第8章_光電式傳感器講稿(全)

1、1第八章第八章 光電式傳感器光電式傳感器n學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的：n掌握光電式傳感器的基本原理。掌握光電式傳感器的基本原理。n了解光敏電阻、光敏晶體管、光電池和了解光敏電阻、光敏晶體管、光電池和ccd傳感器的傳感器的工作機(jī)理特性和典型應(yīng)用。工作機(jī)理特性和典型應(yīng)用。n光電式傳感器的光電式傳感器的作用：作用：n可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光光強(qiáng)、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等。照度、輻射測溫、氣體成分分析等。n也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加

2、件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。2第八章 光電式傳感器 將光量的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置將光量的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置電量x1x2光量光源光學(xué)通路光電元件光量測量電路電量輸出光電傳感器的組成：光電傳感器的組成：工程檢測中的光源，可以是各種發(fā)光器件產(chǎn)生，也可以是物體的輻射光。工程檢測中的光源，可以是各種發(fā)光器件產(chǎn)生，也可以是物體的輻射光。3補(bǔ)充補(bǔ)充4一、光譜一、光譜光波：光波： 波長為波長為101010106 6nmnm的電磁波的電磁波紫紫外線：外線：波長波長1010380nm380nm， 波長波長30

3、0300380nm380nm稱為近紫外線稱為近紫外線 波長波長200200300nm300nm稱為遠(yuǎn)紫外線稱為遠(yuǎn)紫外線 波長波長1010200nm200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，稱為極遠(yuǎn)紫外線，可見光：可見光：波長波長380780nm紅外線：紅外線：波長波長78078010106 6nmnm 波長波長3m3m（即（即3000nm3000nm）以下的稱近紅外線）以下的稱近紅外線 波長超過波長超過3m 3m 的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。 光譜分布如圖所示。光譜分布如圖所示。概述概述5遠(yuǎn)紫外遠(yuǎn)紫外近紫外近紫外可見光可見光近紅外近紅外遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外極遠(yuǎn)紫外0.01105波長/m波數(shù)/c

4、m-1頻率/Hz光子能量/eV1061051041035105510451031015510141014510131001015050.551015101631018=31010cm / s光 的 波 長 與 頻 率 的 關(guān) 系 由 光 速 確 定 ， 真 空 中 的 光 速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波長和頻率的關(guān)系為 的單位為Hz，的單位為cm。 6hE 71.1.白熾光源白熾光源發(fā)光范圍：發(fā)光范圍：特點：特點：893.3.發(fā)光二極管發(fā)光二極管101111光電器光電器件種類很多件種類很多: :光信號光信號光電傳感器光電傳感器電信號電信號概概 述述121

5、2指紋鎖指紋鎖指紋門禁指紋門禁光光 電電 鼠鼠 標(biāo)標(biāo)概概 述述1313光電開關(guān)概概 述述1414 1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。 第第8 8章章 光電傳感器光電傳感器15工作原理：光電效應(yīng)工作原理：光電效應(yīng)物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體的電效應(yīng)。物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體的電效應(yīng)。光電效應(yīng)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 定義：對不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率定義：對不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作是一連串能越高，光子能量越大。用光照射某

6、一物體，可以看作是一連串能量為量為AuAu的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，這種物理現(xiàn)象稱為體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，這種物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。16 一、一、 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) E=h 在光照下，物體內(nèi)電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。在光照下，物體內(nèi)電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。式

7、中： h普朗克常數(shù)=6.62610-34(Js) 光的頻率（s-1）。 當(dāng)當(dāng)E 時，電子逸出物體表面產(chǎn)生光電子時，電子逸出物體表面產(chǎn)生光電子0A1702021Amvhv根據(jù)能量守恒定律：根據(jù)能量守恒定律：結(jié)論：結(jié)論：1、光電子能否產(chǎn)生取決于光子能量是否大于該物體表面逸出功、光電子能否產(chǎn)生取決于光子能量是否大于該物體表面逸出功 。0A才能產(chǎn)生光電子。才能產(chǎn)生光電子。2、光電子數(shù)與光強(qiáng)成正比。、光電子數(shù)與光強(qiáng)成正比。3、必須加負(fù)的截止電壓，以保證未工作時光電流為、必須加負(fù)的截止電壓，以保證未工作時光電流為0。4、外光電效應(yīng)從光照到發(fā)射光電子幾乎瞬間發(fā)生。、外光電效應(yīng)從光照到發(fā)射光電子幾乎瞬間發(fā)生。

8、18真空光電管真空光電管phototube19光電倍增管（日本）光電倍增管（日本）20在各個倍增極上在各個倍增極上加上一定的電壓，加上一定的電壓，陰極陰極K電位最低，電位最低，從陰極開始，各從陰極開始，各個倍增極電位依個倍增極電位依次升高，陽極次升高，陽極A電位最高。電位最高。21 二、二、 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 在光線作用下，物體的在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化導(dǎo)電性能發(fā)生變化或或產(chǎn)生光生電動勢產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。稱為內(nèi)光電效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)1、光電池、光電池2、光敏電阻、光敏電阻3、光敏二極管和光敏三極管、光敏二極管和光敏三極管4

9、、CCD幾種常見的光電器件幾種常見的光電器件228.1 8.1 常見光電器件常見光電器件一、光敏電阻一、光敏電阻金屬電極半導(dǎo)體玻璃底板電源檢流計RLEI(a)(b)(c)Ra光敏電阻結(jié)構(gòu)光敏電阻結(jié)構(gòu) (a) 光敏電阻結(jié)構(gòu)；光敏電阻結(jié)構(gòu)； (b) 光敏電阻電極；光敏電阻電極； (c) 光敏電阻接線圖光敏電阻接線圖1. 光敏電阻的結(jié)構(gòu)和原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)和原理 23光敏電阻演示光敏電阻演示 當(dāng)光敏電阻受當(dāng)光敏電阻受到光照時，到光照時，光生光生電子電子空穴對增空穴對增加，加，阻值減小，阻值減小，電流增大。電流增大。暗電流（越小越好）暗電流（越小越好）24n光敏電阻光照特性光敏電阻光照特性 n 無光照

10、時，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；無光照時，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值； n 有光照時，電阻值隨光強(qiáng)增加而降低；有光照時，電阻值隨光強(qiáng)增加而降低； n 光照停止時，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。光照停止時，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。 25(1) 暗電阻：暗電阻： 2. 光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù) (3) 光電流：光電流：光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻，光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻， 此時流過此時流過的電流稱為暗電流。的電流稱為暗電流。 (2) 亮電阻：亮電阻：光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的光敏電阻在受光照射時的電阻稱為

11、亮電阻，此時流過的電流電流稱為亮電流。稱為亮電流。 亮電流與暗電流之差稱為光電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。26 Question：那么實際應(yīng)用中，我們希望暗電阻越大越好？亮電阻呢？Answer：暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，這樣靈敏度就越高。 3. 光敏電阻的特性光敏電阻的特性 1）伏安特性）伏安特性阻值大小與照度有關(guān)電壓越高，光電流越大，且沒有飽和現(xiàn)象。光照度光照度 單位面積的光通量單位面積的光通量27 光敏電阻的伏安特性光敏電阻的伏安特性 曲線不彎曲、無飽和，曲線不彎曲、無飽和， 但受最大功耗限制。但受最大功耗限制。 阻值大小與照度有關(guān)電壓越高，光電流越大，且沒有飽和現(xiàn)象。1)伏安

12、特性伏安特性280.050.100.150.200.250.300.350.4000.20.40.60.81.01.21.4I / mA / lm光照特性 光敏電阻的光照特性是描述光電流I和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系，不同材料的光照特性是不同的，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性是非線性的。29204060801004008001200160020002400/nm312相對靈敏度1硫化鎘2硒化鎘3硫化鉛2）光譜特性）光譜特性與材料有關(guān)意義：應(yīng)根據(jù)實際光源情況選擇不同的光敏電阻材料。意義：應(yīng)根據(jù)實際光源情況選擇不同的光敏電阻材料。303）溫度特性）溫度特性其性能其性能(靈敏度、暗電阻靈敏度、暗電阻)受溫度的影響

13、較大。受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度發(fā)生變化阻和靈敏度發(fā)生變化，光譜特性曲線的，光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動峰值向波長短的方向移動。2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線31光敏電阻的頻率特性 10080604020010100 1 000 10 000硫 化 鎘硫 化 鉛S /( %)f / Hz頻率特性 相比較，硫化鉛的使用頻率范圍較大。 320.050.100.150.200.250.300.350.4000.20.40.60.81.01.21.4I / mA /

14、lm光照特性 光敏電阻的光照特性是描述光電流I和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系，不同材料的光照特性是不同的，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性是非線性的。33CdS（硫化鎘（硫化鎘g）光敏電阻）光敏電阻100M1K CdS光敏電阻可單獨或與其他各類傳感器配套，廣泛應(yīng)用于光敏電阻可單獨或與其他各類傳感器配套，廣泛應(yīng)用于照相機(jī)光圈控制、光電自動控制、光電耦合、自動燈開關(guān)及各類照相機(jī)光圈控制、光電自動控制、光電耦合、自動燈開關(guān)及各類可見光波段光電控制測量場合。可見光波段光電控制測量場合。 343535應(yīng)用：溶液濃度檢測系統(tǒng)應(yīng)用：溶液濃度檢測系統(tǒng) 溶液濃度檢測系統(tǒng)光光敏電阻敏電阻3636工作原理工作原理 溶液濃度檢測系統(tǒng)的

15、光電式傳感器部分，變壓器的兩個溶液濃度檢測系統(tǒng)的光電式傳感器部分，變壓器的兩個副邊繞組以及兩只光敏電阻作為副邊繞組以及兩只光敏電阻作為檢測電橋檢測電橋的四個個橋臂。用的四個個橋臂。用相同強(qiáng)度的光通過被測溶液和標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別照射在兩只光相同強(qiáng)度的光通過被測溶液和標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別照射在兩只光敏電阻上，當(dāng)兩只光敏電阻上所感受到的光的強(qiáng)度一致時，敏電阻上，當(dāng)兩只光敏電阻上所感受到的光的強(qiáng)度一致時，兩只光敏電阻呈現(xiàn)同樣的阻值，電橋平衡，光電傳感器無信兩只光敏電阻呈現(xiàn)同樣的阻值，電橋平衡，光電傳感器無信號輸出，這時被測溶液和標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度是相同的。號輸出，這時被測溶液和標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度是相同的。 如被測如被測溶液

16、濃度變化溶液濃度變化時，透過溶液的兩束光強(qiáng)度不一樣，時，透過溶液的兩束光強(qiáng)度不一樣，兩只光敏電阻呈現(xiàn)不同的阻值，使電橋不平衡，有輸出信號，兩只光敏電阻呈現(xiàn)不同的阻值，使電橋不平衡，有輸出信號，該信號經(jīng)晶體管放大后，送給指示儀表顯示，或帶動伺服電該信號經(jīng)晶體管放大后，送給指示儀表顯示，或帶動伺服電機(jī)進(jìn)行自動調(diào)整。機(jī)進(jìn)行自動調(diào)整。（1）光敏電阻光敏電阻 第二節(jié)第二節(jié) 光電器件光電器件37 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏晶體管工作原理主要基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏晶體管工作原理主要基于內(nèi)光電效應(yīng)。 特點：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、特點：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、 可靠性

17、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、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、自動計數(shù)等領(lǐng)域和裝置。自動報警、自動計數(shù)等領(lǐng)域和裝置。 電梯平層用光電開關(guān)電梯平層用光電開關(guān)光電開關(guān)器件光電開關(guān)器件3838 光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它們都有一個們都有一個PNPN結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆墙Y(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，線性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，PNPN結(jié)面積比一般二極管大。結(jié)面積比一般二極管大。注：注：發(fā)光二極管與光敏二極管不同，發(fā)光二極管與光敏二極管不同，發(fā)光二極管利用固體材料

18、發(fā)光（電發(fā)光二極管利用固體材料發(fā)光（電致發(fā)光），材料不同發(fā)光顏色不同，致發(fā)光），材料不同發(fā)光顏色不同，是一種將電能是一種將電能 光能的器件，加光能的器件，加正向電壓時，在正向電壓時，在N-PN-P的電子、空穴的電子、空穴結(jié)合過程中發(fā)射一定頻率的光信號。結(jié)合過程中發(fā)射一定頻率的光信號。 工作時加正向電壓。工作時加正向電壓。光光敏二極管和光敏三極管敏二極管和光敏三極管3939工作原理：工作原理： 光敏二極管在電路中一般處于反向偏光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，置狀態(tài)， 無光照無光照時，反向電阻很大，時，反向電阻很大， 反向電流很小；反向電流很小； 有光照有光照時，時，PNPN結(jié)處產(chǎn)生光生結(jié)

19、處產(chǎn)生光生 電子空穴對；電子空穴對； 在電場作用下在電場作用下形成光電流，形成光電流， 光照越強(qiáng)光電流越大；光照越強(qiáng)光電流越大； R RE EDgDg光光敏二極管和光敏三極管敏二極管和光敏三極管 第二節(jié)第二節(jié) 光電器件光電器件4040光敏二極管 將光敏二極管的PN 結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。 光光敏二極管和光敏三極管敏二極管和光敏三極管 第二節(jié)第二節(jié) 光電器件光電器件4141v 基本特性：基本特性： 光照特性光照特性 圖是硅光敏二極管在小負(fù)載電阻下的光照特性。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

20、關(guān)系。光電流與照度成線性關(guān)系。 光譜特性，光譜特性， 當(dāng)當(dāng)入射波長入射波長0.9m0.9m時響應(yīng)下降，時響應(yīng)下降， 因波長長光子能量小于禁帶寬度，因波長長光子能量小于禁帶寬度， 不產(chǎn)生電子、空穴對；不產(chǎn)生電子、空穴對； 當(dāng)當(dāng)入射波長入射波長0.9m0.9m時，響應(yīng)也逐時，響應(yīng)也逐 漸下降，波長短的光穿透深度小，漸下降，波長短的光穿透深度小， 使光電流減小。使光電流減小。光光敏二極管和光敏三極管敏二極管和光敏三極管 第二節(jié)第二節(jié) 光電器件光電器件4242 溫度特性溫度特性 由于反向飽和電流與溫度密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切有關(guān)，因此光敏二極管的暗電流對溫度變化很敏感。

21、流對溫度變化很敏感。 光光敏二極管和光敏三極管敏二極管和光敏三極管 第二節(jié)第二節(jié) 光電器件光電器件4343 與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極集電極集電極結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)做受光結(jié)，另外集電極的尺寸做結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)做受光結(jié)，另外集電極的尺寸做的很大，以擴(kuò)大光照面積。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，無論大多數(shù)光敏晶體管的基極無引線，無論NPNNPN、PNPPNP一般集一般集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個小孔，讓光照射到基區(qū)。電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個小孔，讓光照射到基區(qū)。NNPc cb be e光光敏三極管敏三極管

22、 第二節(jié)第二節(jié) 光電器件光電器件4444光光敏二極管和光敏三極管敏二極管和光敏三極管 第二節(jié)第二節(jié) 光電器件光電器件4545在負(fù)載電阻在負(fù)載電阻RLRL上的輸出電壓為：上的輸出電壓為： 0gLVi R晶體管電流放大系數(shù)晶體管電流放大系數(shù) NNPc cb be e光光敏三極管敏三極管 第二節(jié)第二節(jié) 光電器件光電器件4646 光敏三極管有兩個PN結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。光光敏二極管和光敏三極管敏二極管和光敏三極管 第二節(jié)第二節(jié) 光電器件光電器件47小結(jié)小結(jié) 光敏

23、二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管接線光敏二極管接線 RL 光PN光敏二極管在電路中一般是處于光敏二極管在電路中一般是處于反向反向工作狀態(tài)工作狀態(tài)PN光敏二極管符號光敏二極管符號+1. 結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)和原理 光敏二極管在不受光照射時光敏二極管在不受光照射時, , 處于截止?fàn)顟B(tài)處于截止?fàn)顟B(tài), , 受光照射時受光照射時, , 處于導(dǎo)通狀態(tài)。處于導(dǎo)通狀態(tài)。48NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路 NPc光Nebbec(a)(b)RLE只有兩根引線，基極沒有引線只有兩根引線，基極沒有引線492. 基本特性基本特性 光敏二極光敏二極(晶體晶體)管的光譜特性管

24、的光譜特性10080604020041028102121021610220102入射光鍺硅 / nmS / (%)50硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性 (a) 硅光敏二極管硅光敏二極管; (b) 硅光敏晶體管硅光敏晶體管 0.100.080.060.040.02I / mA1200 1x1000 1x800 1x600 1x400 1x200 1x010 2030405010864201020304050500 1x400 1x300 1x200 1x100 1xI / mA反向電壓/ V集電極發(fā)射極電壓/ V(a)(b)51光敏晶體管的溫度特性光敏晶體管的溫度特性100255020 30

25、 40 50 60 7010 20 30 40 50 60 70 80100200300400溫度 / 暗電流 / mA光電流 / A溫度 / (a)(b)52 光控繼電器光控繼電器J538.2 8.2 光電池光電池工作原理：直接將光能轉(zhuǎn)化為電能直接將光能轉(zhuǎn)化為電能（光生伏特效應(yīng)）。54光電池的光譜特性光電池的光譜特性 0400600800 1000120020406080100 / nmS / %硒硅55硅光電池的光照特性硅光電池的光照特性 0.30.20.10光生電流 / mA0.60.40.202 0004 000短路電流開路電壓光生電壓 / V照度 / lx56硅光電池的溫度特性硅光電

26、池的溫度特性 2040608010001002003004005002.22.01.8開路電壓短路電流溫度 / U / mVI / mA57585959光電池的基本光控電路光電池的基本光控電路光光電池（有源器件）電池（有源器件）6060用可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)附加電壓用可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)附加電壓光光電池（有源器件）電池（有源器件）6161光電池作為能源來使用光電池作為能源來使用光光電池（有源器件）電池（有源器件） 第二節(jié)第二節(jié) 光電器件光電器件6262太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電光光電池（有源器件）電池（有源器件） 第二節(jié)第二節(jié) 光電器件光電器件638.1.4 光電耦合器件光電耦合器件 光電耦合器件是由發(fā)光元件(

27、如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號的光電器件。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，它又可分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關(guān)。 輸 入輸 出輸 入輸 出(a)(b)光電耦合器組合形式1. 光電耦合器光電耦合器光電接收元件可以是光敏二極管和光敏三極管，也可以是達(dá)林頓光敏管。為了保證光電耦合器有較高的靈敏度， 應(yīng)使發(fā)光元件和接收元件的波長匹配。64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(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。絕緣玻璃發(fā)光二極管透明絕緣體光敏三極管 作用：可用來進(jìn)行光電隔離作

28、用：可用來進(jìn)行光電隔離65 2. 光電開關(guān)光電開關(guān)(光電斷續(xù)器光電斷續(xù)器)圖(a)是一種透射式的光電開關(guān)， 它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。 當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時， 會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，這樣就起到了檢測作用。 圖(b)是一種反射式的光電開關(guān)，當(dāng)有物體經(jīng)過時，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時則接收不到。光電開關(guān)的特點是小型、高速、非接觸，而且與TTL、 MOS等電路容易結(jié)合。 發(fā) 光 元 件窗接 收 元 件殼 體導(dǎo) 線接 收 元 件發(fā) 光 元 件殼 體導(dǎo) 線(a)(b)反 射 物光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)(a) 透射式； (b) 反射式66可在自

29、動控制系統(tǒng)中用作物體檢測， 產(chǎn)品計數(shù)， 料位檢測，尺寸控制， 安全報警及計算機(jī)輸入接口等。67 1. CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理的結(jié)構(gòu)及工作原理 （1 1）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) CCDCCD是由若干個電荷耦合單元組成的。其基本單元是是由若干個電荷耦合單元組成的。其基本單元是MOSMOS（金屬（金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體）電容器，半導(dǎo)體）電容器， 如如(a)(a)所示。所示。 它以它以P P型（或型（或N N型）半導(dǎo)體為襯底，上面覆蓋一層厚度約型）半導(dǎo)體為襯底，上面覆蓋一層厚度約120 nm120 nm的的SiOSiO2 2，再在，再在SiOSiO2 2表面依次沉積一層金屬電極而構(gòu)成表面依次沉積一層金

30、屬電極而構(gòu)成MOSMOS電容轉(zhuǎn)移器件。這樣電容轉(zhuǎn)移器件。這樣一個一個MOSMOS結(jié)構(gòu)稱為一個光敏元或一個像素。將結(jié)構(gòu)稱為一個光敏元或一個像素。將MOSMOS陣列加上輸入、陣列加上輸入、 輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了CCDCCD器件。器件。 68MOS電容器電容器（a） MOS電容截面；電容截面； （b） 勢阱圖勢阱圖 69一、煙塵濁度監(jiān)測儀一、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(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(jìn)行監(jiān)測、自動顯示和超標(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

31、吸收和折射增加，到達(dá)光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。第三節(jié)第三節(jié) 光電傳感器的應(yīng)用舉例光電傳感器的應(yīng)用舉例70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)原理圖吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖煙道71二、光電轉(zhuǎn)速傳感器二、光電轉(zhuǎn)速傳感器2312 31(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖 下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。圖(a)是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(zhuǎn)速由該脈沖

32、頻率決定。 在待測轉(zhuǎn)速的軸上固在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個涂上黑白相間定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反光與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉(zhuǎn)收光的反射信號，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。換為電脈沖信號。723. 火焰探測報警器火焰探測報警器V2、V3構(gòu)成二級負(fù)反饋互補(bǔ)放大器，火焰的閃動信號經(jīng)二級放大后送給中心控制站進(jìn)行報警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長時間使用后，器件阻值的變化不至于影響輸出信號的幅度， 保證火焰報警器能長期穩(wěn)定的工作。 120 k1

33、20 k220 k68 68 pbs820 k3.9 MV1V21 k32 k125 150 k3.9 MV34.7 n 12 V中 心 站放 大 器圖是采用以硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測器電路圖73燃?xì)鉄崴鞯母邏捍蚧鸫_認(rèn)原理圖燃?xì)鉄崴鞯母邏捍蚧鸫_認(rèn)原理圖 V2R7R6VDVccR5R4C2R3R2R1C1TVB高壓打火針打火確認(rèn)針V3強(qiáng)吸閥線圈V174太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電光光電池（有源器件）電池（有源器件）757677在一片0.5mm厚的不銹鋼圓片邊緣，用線切割機(jī)加工出等間隔的透光縫，縫的總數(shù)N1=60，如圖10-43所示。將該薄圓片置于光電斷續(xù)器（具體介紹見10-38a）的槽內(nèi)，

34、并隨旋轉(zhuǎn)物轉(zhuǎn)動。用計數(shù)器對光電斷續(xù)器的輸出脈沖進(jìn)行計數(shù)，在10s內(nèi)測得計數(shù)脈沖數(shù)N如圖所示（計數(shù)時間從清零以后開始計算，10s后自動停止）。問：78 流過光電斷續(xù)器左側(cè)的發(fā)光二極管電流ID為多少毫安？（注：紅外發(fā)光二極管的正向壓降ULED=1.2V）79808181 光纖傳感器光纖傳感器(FOS Fiber Optical Sensor)是是2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代中期年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。 光纖傳感器光纖傳感器用光作為敏感信息的載體用光作為敏感信息的載體，用光纖作為，用光纖作為傳遞敏感傳遞敏感信息的媒質(zhì)信息的媒質(zhì)。因此，它

35、同時具有光纖及光學(xué)測量的特點。因此，它同時具有光纖及光學(xué)測量的特點。 電絕緣性能好。電絕緣性能好。 抗電磁干擾能力強(qiáng)。抗電磁干擾能力強(qiáng)。 非侵入性。非侵入性。 高靈敏度。高靈敏度。 容易實現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。容易實現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量第三節(jié)第三節(jié) 光纖傳感器8282 發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動態(tài)圖案。上海東方明珠8.2 8.2

36、光纖傳感器83831.1.光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理 光是一種電磁波光是一種電磁波, ,一般采用波動理論來分析導(dǎo)光的一般采用波動理論來分析導(dǎo)光的基本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于波基本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于波長而折射率變化緩慢的空間長而折射率變化緩慢的空間, ,可以用可以用“光線光線”即即幾何光幾何光學(xué)學(xué)的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象, ,這對于光纖中的這對于光纖中的多模多模光纖光纖是完全適用的。為此是完全適用的。為此, , 采用幾何光學(xué)的方法來分采用幾何光學(xué)的方法來分析。析。 8484斯乃爾定理斯乃爾定理（Snells La

37、wSnells Law）當(dāng)光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時，發(fā)生當(dāng)光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時，發(fā)生折射折射 （a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：）臨界狀態(tài)： （c）全反射）全反射 ：rinnsinsin21)/arcsin(120nni0ii8585 2 2、光纖結(jié)構(gòu)、光纖結(jié)構(gòu) 分析光纖導(dǎo)光原理，除了應(yīng)用斯乃爾定理外還須結(jié)合光纖結(jié)分析光纖導(dǎo)光原理，除了應(yīng)用斯乃爾定理外還須結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)來說明。構(gòu)來說明?；静捎檬⒉Ａ?，有不同摻雜基本采用石英玻璃，有不同摻雜主要由三部分組成主要由三部分組成 中心中心纖芯；纖芯； 外層外層包層；包層； 護(hù)套護(hù)套尼龍料。尼龍料。 光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光

38、能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)， 纖芯折射率纖芯折射率N1N1略大于包層折射率略大于包層折射率N2N2（N1N1N2N2）。）。8686各種裝飾性光導(dǎo)纖維 8787光纜的外形及光纖的拉制 8888 3 3、光纖傳光原理、光纖傳光原理光的全反射實驗 8989 入射光線入射光線ABAB與纖維軸線與纖維軸線OOOO相交角為相交角為i i，入射后折射，入射后折射( (折射角折射角為為j)j)至纖芯與包層界面至纖芯與包層界面C C點，與點，與C C點界面法線點界面法線DEDE成成k k角，并由界角，并由界面折射至包層，面折射至包層，CKCK與與DEDE夾角為夾角為r

39、 r。則。則jikrABCDEFGKOOn0n2n1n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr 因因j=90 k 所以所以 K201K01k01isin1nncosnn)sin(90nnsinrrinnnnnnn22221021201sin1sin1sin n0為入射光線為入射光線AB所所在空間的折射率，一在空間的折射率，一般為空氣，故般為空氣，故n1，nl為纖芯折射率，為纖芯折射率，n2為為包層折射率。包層折射率。9090rinn22221sinsin當(dāng)當(dāng)r=90的臨界狀態(tài)時，的臨界狀態(tài)時，i=i022210si

40、nnni上式上式sini0為為“數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑” NA(NumericalAperture)。由于。由于n1與與n2相差較小，即相差較小，即n1+n22n1,故又可因式分解為故又可因式分解為 2sin10ni=(n1-n2)/n1 稱為相對折射率差稱為相對折射率差 當(dāng)當(dāng)r=90時時sini0=NA i0=arcsin NA當(dāng)當(dāng)r90時，光線發(fā)生全反射，則時，光線發(fā)生全反射，則ii0=arcsin NA當(dāng)當(dāng)rNA，iarcsin NA，光線消失。，光線消失。這說明這說明arcsinNA是一臨界角是一臨界角, ,凡入射角凡入射角iarcsinNA的那些光線進(jìn)入光纖都不的那些光線進(jìn)入光纖都不能傳播

41、而在包層消失；相反能傳播而在包層消失；相反, ,只有入射角只有入射角iarcsinNA的光線才可進(jìn)入光纖被的光線才可進(jìn)入光纖被全反射傳播全反射傳播 當(dāng)當(dāng)n=1時時9191 4 4、光纖類型、光纖類型階躍型：光纖纖芯的折射率分布各點均勻一致，稱為多模光纖。 9292梯度型：梯度型光纖的的折射率呈聚焦型，即在軸線上折射率最大，離開軸線則逐步降低，至纖芯區(qū)的邊沿時，降低到與包層區(qū)一樣。 9393單孔型光纖 單孔型光纖的纖芯直徑較小（數(shù)微米）接近于被傳輸光波的波長，光以電磁場“模”的原理在纖芯中傳導(dǎo)，能量損失很小，適宜于遠(yuǎn)距離傳輸。 9494光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類1 1、光纖

42、傳感器結(jié)構(gòu)原理、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理 光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件( (光纖或非光纖光纖或非光纖的的) )、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見圖、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見圖(b)(b)。 由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時，時，光的某一性質(zhì)受到被測光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘枺詈蠼?jīng)信號號變?yōu)殡娦盘?/p>

43、，最后經(jīng)信號處理得到所期待的被測量。處理得到所期待的被測量。敏感元件敏感元件光纖信號處理光接收器光發(fā)送器（b）光纖傳感器信號處理電 源信號接收（a）傳統(tǒng)傳感器 導(dǎo)線9595差別差別: :傳統(tǒng)傳感器是以傳統(tǒng)傳感器是以機(jī)機(jī)電測量電測量為基礎(chǔ)，而光纖傳感器為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以則以光學(xué)測量光學(xué)測量為基礎(chǔ)。為基礎(chǔ)。 光是一種電磁波，其波長從極遠(yuǎn)紅外的光是一種電磁波，其波長從極遠(yuǎn)紅外的lmm到極遠(yuǎn)到極遠(yuǎn)紫外線的紫外線的10nm。它的。它的物理作用物理作用和和生物化學(xué)作用生物化學(xué)作用主要因其主要因其中的電場而引起。因此，討論光的敏感測量必須考慮光中的電場而引起。因此，討論光的敏感測量必須考慮光的電矢量的

44、電矢量E的振動，即的振動，即A電場電場E的振幅矢量；的振幅矢量；光波的振動頻率；光波的振動頻率；光相位；光相位；t光的傳播時間。光的傳播時間。 可見，只要使光的可見，只要使光的強(qiáng)度強(qiáng)度、偏振態(tài)偏振態(tài)( (矢量矢量A的方向的方向) )、頻率頻率和和相位相位等參量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化，或等參量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化，或受被測量調(diào)制，那么，通過對光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、受被測量調(diào)制，那么，通過對光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測量頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測量的信息。的信息。 tAEsin9696光纖傳感器外形 9797 2 2、光

45、纖傳感器的分類、光纖傳感器的分類（1 1）根據(jù)光纖在傳感器中的作用）根據(jù)光纖在傳感器中的作用光纖傳感器分為光纖傳感器分為功能型功能型、非功能型非功能型。 1 1）功能型（全光纖型）光纖傳感器）功能型（全光纖型）光纖傳感器 利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖( (或特殊光或特殊光纖纖) )作傳感元件，將作傳感元件，將“傳傳”和和“感感”合為一體的傳感器。光纖不合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素( (彎曲、相變彎曲、相變) )的作用的作用下，其光學(xué)特性下，其光學(xué)特性( (光強(qiáng)、相位、

46、偏振態(tài)等光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等) )的變化來實現(xiàn)的變化來實現(xiàn)“傳傳”和和“感感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。信號處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器9898 保護(hù)管內(nèi)保護(hù)管內(nèi)為高溫為高溫光纖光纖低溫低溫光纖光纖光纖溫度傳感器 99 光纖溫度傳感器 光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感器而被廣泛使用的光纖傳感器。傳感器是由半導(dǎo)體光吸收器、光纖、光源和包括光探測器在內(nèi)的信號處理系統(tǒng)等組成的。光纖是用來傳輸信號，半導(dǎo)體光吸收器是光敏感元件，在一定的波長范圍內(nèi)，它對光的吸收隨溫度T變化而變化。圖8-37 半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 光源輸入光纖輸

47、出光纖不銹鋼套半導(dǎo)體光吸收器探測器100圖8-38 半導(dǎo)體的光透過率特性 100T1T2T3g12T1 T2 T3透過率 / (%)01光源光譜分布；2吸收邊沿透射率f (, T )101101 這種半導(dǎo)體光吸收型光纖傳感器的測量范圍隨半導(dǎo)體材料和光源而變，一般在-100300溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測量，響應(yīng)時間約為2 s。它的特點是體積小、結(jié)構(gòu)簡單、時間響應(yīng)快、工作穩(wěn)定、成本低、便于推廣應(yīng)用。 102102光纖式光電開關(guān)反射型反射型遮斷型遮斷型反射鏡反射型反射鏡反射型103103光纖式光電開關(guān)應(yīng)用標(biāo)志孔標(biāo)志孔電路板標(biāo)志檢測電路板標(biāo)志檢測 當(dāng)光纖發(fā)出當(dāng)光纖發(fā)出的光穿過標(biāo)志孔的光穿過標(biāo)志孔時，若無反射，

48、時，若無反射，說明電路板方向說明電路板方向放置正確。放置正確。 光纖光纖 耦合器耦合器傳輸光纖傳輸光纖出射光纖出射光纖104104光纖式光電開關(guān)應(yīng)用 采 用 遮采 用 遮斷型光纖光斷型光纖光電開關(guān)對電開關(guān)對IC 芯片引腳進(jìn)芯片引腳進(jìn)行檢測行檢測105105 1. CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理的結(jié)構(gòu)及工作原理 （1 1）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) CCDCCD是由若干個電荷耦合單元組成的。其基本單元是是由若干個電荷耦合單元組成的。其基本單元是MOSMOS（金屬（金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體）電容器，半導(dǎo)體）電容器， 如如(a)(a)所示。所示。 它以它以P P型（或型（或N N型）半導(dǎo)體為襯底，上面覆蓋一層厚度約型）半導(dǎo)體為襯底，上面覆蓋一層厚度約120 nm120 nm的的SiOSiO2 2，再在，再在SiOSiO2 2表面依次沉積一層金屬電極而構(gòu)成表面依次沉積一層金屬電極而構(gòu)成MOSMOS電容轉(zhuǎn)移器件。這樣電容轉(zhuǎn)移器件。這樣一個一個MOSMOS結(jié)構(gòu)稱為一個光敏元或一個像素。