第五組光電式傳感器

1、 光電式傳感器第五組專用課件一、光電式傳感器概念n光電式傳感器（或稱光敏傳感器）n是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電壓、電流、電阻等）的裝置。n按工作原理分類n光電效應(yīng)傳感器n紅外熱釋電探測(cè)器n固體圖像傳感器n光纖傳感器 二、光電式傳感器的基本形式n由光路及電路兩大部分組成n光路部分實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)對(duì)光量的控制和調(diào)制n電路部分完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換三、光電效應(yīng)與光電器件n光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量可表示為 n光電效應(yīng)方程 Eh v2012kEmvh vA A0為逸出功，m為電子質(zhì)量，v為電子逸出速度，為光頻率光電器件n光電器件是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N傳感器件。是構(gòu)成光電式傳感器的

2、主要部件。n光電器件工件的物理基礎(chǔ)：光電效應(yīng)。n光電效應(yīng)分為：內(nèi)光電效應(yīng)、外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng)型光電器件n內(nèi)光電效應(yīng)是指在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象n這種效應(yīng)可分為因光照引起半導(dǎo)體電阻率變化的光電導(dǎo)效應(yīng)和因光照產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光生伏特效應(yīng)兩種（1）光敏電阻）光敏電阻n1. 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理n 光敏電陰是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性， 使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。n無光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。

3、 n一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好， 此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級(jí)， 亮電阻值在幾千歐以下。 光敏電阻的結(jié)構(gòu)金屬電極半導(dǎo)體玻璃底板電源檢流計(jì)RLEI(a)(b)(c)Ra光敏電阻結(jié)構(gòu) (a) 光敏電阻結(jié)構(gòu)； (b) 光敏電阻電極； (c) 光敏電阻接線圖2. 光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù)n暗電阻 n光敏電阻在不受光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻， 此時(shí)流過的電流稱為暗電流。 n亮電阻 n光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。 n光電流 n亮電流與暗電流之差3、光敏電阻的基本特性n伏安特性 在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電

4、阻兩端的電壓的關(guān)系。403020100I / mA10010001 x500 mW1001 x功率200U / V101 x硫化鎘光敏電阻的伏安特性 光照特性n指光敏電阻的光電流I和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系光敏電阻的光照特性 光譜特性n光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系。即光敏電阻對(duì)入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有不同的靈敏度。Sr / (%) / A2040608010001.53硫化鉛硫化鉈硫化鎘 光敏電阻的光譜特性 頻率特性n光敏電阻的光電流不能隨著光強(qiáng)改變而立刻變化，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時(shí)間常數(shù)表示，對(duì)應(yīng)著不同材料的頻率特性。100

5、806040200101001 00010 000硫化鎘硫化鉛S /( %)f / Hz光敏電阻的頻率特性 溫度特性n光敏電阻和其它半導(dǎo)體器件一樣，受溫度影響較大。溫度變化時(shí)，影響光敏電阻的光譜響應(yīng)、靈敏度和暗電阻。n硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。1.02.03.04.00204060801002020 / mS / (%)硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 （2）光電池）光電池n光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。即電源。 n工作原理：基于“光生伏特效應(yīng)”。n光電池實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面，例如P型面時(shí)， 若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個(gè)

6、光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴， 電子-空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散， 在結(jié)電場(chǎng)的作用下，最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。光電池結(jié)構(gòu)、符號(hào)光電池結(jié)構(gòu)、符號(hào)光電池種類光電池種類 n光電池的種類很多，有硅光電池、硒光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池等n最受人們重視的是硅光電池。因?yàn)樗哂行阅芊€(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高、能耐高溫輻射、價(jià)格便宜、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。它不僅廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星和宇宙飛船作為太陽(yáng)能電池，而且也廣泛應(yīng)用于自動(dòng)檢測(cè)和其它測(cè)試系統(tǒng)中n硒光電池由于其光譜峰值位于人眼的視覺范圍，所以在很多分析儀器、測(cè)量?jī)x表中也常常用到。 外光電效應(yīng)型光電器件n當(dāng)光照射到金屬或金屬氧

7、化物的光電材料上時(shí)，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會(huì)克服正離子對(duì)它的吸引力，脫離材料表面而進(jìn)入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。n即外光電效應(yīng)是在光線作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象。n根據(jù)外光電效應(yīng)做出的光電器件有光電管和光電倍增管。1、光電管及其基本特性、光電管及其基本特性光電管的伏安特性 光電管的光照特性光電管的光譜特性2、光電倍增管及其基本特性、光電倍增管及其基本特性主要參數(shù)主要參數(shù) n倍增系數(shù) Mn陽(yáng)極電流 n光電倍增管的電流放大倍數(shù)n光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度n暗電流n光電倍增管的光譜特性nIi Mi /nI i總結(jié)四、光電傳

8、感器的應(yīng)用u光電傳感器應(yīng)用方法光電傳感器由光源、光學(xué)元器件和光電元器件組成光電傳感器由光源、光學(xué)元器件和光電元器件組成光路系統(tǒng)，結(jié)合相應(yīng)的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路而構(gòu)成。常用的光光路系統(tǒng)，結(jié)合相應(yīng)的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路而構(gòu)成。常用的光源有各種白熾燈和發(fā)光二極管，常用光學(xué)元件有各種反源有各種白熾燈和發(fā)光二極管，常用光學(xué)元件有各種反射鏡、透鏡和半反半透鏡等。射鏡、透鏡和半反半透鏡等。光電傳感器按其輸出量不同分為模擬式和脈沖式兩光電傳感器按其輸出量不同分為模擬式和脈沖式兩大類。模擬式光電傳感器是基于光電元器件的光電流隨大類。模擬式光電傳感器是基于光電元器件的光電流隨光通量而發(fā)生變化，而光通量又隨被測(cè)非電量的變化而光通量

9、而發(fā)生變化，而光通量又隨被測(cè)非電量的變化而變化，這樣光電流就成為被測(cè)非電量的函數(shù)。影響光電變化，這樣光電流就成為被測(cè)非電量的函數(shù)。影響光電元器件接收量的因素可能是光源本身的變化，也可能是元器件接收量的因素可能是光源本身的變化，也可能是由光學(xué)通路所造成的，模擬式光電傳感器通常有如圖所由光學(xué)通路所造成的，模擬式光電傳感器通常有如圖所示的幾種形式。示的幾種形式。光電傳感器的幾種形式如圖（a）所示，由被測(cè)物發(fā)出的光通量直接照射到光電元件上，通過測(cè)量光能量的強(qiáng)度可知被測(cè)物的溫度。如光電比色高溫計(jì)。如圖（b）所示，恒光源穿過被測(cè)物，部分被吸收，而后到達(dá)光電元件上?？筛鶕?jù)被測(cè)對(duì)象對(duì)輻射的吸收量或?qū)︻l譜的選擇

10、性來測(cè)量液體、氣體的透明度或渾濁度，或者對(duì)氣體進(jìn)行成份分析，或?qū)σ后w中某種物質(zhì)含量進(jìn)行測(cè)定等。如圖（c）所示，恒光源發(fā)出的光通量先到達(dá)被測(cè)物，再用光電元件接收從被測(cè)物表面反射出來的光。由于反射光通量的多少?zèng)Q定于被測(cè)對(duì)象的表面性質(zhì)和狀態(tài)，因此它可以測(cè)量機(jī)械加工零件的表面光潔度、表面粗糙度等。如圖（d）所示，恒光源發(fā)射的光到達(dá)光電元件的路徑上，受到被測(cè)物的遮蔽，因此照射到光電元件上的光通量發(fā)生了變化，根據(jù)被測(cè)對(duì)象阻擋光通量的多少來測(cè)量被測(cè)對(duì)象的幾何尺寸（如長(zhǎng)度、厚度等）或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（如線位移、角位移）。脈沖式光電傳感器受光照射時(shí)，有電信號(hào)輸出，不受光照時(shí)無電信號(hào)輸出，即輸出僅有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)：“通”和“斷”。這樣，便把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的光電流，由自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)輸出開關(guān)量或數(shù)字電信號(hào)，它大多用于光機(jī)電相結(jié)合的檢測(cè)裝置中，如轉(zhuǎn)速表和脈沖發(fā)生器等。五、光纖傳感器n光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致