第七章光電式傳感器教材課件

第七章：光電式傳感器主講人：賈鶴萍第七章：光電式傳感器主講人：賈鶴萍光電式傳感器是采用光電元件做為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光路、電路和光電元件三部分組成。光電元件是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見光及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。光電式傳感器是采用光電元件做為檢測元件的傳感器實(shí)驗(yàn)鋅板銅網(wǎng)弧光燈紫外光照射時(shí)電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)靈敏電流計(jì)實(shí)驗(yàn)鋅板銅網(wǎng)弧光燈紫外光照射時(shí)電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)靈敏電流計(jì)1、光電效應(yīng)光的粒子學(xué)說：光可以認(rèn)為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個(gè)光子所具有的能量E與其頻率大小成正比。光照射在物體上就可看成是一連串的具有能量為E的粒子轟擊在物體上。E=hfh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；f—光的頻率（s-1）光電效應(yīng)：物體吸收能量為E的光后，轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能力，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。1、光電效應(yīng)光的粒子學(xué)說：光可以認(rèn)為是由具有一定能量的粒子所光電子：向外發(fā)射的電子。1）外光電效應(yīng)在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。基于外光電效應(yīng)的光電器件：光電管、光電倍增管等愛因斯坦假設(shè)：一個(gè)光子的能量只能給一個(gè)電子結(jié)論：一個(gè)電子要從物體中逸出表面，必須是光子能量E大于表面逸出功A0。逸出表面的電子就具有動(dòng)能Ek光電子：向外發(fā)射的電子。1）外光電效應(yīng)在光線的光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的電子表面逸出功。這意味著每種物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率。入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比，光強(qiáng)越強(qiáng)意味著入射的管子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)目就越多。光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能。1）外光電效應(yīng)光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的電子表面逸出光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。a）光電導(dǎo)效應(yīng)某些半導(dǎo)體，在黑暗環(huán)境中電阻值很高；當(dāng)光照射在物體上，在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而加強(qiáng)了導(dǎo)電性能，使電阻值降低?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。2）內(nèi)光電效應(yīng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的現(xiàn)b）光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。光線照射PN結(jié)時(shí)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管2）內(nèi)光電效應(yīng)b）光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一

構(gòu)造光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子陽極光電陰極光窗2、光電元件及其特性1）光電管與光電倍增管圖7-2光電管的結(jié)構(gòu)圖光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖。它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。構(gòu)造光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子圖7-3光電倍增管的結(jié)構(gòu)圖光電倍增管的玻璃泡內(nèi)除裝有光電陰極和光電陽極外，還裝有若干個(gè)光電倍增管極，且在光電倍增管極涂有在電子轟擊下可發(fā)射更多次級(jí)電子的材料。1）光電管與光電倍增管構(gòu)造圖7-3光電倍增管的結(jié)構(gòu)圖光電倍增管的玻璃特性----光電管a）光電特性陽極電流與入射在陰極上光通量之間的關(guān)系。1）光電管與光電倍增管特性----光電管a）光電特性1）光電管與光電倍增管b）伏安特性當(dāng)入射光的頻譜及光通量一定時(shí)，陽極與陰極之間的電壓同光電流的關(guān)系。當(dāng)陽極電壓比較低時(shí)，陰極所發(fā)射的電子只有一部分到達(dá)陽極，其余部分受光電子在真空中運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的負(fù)電場作用，回到陰極。隨陽極電壓的增強(qiáng)，光電流隨之增大。當(dāng)陰極發(fā)射的電子全部到達(dá)陽極時(shí)，陽極電流達(dá)到飽和狀態(tài)特性----光電管1）光電管與光電倍增管b）伏安特性當(dāng)陽極電壓比較低時(shí)，陰極所發(fā)射的電子只有一部分到光電管的光譜特性c）光譜特性保持光通量和陽極電壓不變，陽極電流與波長之間的關(guān)系?！C氧銀——銻化銫——人眼的視覺特征紅限頻率特性----光電管1）光電管與光電倍增管光電管的光譜特性c）光譜特性——銫氧銀紅限頻率特性----光光電陰極的靈敏度：一個(gè)光子射在陰極上所能激發(fā)的電子數(shù)。特性----光電倍增管倍增系數(shù)M：暗電流：由于環(huán)境溫度、熱輻射和其他因素的影響，即使沒有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽極仍有電流。光電倍增管的靈敏度：一個(gè)光子射后，陽極所得到的總電子數(shù)。本底電流：光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全屏蔽光的情況下，出現(xiàn)的電流。1）光電管與光電倍增管光電陰極的靈敏度：一個(gè)光子射在陰極上所能激發(fā)的電子數(shù)。特性-光敏電阻用半導(dǎo)體材料制成,沒有極性,純粹是一個(gè)電阻器件,使用時(shí)既可加直流電壓,也可以加交流電壓構(gòu)造

圖7-5光敏電阻的結(jié)構(gòu)及表示符號(hào)光敏電阻優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，體積小，重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬，機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊和振動(dòng)，壽命長。缺點(diǎn)：使用時(shí)需要有外部電源，同時(shí)當(dāng)有電流通過它時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱的問題。2）光敏電阻光敏電阻用半導(dǎo)體材料制成,沒有極性,純粹是一光敏電阻演示

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子—空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。光敏電阻光敏電阻演示當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子—空穴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(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢。+++---PN構(gòu)造3）光電池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。它硅光電池的制造原理：在N型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子—空穴對(duì)，光生電子—空穴對(duì)的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢輸出。3）光電池硅光電池的制造原理：在N型襯底上制造一薄層光電池外形光敏面3）光電池光電池外形光敏面3）光電池

圖7-6光敏二極管光敏二極管的基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)，與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。構(gòu)造4）光敏二極管及光敏三極管圖7-6光敏二極管光敏二極管的基本結(jié)構(gòu)也當(dāng)光不照射時(shí)：光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；受光照射時(shí)：PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。4）光敏二極管及光敏三極管當(dāng)光不照射時(shí)：光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在光敏二極管的反向偏置接線及光電特性演示

在沒有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。

當(dāng)光照增加時(shí)，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照光敏二極管的反向偏置接線及光電特性演示

圖7-7光敏三極管4）光敏二極管及光敏三極管圖7-7光敏三極管4）光敏二極管及光敏三極管a）光電特性開路電壓短路電流硅光電池指半導(dǎo)體光電元件產(chǎn)生的光電流與光照之間的關(guān)系。光敏晶體管5）半導(dǎo)體光電元件的特性硒光敏電阻a）光電特性開路電壓短路電流硅光電池b）伏安特性光敏電阻硅光電池指光電元件的端電壓與電流之間的關(guān)系。光敏三極管5）半導(dǎo)體光電元件的特性b）伏安特性光敏電阻硅光電池c）光譜特性光敏電阻光電池光敏三極管只有能量大于半導(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(duì)。5）半導(dǎo)體光電元件的特性c）光譜特性光敏電阻光電池光敏三極管

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和測量線路。3、光電式傳感器的測量電路及應(yīng)用光源發(fā)光二極管鎢絲燈泡電弧燈或石英燈激光要使光電式傳感器能很好地工作，除了合理選用光電轉(zhuǎn)換元光電式傳感器按其接收狀態(tài)可分為模擬式和脈沖式光電傳感器兩大類。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(yùn)用狀態(tài)。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和輻射式。3、光電式傳感器的測量電路及應(yīng)用光電式傳感器按其接收狀態(tài)可分為模擬式和脈沖式光a）

吸收式：恒光源發(fā)射的光通量穿過被測物，一部分由被測物吸收，剩余部分投射到光電元件上，吸收量決定于被測物的某些參數(shù)。被吸收的光通量與被測物的透明度有關(guān)，常用作混濁度計(jì)等。1）模擬式光電傳感器a）

吸收式：恒光源發(fā)射的光通量穿過被測物，一部分由被測物吸b）反射式：恒光源發(fā)出的光通量投射到被測物上，然后從被測物表面反射到光電元件上，光電元件的輸出反映了被測物的某些參數(shù)。反射光通量取決于反射表面的性質(zhì)、狀態(tài)和與光源之間的距離，可制成表面粗糙度測試儀等。1）模擬式光電傳感器b）反射式：恒光源發(fā)出的光通量投射到被測物上，然后從被測物表c）

遮光式：

恒光源發(fā)出的光通量在到達(dá)光電元件的途中遇到被測物，照射到光電元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光電元件的輸出反映了被測物的尺寸。1）模擬式光電傳感器c）

遮光式：

恒光源發(fā)出的光通量在到達(dá)光電元件的途中遇到被d）

輻射式：光源本身是被測物，被測物發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)。1）模擬式光電傳感器d）

輻射式：光源本身是被測物，被測物發(fā)出的光投射到光電元件光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表

天幕靶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)運(yùn)用狀態(tài)。2）脈沖式光電傳感器光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表脈沖式光電傳感器的作用方2312

31(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖圖(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(hào)，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。2）脈沖式光電傳感器-------光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表231231(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖2）脈沖式光電傳感器--------天幕靶2）脈沖式光電傳感器--------天幕靶放大器控制機(jī)構(gòu)可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。光控繼電器數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)使用CCD光敏器件代替膠卷感光成像其原理就是CCD元件的光電效應(yīng)。光電管2）脈沖式光電傳感器--------其它放大器控制機(jī)構(gòu)可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)光導(dǎo)纖維光纖傳感器的工作原理和典型結(jié)構(gòu)5、光纖傳感器光導(dǎo)纖維5、光纖傳感器1）光導(dǎo)纖維一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理中心圓柱體稱為纖芯，由石英玻璃或塑料制成。纖芯外圍的圓筒形外殼稱為包層，通常也是由玻璃或塑料制成。包層外面有涂敷層，之外是一層塑料保護(hù)外套。光纖的結(jié)構(gòu)示意圖光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，機(jī)械強(qiáng)度取決于塑料保護(hù)外套。1）光導(dǎo)纖維一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理光纖的傳輸原理纖芯的折射率為n1；包層的折射率為n2；光纖傳輸?shù)幕A(chǔ)：光的全反射發(fā)生全反射的條件?n1＞n2相對(duì)折射率差用Δ表示Δ=1–n2/n1通常Δ為0.005～0.14。由Snell定律:1）光導(dǎo)纖維一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理光纖的傳輸原理

若要使入射光線在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，入射角應(yīng)大于等于臨界角即：1）光導(dǎo)纖維一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

能使光線在光纖內(nèi)全反射的最大入射角θc可由上式求得，即NA稱為光纖的數(shù)值孔徑，它表示當(dāng)入射光從外部介質(zhì)射入光纖時(shí)，只有入射角小于θc的光才能在光纖中傳播。1）光導(dǎo)纖維一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理反映了光纖與光源或探測器等元件耦合時(shí)的耦合效率，只有入射光處于θc的光錐內(nèi),光纖才能導(dǎo)光。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(huì)造成光信號(hào)畸變。數(shù)值孔徑：與光纖的幾何尺寸無關(guān)，僅與纖芯和包層的折射率有關(guān)?？蓪A值做的很大，但橫截面積卻很小，使得光纖柔軟且可彎曲。1）光導(dǎo)纖維一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理二、光導(dǎo)纖維的種類1.按折射變化：階躍型：光導(dǎo)纖維的纖芯與包層間的折射率是突變的。漸變型：光纖橫截面中心處折射率最大，其值有中心向外逐漸變小，到纖芯邊界邊時(shí)變?yōu)榘鼘诱凵渎省?/p>

1）光導(dǎo)纖維二、光導(dǎo)纖維的種類1.按折射變化性能較差。容易制造，連接耦合比較方便。這種光纖常用于非功能型光纖傳感器。二、光導(dǎo)纖維的種類2.按其傳輸模式能形成駐波的光線稱為“?！薄?/p>

“?！笔请x散存在的，某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光。單模光纖：多模光纖：傳輸性能好，常用于功能型光纖傳感器，與多模傳感器相比線性更好、靈敏度更高和動(dòng)態(tài)測量范圍更大。但纖芯太小使得制造、連接和耦合很困難。1）光導(dǎo)纖維性能較差。容易制造，連接耦

a).功能型光纖傳感器

功能型光纖傳感器

光纖傳感器按其工作原理來分有：功能型和非功能型兩大類。

2）光纖傳感器的工作原理又稱傳感型光纖傳感器，主要使用單模光纖，基本結(jié)構(gòu)原理如圖所示。光纖在這類傳感器中不僅是傳光元件，而且利用光纖本身的某些特性來感知外界因素的變化，所以它又是敏感元件?？梢苑譃椋簭?qiáng)度（振幅）調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制和波長調(diào)制等a).功能型光纖傳感器光利用被測量直接或間接地改變光纖中傳輸光的強(qiáng)度，再通過測量光強(qiáng)的變化檢測出被測量的方法，稱為強(qiáng)度調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制a).功能型光纖傳感器可以分為：強(qiáng)度（振幅）調(diào)制、相位調(diào)制等2）光纖傳感器的工作原理利用被測量直接或間接地改變光纖中傳輸光的強(qiáng)度，再強(qiáng)度調(diào)制-微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制根據(jù)模態(tài)理論，當(dāng)光纖受力微彎時(shí)，一部分纖芯模式能量會(huì)轉(zhuǎn)化為包層模式能量，通過測量包層模式能量或纖芯模式能量的變化就能測出被測量。2）光纖傳感器的工作原理強(qiáng)度調(diào)制-微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制-利用光纖的吸收特性進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制X射線、g射線等輻射會(huì)使光纖材料的吸收損耗增加，光纖的輸出功率降低，從而形成強(qiáng)度調(diào)制。由于不同材料對(duì)不同的射線敏感，因此改變光纖材料的