 實用的線型 CCD圖像傳感器為雙行結構 ， 如圖 （ b） 所示 。 單 、 雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉移到上 、 下方的移位寄存器中 ， 然后 ， 在控制脈沖的作用下 ， 自左向右移動 ， 在輸出端交替合并輸出 ， 這樣就形成了原來光敏信號電荷的順序 。 轉移柵 光積分單元 不透光的電荷轉移結構 光積分區(qū) 輸出 轉移柵 (a) (b) 線型 CCD圖像傳感器 輸出 3．面型 CCD圖像傳感器 面型 CCD圖像傳感器由感光區(qū) 、 信號存儲區(qū)和輸出轉移部分組成 。 目前存在三種典型結構形式 ， 如圖所示 。 圖 (a)所示結構由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內的信息轉移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉換為視頻圖像信號。這種結構易于引起圖像模糊。 二相驅動 視頻輸出 行 掃 描 發(fā) 生 器 輸出寄存器 檢波二極管 二相驅動 感光區(qū) 溝阻 P1 P2 P3 P1 P2 P3 P1 P2 P3 感光區(qū) 存儲區(qū) 析像單元 視頻輸出 輸出柵 串行讀出 面型 CCD圖像傳感器結構 (a) (b) 圖 （ b） 所示結構增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲區(qū) 。 在正常垂直回掃周期內 ， 具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲區(qū) 。 在垂直回掃結束后 ， 感光區(qū)回復到積光狀態(tài) 。 在水平消隱周期內 ， 存儲區(qū)的整個電荷圖像向下移動 ， 每次總是將存儲區(qū)最底部一行的電荷信號移到水平讀出器 ，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動以視頻信號輸出 。 當整幀視頻信號自存儲移出后 ， 就開始下一幀信號的形成 。 該 CCD結構具有單元密度高 、電極簡單等優(yōu)點 ， 但增加了存儲器 。 光柵報時鐘 二相驅動 輸出寄存器 檢波二極管 視頻輸出 垂直轉移 寄存器 感光區(qū) 二相驅動 (c) 圖 (c)所示結構是用得最多的一種結構形式。它將圖 (b)中感光元件與存儲元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結束時，轉移控制柵打開，電荷信號進入存儲區(qū)。隨后，在每個水平回掃周期內，存儲區(qū)中整個電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號輸出。這種結構的器件操作簡單，但單元設計復雜，感光單元面積減小，圖像清晰。 目前，面型 CCD圖像傳感器使用得越來越多，所能生產的產品的單元數(shù)也越來越多，最多已達 1024 1024像元。我國也能生產 512 320像元的面型 CCD圖像傳感器。 三、光電耦合器 光電耦合器是由一發(fā)光元件和一光電傳感器同時封裝在一個外殼內組合而成的轉換元件 。 絕緣玻璃 發(fā)光二極管 透明絕緣體 光敏三極管 塑料 發(fā)光二極管 光敏三極管 透明樹脂 1. 光電耦合器的結構 采用金屬外殼和玻璃絕緣的結構 ， 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 ， 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構 。 管心先裝于管腳上 ， 中間再用透明樹脂固定 ， 具有集光作用， 故此種結構靈敏度較高 。 2. 光電耦合器的組合形式 光電耦合器的組合形式有多種 ， 如圖 。 (a) (b) (c) (d) 光電耦合器的組合形式 該形式結構簡單、成本低，通常用于 50kHz以下工作頻率的裝置內。 該形式采用高速開關管構成的高速光電耦合器 ,適用于較高頻率的裝置中。 該組合形式采用了放大三極管構成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅動和較低頻率的裝置中。 該形式采用功能器件構成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。 一、煙塵濁度監(jiān)測儀 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務之一 。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 、 自動顯示和超標報警 。 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 。 第五節(jié) 光電傳感器的應用舉例 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 二、光電轉速傳感器 2 3 1 2 3 1 (a) (b) 光電數(shù)字式轉速表工作原理圖 下圖是光電數(shù)字式轉速表的工作原理圖。 圖 (a)是在待測轉速軸上固定一帶孔的轉速調置盤，在調置盤一邊由白熾燈產生恒定光，透過盤上小孔到達光敏二極管組成的光電轉換器上，轉換成相應的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉速由該脈沖頻率決定。 在待測轉速的軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當轉軸轉動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉換為電脈沖信號。 三、光電池應用 光電池主要有兩大類型的應用： ?將光電池作光伏器件使用 ， 利用光伏作用直接將大陽能轉換成電能 ， 即太陽能電池 。 這是全世界范圍內人們所追求 、 探索新能源的一個重要研究課題 。 太陽能電池已在宇宙開發(fā) 、 航空 、 通信設施 、 太陽電池地面發(fā)電站 、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應用 。 目前太陽電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競爭 ， 但是隨著太陽電池技術不斷發(fā)展 ， 成本會逐漸下降 ， 太陽電池定將獲得更廣泛的應用 。 ?將光電池作光電轉換器件應用 ， 需要光電池具有靈敏度高 、 響應時間短等特性 ， 但不必需要像太陽電池那樣的光電轉換效率 。 這一類光電池需要特殊的制造工藝 ， 主要用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中 。 光電池應用舉例如下： 1．太陽電池電源 太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負載供電，則加一個直流－交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。 調節(jié)控制器 逆變器 交流負載 太陽 電池 方陣 直流負載 太陽能電池電源系統(tǒng) 阻塞二極管 2．光電池在光電檢測和自動控制方面的應用 光電池作為光電探測使用時 ， 其基本原理與光敏二極管相同 ， 但它們的基本結構和制造工藝不完全相同 。 由于光電池工作時不需要外加電壓；光電轉換效率高 ， 光譜范圍寬 ， 頻率特性好 ， 噪聲低等 ， 它已廣泛地用于光電讀出 、光電耦合 、 光柵測距 、 激光準直 、 電影還音 、紫外光監(jiān)視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等 。 (a) 光電追蹤電路 +12V R4 R3 R6 R5 R2 R1 W BG1 BG2 圖 (a)為光電地構成的光電跟蹤電路 ， 用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件 。 當入射光通量相同時 ， 執(zhí)行機構按預定的方式工作或進行跟蹤 。 當系統(tǒng)略有偏差時 ， 電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機構進行糾正 ， 以此達到跟蹤的目的 。 光電池在檢測和控制方面應用中的幾種基本電路 BG2 BG1 +12V C J R1 R2 (b) 光電開關 圖 (b)所示電路為光電開關 ， 多用于自動控制系統(tǒng)中 。 無光照時 ， 系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài) ， 如通態(tài)或斷態(tài) 。當光電池受光照射時 ， 產生較高的電動勢 ， 只要光強大于某一設定的閾值 ， 系統(tǒng)就改變工作狀態(tài) ， 達到開關目的 。 (c) 光電池觸發(fā)電路 R1 R2 R3 R4 R5 R6 BG1 BG2 BG3 BG4 C1 C2 C3 +12V W 圖 (c)為光電池觸發(fā)電路 。 當光電池受光照射時 ， 使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉 ，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件 (如可控硅 )導通 。 +12V 5G23 (d) 光電池放大電路 C3 12V W R1 R2 R3 R4 R5 C1 C2 1 8 7 6 5 4 3 2 圖 (d)為光電池放大電路 。 在測量溶液濃度 、 物體色度、 紙張的灰度等場合 ， 可用該電路作前置級 ， 把微弱光電信號進行線性放大 ， 然后帶動指示機構或二次儀表進行讀數(shù)或記錄 。 在實際應用中 ， 主要利用光電池的光照特性、 光譜特性 、 頻率特性和溫度特性等 ， 通過基本電路與其它電子線路的組合可實現(xiàn)或自動控制的目的 。 220V C1 路燈 CJD10 8V 200μ F 200μ F C2 C3 100μ F R1 R3 R5 R7 R4 R6 R7 R2 J 470kΩ 200kΩ 10kΩ BG1 280kΩ 25kΩ 57kΩ 10kΩ 路燈自動控制器 BG2 BG3 BG4 2CR