傳感器與檢測技術(shù)第七章

傳感器與檢測技術(shù)第七章第一頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回7.1.2內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）

指在光的照射下，材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。光敏電阻即屬此類。第二頁，共五十六頁，2022年，8月28日7.1.3光生伏特效應(yīng)（阻擋層光電效應(yīng)）

利用光勢壘效應(yīng)，即在光的照射下，物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電勢。光電池、光電晶體管即屬此類。第三頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回7.2光電器件及其特性

光電管與光電倍增管光敏電阻光敏二極管和光敏三極管光電池半導(dǎo)體光電元件的特性第四頁，共五十六頁，2022年，8月28日第五頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回7.2.1光電管與光電倍增管一、構(gòu)造圖7-2光電管的結(jié)構(gòu)圖圖7-3光電倍增管的結(jié)構(gòu)圖第六頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回二、特性

1．光電特性

表示當光電管的陽極電壓一定時，陽極電流I與入射在陰極上光通量φ之間的關(guān)系。

第七頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回2．伏安特性

當入射光的頻譜及光通量一定時，陽極與陰極之間的電壓同光電流的關(guān)系叫伏安特性。

第八頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回3．光譜特性

光電管對光譜有選擇性：保持光通量和陽極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。第九頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回

采用具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。7.2.2光敏電阻圖7-5光敏電阻的結(jié)構(gòu)及表示符號第十頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回

優(yōu)點：靈敏度高，體積小、重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬，機械強度高、耐沖擊和振動，壽命長，性能穩(wěn)定。缺點：使用時需要有外部電源，同時當有電流通過它時，會產(chǎn)生熱的問題。材料：硫化物（CdS、PbS、TlS）硒化物（CdSe、PbSe）碲化物（PbTe）等應(yīng)用：照相機自動嚗光、電視機亮度自動調(diào)節(jié)、燈光（航標燈）自動控制等。第十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回第十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回7.2.3光敏二極管和光敏三極管光敏二極管：結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，通常工作于反向工作狀態(tài)，當不受光線照射時，處于截止狀態(tài)，當受光線照射時，處于導(dǎo)通狀態(tài)。第十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回光敏三極管：光電流相當于三極管的基極，集電極電流是光電流的倍，比光敏二極管具有更高的靈敏度。第十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日7.2.4光電池第十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回

光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是自發(fā)電式有源器件。它有較大面積的PN結(jié)，當光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。硅光電池硒光電池第十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回一、光電（照）特性光電特性是指這些半導(dǎo)體光電元件產(chǎn)生的光電流與光照之間的關(guān)系。

7.2.5半導(dǎo)體光電元件的特性圖7-9半導(dǎo)體光電元件的光電特性硒光敏電阻光敏晶體管硅光電池第十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回二、伏安特性伏安特性是指光照一定時，這些光電元件的端電壓U與電流I之間的關(guān)系。圖7-10半導(dǎo)體光電元件的伏安特性第十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回

半導(dǎo)體光電元件對不同波長的光，其靈敏度是不同的，因為只有能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出光生電子—空穴對。而光子能量的大小與光的波長有關(guān)。三、光譜特性

圖7-11半導(dǎo)體光電元件的光譜特性第十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回四、頻率特性半導(dǎo)體光電元件的頻率特性是指它們的輸出電信號與調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。圖7-12半導(dǎo)體光電元件的頻率特性第二十頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回五、溫度特性半導(dǎo)體材料易受溫度的影響，它直接影響光電流的值。因此需要討論這些光電元件的溫度特性，以便選用合適的工作溫度。圖7-13半導(dǎo)體光電元件的溫度特性第二十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回7.3光電式傳感器的測量電路

要使光電式傳感器能很好地工作。除了合理選用光電轉(zhuǎn)換元件外，還必須配備合適的光源、可靠的光學(xué)通路和合理的測量電路。被測量X1直接對光源作用被測量X2作用于光學(xué)通路，對光通量進行解調(diào)第二十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日7.3.1光源及光學(xué)通路

光源上頁返回下頁

熱輻射光源：利用發(fā)熱物體向空間發(fā)出一定的光輻射（如白熾燈、鹵鎢燈等）。氣體放電光源：利用電流通過氣體放電的現(xiàn)象（發(fā)光）（如日光燈、低壓汞燈、氙燈、氦燈等）。電致發(fā)光器件：利用固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象（如發(fā)光二極管）。激光器：即光受激輻射放大，分為固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器和液體激光器等。第二十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日

光學(xué)通路包括透鏡、濾光片、棱鏡、光通量調(diào)制器、光柵等。上頁返回下頁第二十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回7.3.2測量電路圖7-14真空光電管的差接測量電路1.光源2.小鏡3.6.透鏡4.光闌5.被測物7.8.真空光電管第二十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回圖7-15路燈控制電路第二十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回光控閃爍安全警示燈第二十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回圖7-17光敏三極管應(yīng)用電路第二十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回

7.4光電傳感器及其應(yīng)用

光電傳感器按其接收狀態(tài)可分為模擬和脈沖式光電傳感器兩大類。第二十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回7.4.1模擬式光電傳感器

模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性，其光通量是隨被測量而變，光電流就成為被測量的函數(shù)，故稱為光電傳感器的函數(shù)運用狀態(tài)。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和輻射式等。圖7-20光電元件的測量方式第三十頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回圖7-21光電測微裝置示意圖第三十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回7.4.2脈沖式光電傳感器

脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)，所以也稱為光電元件的開關(guān)狀態(tài)。第三十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回第三十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回第三十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回圖7-24天幕靶第三十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回光電耦合器結(jié)構(gòu)圖第三十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回光電耦合器組合形式光電耦合器特性曲線第三十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回作用：脈沖及直流電平轉(zhuǎn)換開關(guān)信號傳輸不同邏輯電路接口抗干擾高低壓隔離等。第三十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回

一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

7.5光纖傳感器光導(dǎo)纖維

光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)是用比頭發(fā)絲還細的石英玻璃絲制成的，每一根光導(dǎo)纖維由一個圓柱形纖芯和包層組成，而且纖芯的折射率略大于包層的折射率。第三十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日第四十頁，共五十六頁，2022年，8月28日二、光導(dǎo)纖維的種類

1.光導(dǎo)纖維按其折射變化情況分為：階躍型漸變型

2.按其傳輸模式多少來分：上頁返回下頁單模光纖多模光纖第四十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日圖7-26光導(dǎo)纖維的種類上頁返回下頁第四十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回7.5.2光纖傳感器的工作原理第四十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日∴∴數(shù)值孔徑第四十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日①抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，耐高壓，本質(zhì)安全，在易燃環(huán)境下安全可靠。②靈敏度高。③重量輕，體積小，外形可變。④測量對象廣泛。⑤頻帶寬，測量動態(tài)范圍大。⑥對被測介質(zhì)影響小，這對于醫(yī)藥生物領(lǐng)域的應(yīng)用極為有利。⑦便于復(fù)用，便于成網(wǎng)。⑧成本低。下頁上頁返回性能特點第四十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日

功能型(或稱物性型、傳感型)

其光纖不僅作為光傳播的波導(dǎo)而且具有測量的功能。它可以利用外界物理因素改變光纖中光的強度、相位、偏振態(tài)或波長，從而對外界因素進行測量和數(shù)據(jù)傳輸?？煞譃檎穹{(diào)制型、相位調(diào)制型及偏振態(tài)調(diào)制型。分類下頁上頁返回第四十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日圖7-27微彎光纖傳感器上頁返回下頁第四十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回非功能型(或稱結(jié)構(gòu)型、傳光型)

其光纖只是作為傳光的媒介，還需加上其他敏感元件才能組成傳感器。光纖位移傳感器光纖溫度傳感器光纖圖像傳感器第四十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日圖7-29光纖位移傳感器原理圖上頁返回下頁第四十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日上頁返回下頁第五十頁，共五十六頁，2022年，8月28日光纖溫度傳感器（二）第五十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日光纖圖像傳感器下頁上頁返回第五十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日下頁上頁返回7.6電荷耦合器件

電荷耦合器件（CCD——Charge-CoupledDevices）是典型的固體圖象傳感器，它是1970年貝爾實驗室的W·S·Boyle和G·E·Smith發(fā)明的，它與光敏二極管陣列集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的CCD圖象傳感器。它不僅作為高質(zhì)量固