第10、11課-光電傳感器12

第10課、11課光電式檢測技術(shù)教材：P135RamonPallas-Areny:306光電管、光電倍增每個光子所具有的能量E為:E＝hν式中h—普朗克常數(shù)，6.626×10-34（J·S）ν—光的頻率(Hz)。Anode=陽極Cathode=陰極K光電管結(jié)構(gòu)示意圖和連接電路AKAKAKIRLE入射光入射光光電管的特性1光電特性光電特性表示當(dāng)陽極電壓一定時，陽極電流I與入射在光電陰極上光通量之間的關(guān)系。在很大區(qū)間上具有線性關(guān)系，但隨著光強(qiáng)的增大，非線性加重。100.10.20.30.480604020I/mAF/lm2光電管的特性光譜特性由于光電陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。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。曲線1為銫氧銀陰極管的特性曲線2為銻化銫陰極管的特性曲線3為人眼視覺特性109876543210相對靈敏度紫外藍(lán)綠橙紅外線1320.20.40.60.81.00光電管的特性光譜特性光電管的特性伏安特性當(dāng)入射光的的頻譜及光通量一定時，陽極電流與陽極電壓之間的關(guān)系叫伏安特性。當(dāng)陽極電壓比較低的時候，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)動時所形成的負(fù)電場作用，回到源點(diǎn)陰極。隨著陽極電壓的增高，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，陽極電流便很穩(wěn)定，稱為飽和狀態(tài)。10020020151050I/mAU/V0.15lm0.10.05光電倍增管

一般陽極和陰極之間電壓是1000V～2500V，兩個相鄰倍增極之間的電位差為50V～100V。如果設(shè)每個電子落到任一倍增極上都打出d個電子，則陽極電流為I=i0dn

式中:i0

—光電陰極發(fā)出的光電流；n—光電倍增極數(shù)(一般9-11個)光電倍增管的靈敏度高，頻率特性好，頻率可達(dá)108Hz或更高，但它需要高壓直流電源，價貴、體積大，經(jīng)不起機(jī)械沖擊。此外，由于其靈敏度很高，所以不能承受強(qiáng)光照射，否則將會導(dǎo)致光電倍增管損壞AKD1D3D2D4夜視鏡光敏電阻LDR

Light

Dependent

Resistor一般是半導(dǎo)體器件。其電阻的大小與光強(qiáng)成反比。非線性較強(qiáng)。光敏電阻的阻值隨光照度的增加而減小，當(dāng)光照停止，其阻值又恢復(fù)原值。光敏電阻的種類很多，最常見的是硫化鎘和硒化鎘制成的器件。光敏電阻的暗電流是指電壓一定、無光照的情況下通過電阻的電流。光敏電阻的暗電流一般也是隨溫度的升高而增大。

內(nèi)光電效應(yīng)及相應(yīng)的器件光敏電阻的主要特性光照特性電路伏安特性和頻率特性

10080604020頻率特性1硫化鎘2硫化鉛

12I/%f/Hz010101010234光譜特性l硫化鎘2硒化鎘

I/%l/nm12481216100806040200光譜特性：對不同波長的光(藍(lán)光\紅光\紫光。)的敏感能力頻率特性：亮度作周期變換時，光敏電阻的跟隨能力與其它光電器件比較而言，一般光敏電阻的頻響不是很好，因此只能用在低速、無特別精度要求的場合。底端傻瓜照相機(jī)路燈照明控制

光敏二極管＋光譜特性入射光的波長縮小時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，透入深度小，在表面激發(fā)的電子空穴對不能達(dá)到PN結(jié)，因而靈敏度下降。

硅和鍺光敏二極管(晶體)管的光譜特性曲線相對靈敏度(%)481012141618202220406080100硅鍺波長(X100nm)頻率特性光敏管的頻率響應(yīng)是指用具有一定頻率的調(diào)制光照射時，光敏管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓）隨頻率的變化關(guān)系。光敏管的頻率響應(yīng)與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長等因素有關(guān)。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下，硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好.0100500100050001000010080604020(H)硅光敏晶體管頻率響應(yīng)曲線相對靈敏度％暗電流的溫度特性Exponentialincreasesinthethermallyexcitedelectron-holepairsresultinginincreasingdarkcurrent.Thisleakagedoublesforeach8to10degCtemperatureincrease.1000100101Temperature,DegCDarkCurrentvsTemperatureRelativeDarkCurrent0102030405060708090100光照特性光伏應(yīng)用光照特性中,開路電壓與照度的關(guān)系呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性,因此不能用來測量光強(qiáng)等線性應(yīng)用的場合;而短路電流卻有非常好的線性,因此常被采用.0.30.20.102004000.60.40.20光生電流（mA）照度（lx）光生電壓（V）開路電壓短路電流應(yīng)用電路1光電應(yīng)用

電壓輸出速度較慢非線性大＋eoRLPlBasicPhotovoltaicCircuit零偏應(yīng)用

電流輸出速度慢線性很好ZeroBiasOperationPl＋-+RfVoutARecommendedZeroBiasCircuitLightPulseVout00反向偏置提高速度(減小結(jié)電容)biasvoltage偏置電壓1000100101036912151821242730pF50sqmm10sqmm5sqmm1sqmmBiasVoltagesqmm=平方毫米反偏時的光照特性-U(伏特)5040302010020406080100120-I(uA)20040060080010001200lx光

照

特

性Theoutputofphotodiodewhenreverse-biasedisextremelylinearwithrespecttotheilluminanceappliedtothephotodiodejunction,asshowninthegraph.10-510-410-310-210-1

Illuminance[W/cm2]10-310-410-510-610-7

OutputCurrentAOSD5-0R1=100kWWVr=20V5V1V0V光導(dǎo)應(yīng)用

PhotoconductiveOperation反向偏置速度較快Optional可選的；EPNRL-+Pl00RfVout(Inverted)LightPulseVoutAOptionalV+BiasPositiveBiasCircuit光敏二極管的等效電路IsIlInCdRsRdRleoIs=signalcurrentRd=diodeparallelshuntresistanceIl=leakagecurrentRs=diodeseriesresistanceIn=noisecurrentRl=loadresistanceCd=diodejunctioncapacityeo=[Is+Il+In][Rl+Rd][Rl+Rd+Rs]光敏三極管NPN結(jié)構(gòu)簡化模型基本電路光npn型光敏晶體管簡化模型和基本電路bce+-+c-c光電池光電池的符號和連接電路BRLIU光電池硅光電池的光譜特性硅光電池的光譜響應(yīng)峰值在800nm附近，光譜響應(yīng)波長范圍從400一1200nm硒光電池的光譜響應(yīng)峰值在500nm附近，范圍在380一750nm范圍。04006008001000120010080604020硒

硅相對靈敏度％入射光線波長nm硅光電池的光照特性開路電壓很嚴(yán)重的非線性短路電流很好的線性0.30.20.102004000.60.40.20光生電流（mA）照度（lx）光生電壓（V）開路電壓短路電流（實(shí)際上開路電路與照度有很好的指數(shù)關(guān)系）光電池的頻率特性12345

(f/kHz)100806040200I/％1－硒光電池2－硅光電池光電池作為測量、計算、接收器件時，常用調(diào)制光作為輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，而硒光電池則較差。因此，在高速計數(shù)的光電轉(zhuǎn)換中一般采用硅光電池光電池受溫度的影響光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由于溫度對光電池的工作有很大影響，因此當(dāng)它作為測量器件應(yīng)用時，最好能保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。開路電壓隨溫度上升而下降很快

短路電流隨溫度的變化要緩慢些6050403020106005004003002001000306090T/℃Uoc/mVIsc/mA光電池的穩(wěn)定性當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的，使用壽命很長。硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。光電池的性能和壽命除了與光電池的材料及制造工藝有關(guān)外，在很大程度上還與使用環(huán)境條件有密切的關(guān)系。如在高溫和強(qiáng)光照射下，會使光電池的性能變壞，而且降低使用壽命，這在使用中要特別注意在電路中的使用BasicPhotovoltaicCircuitBRLIU光電池在電路中的使用＋-+RfVoutARecommendedZeroBiasCircuitLightPulseVout00輸出電壓計算式I為電池產(chǎn)生的短路電流；Rf

為反饋電阻阻值。光電探測器件

外光電探測器件：光電管內(nèi)光電器件：光電池光敏二極管光敏三極管光敏電阻

(光釋電器件)PSDPositionSensitiveDetector（orPhotoSensingDevice）第一種PSD4象限檢測元件4QuadrantDiodeABCDquadrantdetectorincidentbeamspotxyIncident

light：入射光；Quadrant:四象限（光驅(qū)里也使用了類似的元件）

QuadrantDiode位置檢測計算公式a、b、c、d為個區(qū)塊的電流值abcdABCDquadrantdetectorxy

QuadrantDiode

在準(zhǔn)直中的應(yīng)用CD/DVD讀取時的準(zhǔn)直ABCD激光準(zhǔn)直太陽自動追蹤INCIDIENTLIGHT第2種PSD位置傳感器LateralEffect(橫向效應(yīng))Incidentlight:入射光XBXAOUTPUTIX1ELECTRODEX1ELECTRODEX2OUTPUTIX2PHOTOCURRENTCOMMONELECTRODERESISTANCE

LENGTH

LXP

LAYERI

LATERN

LAYER原理(續(xù))Io光點(diǎn)產(chǎn)生電流電阻與路線長度成正比PINk2I201PP1I1k1k0IgesIgesk2I2I1k1Rq2Rq1Fe原理(續(xù))IoI1I2xL線性PSD的光點(diǎn)位置求解X1X2LxxACTIVEAREA面形PSD的光點(diǎn)位置求解yxLxY2Y1X1X2LYACTIVE

AREACCD

ChargeCoupledDevice

電荷耦合器件

CCD圖像傳感器優(yōu)良的性能體積小，結(jié)構(gòu)緊湊分辨率高。Ford公司近期研制出4096×4096CCD,像元尺寸7.5

m。由于微細(xì)加工技術(shù)和工藝的進(jìn)展，目前CCD像元中心距已做到（7～8）

m,做到4

m也是完全可能的。高靈敏度，低噪音。其量子效率達(dá)90%以上，電子轉(zhuǎn)移效率幾乎達(dá)100%，低溫下工作幾乎無暗電流。帶圖像增強(qiáng)器的CCD(ICCD)可在10-6lx下工作。光動態(tài)范圍可達(dá)10個數(shù)量級。光譜范圍寬；功耗小，僅幾十毫瓦；幾何尺寸穩(wěn)定，耐過度曝光。光電耦合器的應(yīng)用使用低壓脈沖信號控制電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵、電磁閥等)

M＋5V+28V光電耦合器既可傳輸信號，又能實(shí)現(xiàn)電路的隔離。其輸入電路和輸出電路在電氣上完全沒有關(guān)聯(lián)，僅僅通過光的耦合才把彼此聯(lián)系在一起。

熱軋板寬自動測量原理

(a)基本構(gòu)成(b)原理CCD線型傳感器dLLLmLxLL=Lm+LL+Lx三角法測量的原理SMR測量范圍起始點(diǎn)；MMR測量范圍中間點(diǎn)；EMR測量范圍終止點(diǎn)；FSO全量程輸出(-

)(+

)參考距離測量范圍Laser-diodeCCDfrom"TheMagicofFilmSound"inAudio1999/05

光電池在膠片電影中的應(yīng)用轉(zhuǎn)速測量測

速在通訊中的應(yīng)用由于光器件具有優(yōu)良的高頻特性，可以傳輸很高頻率的信號，因此在光通訊中占據(jù)很重要的位置。家用紅外遙控器利用了紅外光通訊。煙霧檢測反射式煙霧報警器在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂直，煙霧室內(nèi)有涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達(dá)紅外光敏三極管。當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產(chǎn)生漫反射(圖中只畫出幾個例子的反射示意圖)，使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光電流輸出。自動水龍頭光幕木材外形截面積檢測光電式碼盤

1光源2透鏡3碼盤4狹縫5光電元件

角編碼器也稱為碼盤，是一種把轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，按其轉(zhuǎn)換方式可分為接觸式編碼器、光電式編碼器和磁電式編碼器。讀取光電碼盤信號的方式絕對編碼碼盤增量式編碼碼盤光電碼盤的基本類別絕對編碼碼盤絕對式碼盤具有固定的零點(diǎn)，輸出的代碼是轉(zhuǎn)角的單值函數(shù)，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)，掉電后再啟動無須重新標(biāo)定，并且能顯示轉(zhuǎn)角的絕對位置及沒有累積誤差，所以被廣泛使用。這種碼盤的角度分辨率決定于碼道數(shù)N。N越大，所分的扇區(qū)數(shù)2N就越多，分辨率也就越高。二進(jìn)制編碼方式(4位實(shí)例)

問題：容易出現(xiàn)錯碼A：1001B：0101大錯誤(中間留空白)A道B道C道D道格雷碼

：

每次只允許一個位置跳變格雷碼由于編碼連續(xù)，因此改進(jìn)了性能，不再會出現(xiàn)編碼隔級跳動的問題。A:00B:10只有兩種狀態(tài)(中間留空白)增量式碼盤

碼

盤

的

辨

向整圈標(biāo)示絕對式與增量式的對比絕對式不怕掉電，在任何時候都能恢復(fù)增量式怕掉電，一旦掉電會產(chǎn)生很大錯誤絕對式需要較多的連線增量式連線很少帶碼盤的直流電機(jī)碼盤部分電機(jī)部分碼盤實(shí)物透明碼盤碼

盤

實(shí)

物鼠標(biāo)里的

光電傳感器光電接收管(2單元合成)光電發(fā)射管碼盤兩單元是區(qū)分正反向必須的。這種鼠標(biāo)已成歷史。光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理

光纖的結(jié)構(gòu)

光在光纖的傳播

纖芯n1包層n2保護(hù)層包層n2纖芯n1光纖傳感器光纖傳感器是70年代發(fā)展起來的新型傳感器，和前面所介紹的傳統(tǒng)傳感器相比，有著重大的差別。光纖本來用于傳輸光信號。在傳輸光信號的過程中，由于光纖物理性質(zhì)或位置的改變，會引起輸出端光信號的性質(zhì)的改變，從而給我們提供了一種通過輸出端光信號來判斷某些引起這些變化的物理量。光纖不是一種直接的電量變換元件，只是一種中間變換元件，與用于壓力測量中的膜片的功能類似。光纖的性能

1、數(shù)值孔徑（NA）

2、光纖模式：單模光纖、多模光纖

3、色散4、傳輸損耗衰減率ξ=

遮光式光強(qiáng)調(diào)制方式

動光纖式動光閘式光波強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器微彎傳感器示意圖光纖F微彎板F相位調(diào)制型光纖傳感器光纖PZT圓環(huán)

偏振型光纖應(yīng)變傳感器原理圖

激光二極管1/4波片光纖透鏡光學(xué)準(zhǔn)直器帶有光纖的復(fù)合材料梁檢偏鏡光敏管透鏡光纖傳感器的基本形式1、功能型光纖傳感器的光纖不僅起著傳輸光波的作用，還起著敏感元件的作用，由它對光波實(shí)行調(diào)制，它既傳光又傳感。2、傳光型光纖傳感器的光纖僅僅起著傳輸光波的作用，對光波的調(diào)制則需要依靠其它元件來實(shí)現(xiàn)。

(a)功能型