工程測試第三章 傳感器

工程測試第三章傳感器第一頁，共六十七頁，2022年，8月28日

3.5.1光電效應(yīng)及其光電器件外光電效應(yīng)：物體在光的照射下產(chǎn)生電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。

內(nèi)光電效應(yīng)是指光照射到半導(dǎo)體材料上，材料中的電子吸收光子能量，成為自由電子，使導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生改變的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光敏晶體管效應(yīng)，相應(yīng)元件有光敏電阻、光電池和光敏二、三極管。第二頁，共六十七頁，2022年，8月28日3.5.1.1外光電效應(yīng)及其光電器件

根據(jù)愛因斯坦光量子理論,光子的能量E與它的頻率成正比,即E=h·fh普朗克常數(shù)h=6.63×10-34J·S，f是光的頻率。第三頁，共六十七頁，2022年，8月28日物體表面受到光的照射時，表面內(nèi)的電子與光子碰撞，就發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，光子把全部能量轉(zhuǎn)移給電子，使電子的能量增加。如果電子的能量超過逸出功A時，電子就逸出物體表面產(chǎn)生光電發(fā)射。產(chǎn)生光電發(fā)射的條件(不考慮電子熱運動的能量)：光子能量h·f超過表面逸出功A。

第四頁，共六十七頁，2022年，8月28日光子能量超過表面逸出功的部分，表現(xiàn)為電子的能量，即mv2/2=hf-Av—電子逸出時的速度，m—電子的質(zhì)量。第五頁，共六十七頁，2022年，8月28日

愛因斯坦光電方程說明光電發(fā)生服從以下定律：1）物體表面發(fā)射的電子數(shù)（光電流）與光強成正比；2）光電子的動能隨光的頻率成正比的增加，而與光強無關(guān)；3）要使光電子逸出物體表面，必須使h·f>A，所以對于每一種物體都存在一個極限頻率（紅限頻率f0），當(dāng)入射光的頻率低于這個頻率時，無論光強多強，都不會有光電子發(fā)射出來。第六頁，共六十七頁，2022年，8月28日1光電管及其基本特性結(jié)構(gòu)和工作原理在一個真空裝有兩個電極的玻璃泡內(nèi)：光電陰極和陽極。光電陰極有的是貼附在玻璃泡內(nèi)壁，有的是涂在半圓筒形的金屬片上，陰極對光敏感的一面是向內(nèi)的。第七頁，共六十七頁，2022年，8月28日

在陰極前裝有單根金屬絲或環(huán)狀的陽極。當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極所吸引，這樣在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。

第八頁，共六十七頁，2022年，8月28日

除了真空光電管外還有一種充氣光電管，其構(gòu)造和真空光電管基本相同，所不同的僅僅是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體，如氬或氖。當(dāng)光電極被光照射而發(fā)射電子時，光電子在趨向陽極的途中將撞擊惰性氣體的原子，使其電離，從而使陽極電流急劇增加，提高了光電管的靈敏度。充氣光電管的優(yōu)點是靈敏度高，但其靈敏度隨電壓顯著變化，穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差。第九頁，共六十七頁，2022年，8月28日(2)主要性能

①光電管的伏安特性當(dāng)光通量一定時，光電管的電流與陽極電壓的關(guān)系。第十頁，共六十七頁，2022年，8月28日②光電管的光電（照）特性

當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系。曲線1表示氧化銫陰極光電管的光電（照）特性，光電流與光通量呈線性關(guān)系。曲線2為銻化銫陰極光電管的光電（照）特性，它呈非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。第十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日③光電管的光譜特性一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率f0，(即h·f=A對應(yīng)的頻率)，因此它們可用于不同的光譜范圍。即同一光電管對于不同頻率的光的敏感度不同，這就是光電管的光譜特性。所以對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。第十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日2光電倍增管在入射光極為微弱時，光電管產(chǎn)生的光電流很小，在這種情況下即使光電流能被放大，但信號和噪聲同時被放大了，為了克服這個缺點，就要采用光電倍增管。

它由光電陰極、若干個倍增極和陽極三部分組成。光電陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻—銫制造的，入射光就在它上面打出光電子。第十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日倍增極數(shù)目在4~14個不等。在各倍增極上加上一定的電壓，陽極收集電子，外電路形成電流輸出。第十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日

工作時，各個倍增電極上均加上電壓，陰極K電位最低。從陰極開始，各個倍增極E1、E2、E3、E4（或更多）電位依次升高，陽極A電位最高。入射光在光電陰極上激發(fā)電子，由于各極間有電場存在，所以陰極激發(fā)電子被加速轟擊第一倍增極，這些倍增極具有這樣的特性，在受到一定數(shù)量的電子轟擊后，能放出更多的電子，稱為“二次電子”。第十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日

光電倍增管之倍增極的形狀設(shè)計成每個極都能接受前一極的二次電子，而在各個倍增極上順序加上越來越高的正電壓。這樣如果在光電陰極上由于入射光的作用發(fā)射出一個電子，這個電子將被第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍增極，設(shè)這時第一倍增極有δ個二次電子發(fā)出，這δ個電子又轟擊第二倍增極，而其產(chǎn)生的二次電子又增加δ倍，經(jīng)過n個倍增極后，原先電子將變?yōu)棣膎個電子，這些電子最后被陽極所收集而在光電陰極與陽極之間形成電流。第十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日3.5.1.2內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件1光敏電阻(1)結(jié)構(gòu)和原理

光敏電阻又稱光導(dǎo)管。光敏電阻利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成，選用半導(dǎo)體材料。光敏電阻的結(jié)構(gòu)較簡單。在玻璃底板上均勻地涂上薄薄的一層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝上金屬電極，使電極與半導(dǎo)體層可靠地電接觸，然后，將它們壓入塑料封裝體內(nèi)。為了防止周圍介質(zhì)的污染，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋一層漆膜。第十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日光電導(dǎo)的原理：當(dāng)入射光照到半導(dǎo)體上時，電子受光子的激發(fā)，在外加電壓作用下，導(dǎo)帶中的電子和空穴同時參與導(dǎo)電，即載流子數(shù)增多使其電阻下降。第十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日

光敏電阻在受到光的照射時，由于內(nèi)光電效應(yīng)使其導(dǎo)電性能增強，電阻值下降，所以流過負載電阻RL的電流及其兩端電壓也隨之變化。光線越強，電流越大。當(dāng)光照停止時，光電效應(yīng)消失，電阻恢復(fù)原值，因而可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。第十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日(2)光敏電阻的特性①暗電阻，暗電流

暗電阻：將光敏電阻置于無光照條件下，測得光敏電阻的阻值。暗電流：在給定工作電壓下測得無光照條件下光敏電阻中的電流。②亮電阻，光電流

亮電阻：光敏電阻在光照條件下，測得的光敏電阻的阻值。亮電阻一般在幾千歐姆。亮電流：在給定工作電壓下測得有光照條件下的電流。光電流：亮電流和暗電流之差。第二十頁，共六十七頁，2022年，8月28日③光敏電阻的光譜特性

使用不同材料制成的光敏電阻，有著不同的光譜特性。第二十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日④光敏電阻的光電(電照)特性

在一定電壓作用下，光敏電阻的光電流I與照射光通量Φ的關(guān)系稱為光電(電照)特性。光敏電阻的光電特性具有非線性。第二十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日⑤時間常數(shù)

當(dāng)光敏電阻受到光照時，光電流要經(jīng)過一定時間才能到達穩(wěn)定值。同樣，光照停止后，光電流也要經(jīng)過一定時間才能恢復(fù)到暗電流。光敏電阻的光電流隨光強度變化的慣性，通常用時間常數(shù)τ表示。光照停止后，光電流下降到原值的63%要經(jīng)過的時間。時間常數(shù)反映了光敏電阻對光照響應(yīng)的快慢程度。不同材料的光敏電阻有著不同的時間常數(shù)。

⑥光電管的伏安特性當(dāng)光通量一定時，光電管的電流與陽極電壓的關(guān)系。⑦光電管的溫度特性光敏電阻的性能隨溫度變化而改變的特性。如溫度升高時，暗電流下降。第二十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日2光電池及光生伏特（伏打）效應(yīng)光電池是在光線照射下，直接能將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿莸墓怆娫?。在光線照射下物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱光生伏特效應(yīng)。光電池的種類很多，有硒光電池、氧化亞銅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。其中硅光電池和硒光電池用途廣泛。第二十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日

這里著重介紹硅光電池.

結(jié)構(gòu)原理

硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴散的方法摻入一些P型雜質(zhì)（例如硼）形成PN結(jié)，如圖所示。第二十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日

硅光電池的光譜峰值位置在8000附近。硅光電池的光譜范圍廣，即為4500~11000之間。

入射光照射在PN結(jié)上時，則在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，在內(nèi)電場的作用下，空穴移向P型區(qū)，電子移向N型區(qū)，使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負電，因而PN結(jié)產(chǎn)生電勢。光電池的光譜特性第二十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日3光敏二、三極管1)光敏二極管(1)結(jié)構(gòu)和工作原理光敏二極管又稱光電二極管，它與普通半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的。第二十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日在光敏二極管管殼上有一個能射入光線的玻璃透鏡，入射光通過玻璃透鏡正好射在管芯上。發(fā)光二極管的管芯是一個具有光敏特性的PN結(jié)，它被封裝在管殼內(nèi)。發(fā)光二極管管芯的光敏面是通過擴散工藝在N型單晶硅上形成的一層薄膜。第二十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日

光敏二極管在電路中處于反向偏置，在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，該反向電流稱之為暗電流。當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子及光生空穴，因此使PN結(jié)的反向電流增大。第二十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日2）光敏三極管(1)結(jié)構(gòu)和工作原理光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。第三十頁，共六十七頁，2022年，8月28日光敏三極管像普通三極管一樣有兩個PN結(jié)，因此具有電流增益。當(dāng)集電極加上正電壓，基極開路時，集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時，會產(chǎn)生電子-空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極和發(fā)射極間的電壓升高，這樣便有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍。第三十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日

(2)光敏三極管的主要特性①光敏三極管的光譜特性光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當(dāng)入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降，這是容易理解的。第三十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日②光敏三極管的伏安特性第三十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管，光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。第三十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日

③光敏三極管的光照特性第三十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日④光敏三極管的溫度特性

反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系?？梢?，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大，所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。

光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系。它們之間呈近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大（幾千勒克斯）時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)轉(zhuǎn)換元件。第三十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日3.5.2光電傳感器的應(yīng)用應(yīng)用光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四種基本形式。輻射式第三十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日遮光式第三十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日反射式第三十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日第四十頁，共六十七頁，2022年，8月28日亮度傳感器：通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達到節(jié)約電能的目的。第四十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日煙塵濁度檢測儀

煙道里的煙塵濁度是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。

第四十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日燈光亮度自動控制器

燈光亮度控制器可按照環(huán)境光照強度自動調(diào)節(jié)白熾燈或熒光燈的亮度，從而使室內(nèi)的照明自動保持在最佳狀態(tài)，避免人們產(chǎn)生視覺疲勞?？刂破髦饕森h(huán)境光照檢測電橋、放大器、積分器、比較器、過零檢測器、鋸齒波形成電路、雙向晶閘管等組成。過零檢測器對50Hz市電電壓的每次過零點進行檢測，并控制鋸齒波形成電路使其產(chǎn)生與市電同步的鋸齒波電壓，該電壓加在比較器的同相輸入端。燈光亮度自動控制器原理框圖第四十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日另外，由光敏電阻與電阻組成的電橋?qū)h(huán)境光照的變化轉(zhuǎn)換成直流電壓的變化，該電壓經(jīng)放大并由積分電路積分后加到比較器的反相輸入端，其數(shù)值隨環(huán)境光照的變化而緩慢地成正比例變化。

兩個電壓的比較結(jié)果，便可從比較器輸出端得到隨環(huán)境光照強度變化而脈沖寬度發(fā)生變化的控制信號，該控制信號的頻率與市電頻率同步，其脈沖寬度反比于環(huán)境光照，利用這個控制信號觸發(fā)雙向晶閘管，改變其導(dǎo)通角，便可使燈光的亮度隨環(huán)境光照做相反的變化，從而達到自動控制環(huán)境光照不變的目的。第四十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日3.6.光纖傳感器光纖傳感器是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù)，它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的，這一新技術(shù)的影響目前已十分明顯。光纖測量技術(shù)---以光波為載體，光纖為媒質(zhì)來感知和傳輸外界被測信號用被測量的變化對光波的強度、頻率、相位、偏振之一進行調(diào)制，常用強度調(diào)制。第四十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日

光纖傳感器的特點:光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比有一系列的優(yōu)點，如體積小、形狀可塑性強、靈敏度高、重量輕、不受電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、易與微機連接、便于遙測等。目前研制的光纖傳感器有溫度、壓力、磁、電、聲、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、陀螺、電流、PH值等類型，可見光纖傳感器具有極為廣泛的應(yīng)用前景。第四十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日光纖傳感器分類

功能型(物性型)光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。1）功能型光纖傳感器第四十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日光纖流速傳感器第四十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日

傳光型光纖傳感器是由光檢測元件與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統(tǒng)。其中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，所以又稱為結(jié)構(gòu)型或非功能型光纖傳感器。2）傳光型光纖傳感器第四十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日光纖檢測型光電傳感器作業(yè)件檢測顏色檢測第五十頁，共六十七頁，2022年，8月28日光纖傳感器所用光纖有:

單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為2~12μm，很細的纖芯半徑接近于光源波長的長度，僅能維持一種模式傳播，一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。第五十一頁，共六十七頁，2022年，8月28日3.6.1光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理1光纖的結(jié)構(gòu)

光導(dǎo)纖維簡稱光纖。

中心的圓柱體叫纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層，纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成，纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2，在包層外面還常有一層保護套。第五十二頁，共六十七頁，2022年，8月28日涂敷層---材料：硅酮或丙烯酸鹽---隔離雜光。光纖的基本結(jié)構(gòu)主體----纖芯與包層對稱柱體光學(xué)纖維光纖---光導(dǎo)纖維纖芯---石英玻璃；直徑：5~75μm；材料：二氧化硅（主體），摻雜其他微量元素---提高折射率纖芯、包層、涂敷層、護套---多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層---直徑：100~200μm；材料：二氧化硅（主體）---折射率略低于纖芯。護套---材料:尼龍/其他有機材料---提高機械強度，保護光纖特殊場合：沒有涂敷層和護套---裸纖第五十三頁，共六十七頁，2022年，8月28日2光纖的傳光原理光在空間是直線傳播的。在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨光纖能傳送到很遠的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。

當(dāng)光纖的直徑比光的波長大很多時，可以用幾何光學(xué)的方法來說明光在光纖內(nèi)的傳播。

第五十四頁，共六十七頁，2022年，8月28日設(shè)有一段圓柱形光纖，它的兩個端面均為光滑的平面。當(dāng)光線射入一個端面并與圓柱的軸線成θc角時，根據(jù)折射定律，在光纖內(nèi)折射成θ，然后以φ角入射至纖芯與包層的界面。若要在界面上發(fā)生全反射，則纖芯與界面的光線入射角φ應(yīng)大于臨界角φc，即第五十五頁，共六十七頁，2022年，8月28日

并在光線內(nèi)部以同樣的角度反復(fù)逐次反射，直至傳播到另一端面。所以第五十六頁，共六十七頁，2022年，8月28日

實際工作時光纖會彎曲，但只要滿足全反射條件，光線仍繼續(xù)前進?？梢娺@里的光線“轉(zhuǎn)彎”實際上是光的全反射形成的。一般光線所處環(huán)境為空氣，則n0=1。這樣在界面上產(chǎn)生全反射，在光纖端面上的光線入射角為第五十七頁，共六十七頁，2022年，8月28日

描述光線集光本領(lǐng)的術(shù)語叫數(shù)值孔徑NA，即

數(shù)值孔徑反映纖芯接受光量的多少。其意義是：無論光源發(fā)射功率多大，只有入射光處于2θc的光纖內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。如入射角過大，如圖中角θr，經(jīng)折射后不能滿足式的要求，光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。所以NA是光纖的一個重要參數(shù)。一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于耦合效率的提高，但數(shù)值孔徑過大，會造成光信號畸變，所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值。第五十八頁，共六十七頁，2022年，8月28日3.6.2常用光纖傳感器1、光纖加速度傳感器第五十九頁，共六十七頁，2022年，8月28日2、光纖位移傳感器

光纖位移傳感器是利用光導(dǎo)纖維傳輸光信號的功能，根據(jù)探測到的反射光的強度來測量被測反射表面的距離。第六十頁，共六十七頁，2022年，8月28日工作原理是：當(dāng)光纖探頭端部緊貼被測部件時，發(fā)射光纖中的光不能反射到接收光纖中去，因而就不能產(chǎn)生光電流信號；當(dāng)被測表面逐漸遠離光纖探頭時，發(fā)射光纖照亮