傳感器教程9-光電式傳感器課件

第9章光電式傳感器

19-1光電基礎(chǔ)知識(shí)

1半導(dǎo)體價(jià)帶、導(dǎo)帶、禁帶2-光電探測(cè)器原理二光源和頻譜三常用光源及特性

29.2光電效應(yīng)

9.2.1外光電效應(yīng)在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)

33光電倍增管的基本特性1。伏安特性2．光照特性3．光譜特性4．頻率特性569.2.2內(nèi)光電效應(yīng)

內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)1光電導(dǎo)效應(yīng)：光敏電阻2光敏電阻在未受到光照射的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流稱為暗電流；在受到光照射時(shí)的阻值稱為亮電阻，此時(shí)的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。73、光敏電阻的基本特性伏安特性在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系。圖10.9硫化鎘光敏電阻的伏安特性9光照特性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10光譜特性光敏電阻的相對(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。光敏電阻的光譜特性11溫度特性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。硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性13（2）光電池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。工作原理：基于“光生伏特效應(yīng)”。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)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)。14光電池結(jié)構(gòu)、符號(hào)15光電池基本特性光譜特性光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度是不同的。硅光電池的光譜特性17光照特性光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性硅光電池的光照特性18頻率特性19光敏二極管工作原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，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)生光生電子和光生空穴對(duì)，它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。光敏二極管在不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。21光敏晶體管光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)PN結(jié)，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓，當(dāng)光照射在集電結(jié)時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會(huì)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，所以光敏晶體管有放大作用。22NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)和基本電路

23伏安特性25光照特性26頻率特性279.4光纖傳感器光纖傳感器的特點(diǎn)：極高的靈敏度和精度固有的安全性好抗電磁干擾高絕緣強(qiáng)度耐腐蝕集傳感與傳輸于一體能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等光纖傳感器受到世界各國的廣泛重視。光纖傳感器已用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、速度、加速度、電流、磁場(chǎng)、電壓、溫度等70多個(gè)物理量的測(cè)量在生產(chǎn)過程自動(dòng)控制、在線檢測(cè)、故障診斷、安全報(bào)警等方面有廣泛的應(yīng)用前景。291、光纖的結(jié)構(gòu)302、光纖的傳光原理光纖的傳光原理光全反射條件：31光纖模式光波在光纖中的傳播途徑和方式稱為光纖模式。對(duì)于不同入射角的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波間的干涉也是不同的，這就是傳播模式不同。一般總希望光纖信號(hào)的模式數(shù)量要少，以減小信號(hào)畸變的可能。單模光纖直徑較小，只能傳輸一種模式。其優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)畸變小、信息容量大、線性好、靈敏度高；缺點(diǎn)：纖芯較小，制造、連接、耦合較困難。多模光纖直徑較大，傳輸模式不只一種，其缺點(diǎn)是：性能較差。優(yōu)點(diǎn)：纖芯面積較大，制造、連接、耦合容易。32光纖傳感器的發(fā)展趨勢(shì)①當(dāng)前應(yīng)以傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題作為光纖傳感器的主要研究對(duì)象。②集成化光纖傳感器。③多功能全光纖控制系統(tǒng)。④充分發(fā)揮光纖的低傳輸損耗特性，發(fā)展遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。⑤開辟新領(lǐng)域。33光纖傳感器的應(yīng)用

一光纖液位傳感器二熱輻射光纖溫度傳感器三光纖角速度傳感器(光纖陀螺)四光纖電流傳感器

五反射式位移傳感器349.5光柵傳感器

9.5.1光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.光柵結(jié)構(gòu)在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細(xì)小條紋（又稱為刻線），這就是光柵。圖中a為柵線的寬度（不透光），b為柵線間寬（透光），a+b=W稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光柵每毫米刻成25、50、100、125、250條線條35369.6.1光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.光柵結(jié)構(gòu)在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細(xì)小條紋（又稱為刻線），這就是光柵。圖中a為柵線的寬度（不透光），b為柵線間寬（透光），a+b=W稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光柵每毫米刻成25、50、100、125、250條線條。37光柵莫爾條紋的形式

2.光柵測(cè)量原理38莫爾條紋測(cè)位移具有以下三個(gè)方面的特點(diǎn)。(1)位移的放大作用當(dāng)光柵每移動(dòng)一個(gè)光柵柵距W時(shí)，莫爾條紋也跟著移動(dòng)一個(gè)條紋寬度BH。莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角θ之間的關(guān)系為

θ越小，BH越大，這相當(dāng)于把柵距W放大大了1/θ倍。例如θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍，這相當(dāng)于把柵距放大了573倍，說明光柵具有位移放大作用，從而提高了測(cè)量的靈敏度。39（2）莫爾條紋移動(dòng)方向如光柵1沿著刻線垂直方向向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著光柵2的柵線向上移