傳感器與檢測技術(shù) - PowerPoint Template.ppt

1、傳感器與檢測技術(shù),Sensor and Measurement Technology Ch0; Ch1; Ch2; Ch3; Ch4; Ch5; Ch6; Ch7; Ch8; Ch9,2,第7章 光電式傳感器,光電效應(yīng),光電元件及其特性,光電式傳感器測量電路,光柵式傳感器,7,8,6,電荷耦合器件（CCD）,激光式傳感器,7.1 光電效應(yīng),由光的粒子學(xué)說可知，光可以認(rèn)為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個光子所具有的能量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。 所謂光電效應(yīng)即是由于物體吸收了能量為E的光后產(chǎn)生的電效應(yīng)。 從傳感器的角度看光電效應(yīng)可分

2、為三大類型。,7.1 光電效應(yīng),7.1.1 外光電效應(yīng) 指在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現(xiàn)象。光電管及光電倍增管均屬這一類。它們的光電發(fā)射極，即光明極就是用具有這種特性的材料制造的。 7.1.2 內(nèi)光電效應(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。 7.1.3光生伏特效應(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。,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,7.2.1 光電管與光電倍增管,結(jié)構(gòu),光電倍增管,7.2.1 光電管與光電倍增管,特性 光電特性：表示當(dāng)光電管的陽級電壓一定時

3、，陽極電流I與入射在陰極上光通量之間的關(guān)系。,光電管的光照特性,25,50,75,100,2,0,0.5,1.5,2.0,/1m,IA/ A,1.0,2.5,1,7.2.1 光電管與光電倍增管,伏安特性：當(dāng)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。,光電管的伏安特性,50,20lm,40lm,60lm,80lm,100lm,120lm,100,150,200,0,2,4,6,8,10,12,陽極與末級倍增極間的電壓/V,IA/ A,7.2.1 光電管與光電倍增管,光譜特性：由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與

4、光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。 光電管尚有溫度特性、疲勞特性、慣性特性、暗電流和衰老特性等，使用時應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書和有關(guān)手冊合理選用。,7.2.2 光敏電阻,光敏電阻是用具有內(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(qiáng)而減小。 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，壽命長。 缺點(diǎn)：使用時需要有外部電源，同時當(dāng)有電流通過它時，會產(chǎn)生熱的問題。,7.2.2 光敏電阻,7.2.2 光敏電阻,光敏電阻演示,當(dāng)光敏電阻受到光照時，光生電子空穴對增加，阻值減小，電流增大。,暗電流（越小越好）,7.2.3 光敏二極管和光敏三極管,當(dāng)二極管和三極

5、管的PN接受到光照射時，通過PN結(jié)的電流將增大。光敏二極管和光敏三極管則必須使PN結(jié)能受到最大的光照射。,P,N,光,光敏二極管符號,RL,光,P,N,光敏二極管接線,7.2.3 光敏二極管和光敏三極管,光敏三極管,P,P,N,N,N,P,e,b,b,c,RL,E,e,c,7.2.3 光敏二極管和光敏三極管,7.2.4 光電池,光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。,+,光,P,N,SiO2,RL,(a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖,I,光,(b) 光電池的工作原理示意圖,P,N,光電池的示意圖,7.2.4 光電池,光電池外形,光

6、敏面,7.2.4 光電池,其他光電池及在照度測量中的應(yīng)用,柔光罩下面為圓形光電池,7.2.5 半導(dǎo)體光電元件的特性,一、光電特性 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,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。,7.2.5 半導(dǎo)體光電元件的特性,三、光譜特性 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)。,7.2.5 半導(dǎo)體光電元件的特性,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

7、號與調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。,20,40,60,80,100,0,I / %,1,2,3,4,5,1,2,f / kHz,1硒光電池 2硅光電池,10000,入射光調(diào)制頻率 / HZ,7.2.5 半導(dǎo)體光電元件的特性,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。,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和測量線路。 7.3.1光源 發(fā)光二極管 鎢絲燈泡 電弧燈或石英燈 激光,7.3 光電式傳感器的測量電路,7.3.2 測量電路 光敏電阻的基本應(yīng)用電路

8、,a）U與光照變化趨勢相同的電路 b）U與光照變化趨勢相反的電路,7.3 光電式傳感器的測量電路,光敏二極管應(yīng)用電路,利用反相器可將光敏二極管的輸出電壓轉(zhuǎn)換成TTL電平。,7.3 光電式傳感器的測量電路,光敏三極管光控繼電器電路,7.3 光電式傳感器的測量電路,光電池的應(yīng)用電路,I/U 轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Uo與光電流I成正比。若光電池用于微光測量時，I可能較小，則應(yīng)增加一級放大電路，并在第二級使用電位器RP微調(diào)總的放大倍數(shù)。,7.4 光電傳感器及其應(yīng)用,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

9、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。 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)運(yùn)用狀態(tài)。,7.4 光電傳感器及其應(yīng)用,光電元件的測量方式,7.5 光纖傳感器,光導(dǎo)纖維 光纖傳感器的工作原理和典型結(jié)構(gòu),7.5.1 光導(dǎo)纖維,一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理 光導(dǎo)纖維(簡稱光纖)是用比頭發(fā)絲還細(xì)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色層組成，而且纖芯的折射率n1略大于色層的折射率n2，它們的相對折射率差用表示， =1- n2/ n1 通常為0.0050.14。,7.5

10、.1 光導(dǎo)纖維,二、光導(dǎo)纖維的種類 光導(dǎo)纖維按其折射變化情況分為：階躍型；漸變型 按其傳輸模式多少來分類，則有單模和多模兩種,7.5.2 光纖傳感器的工作原理和典型結(jié)構(gòu),光纖傳感器按其工作原理來分有： 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(qiáng)度、相位、偏振態(tài)或波長，從而對外界因素進(jìn)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。 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。,7.5.2 光纖傳感器的工作原理和典型結(jié)構(gòu),微彎光纖傳感器,7.5.2 光纖傳感器的

11、工作原理和典型結(jié)構(gòu),光纖位移傳感器原理圖,7.6 電荷耦合器件,CCD的工作原理 CCD應(yīng)用舉例,電荷耦合器件(CCD)是典型的固體圖象傳感器，它是1970年貝爾實(shí)驗室的WSBoyle和GESmith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)量固體化的攝象器件成功地應(yīng)用于廣播電視、可視電話和無線電傳真，而且在生產(chǎn)過程自動檢測和控制等領(lǐng)域已顯示出廣闊的前景和巨大的潛力。,7.6.1 CCD的工作原理,CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理,P型Si,耗盡區(qū),電荷轉(zhuǎn)移方向,1,2,3,輸出柵,輸入柵,輸入二極管,輸出二極管,SiO2,7.6.1 CCD的工作原理,P

12、1,P2,P2,P1,P1,P2,P2,P3,P3,P1,P1,P2,P2,P3,P3,P1,P1,P2,P2,P3,P3,(a),1,2,3,t0,t1,t2,t3,t,(b),電荷轉(zhuǎn)移過程,t=t0,t=t1,t=t2,t=t3,0,7.6.2 CCD應(yīng)用舉例,鈔票檢查系統(tǒng)原理圖,7.7 光柵式傳感器,基本工作原理和計量光柵的種類 莫爾條紋 辨向原理及細(xì)分電路,7.7.1 基本工作原理和計量光柵的種類,一、基本工作原理,光柵傳感器的構(gòu)成原理圖,7.7.1 基本工作原理和計量光柵的種類,二、計量光柵的種類： 若按工作原理分，有物理光柵和計量光柵兩種，前者用于光譜儀器，作色散元件，后者主要用于

13、精密測量和精密機(jī)械的自動控制中。 而計量光柵按其用途可分為長光柵和圓光柵兩類。,7.7.2 莫爾條紋,橫向莫爾條紋 相鄰的兩明暗條紋之間的距離B稱為莫爾條紋間距。 從圖中不難看出。當(dāng)光柵副間的夾角很小，且兩光柵的柵距相等，都為W時，莫爾條紋間距B為 由于值很小，條紋近似與柵線的方向垂直，故稱為橫向莫爾條紋。當(dāng)0、B時，莫爾條紋隨著主光柵明暗交替變化。這時的指示光柵相當(dāng)于一個閘門的作用，故將這種條紋稱為光閘莫爾條紋。,7.7.3 辨向原理和細(xì)分電路,一、辨向原理 在實(shí)際應(yīng)用中，大部分被測物體的移動往往不是單向的，既有正向運(yùn)動，也可能有反向運(yùn)動。單個光電元件接收一固定的莫爾條紋信號，只能判別明暗的

14、變化而不能辨別莫爾條紋的移動方向，因而就不能判別光柵的運(yùn)動方向，以致不能正確測量位移。如果能夠在物體正向移動時，并將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動時就從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動所得的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測量結(jié)果。完成這樣一個辨向任務(wù)的電路就是辨向電路。,7.7.3 辨向原理和細(xì)分電路,二、細(xì)分電路 上述辨向邏輯電路的分辨力為一個光柵極距W，為了提高分辨力，可以增大刻線密度來減小柵距，但這種辦法受到制造工藝的限制。另一種方法是采用細(xì)分技術(shù)，使光柵每移動一個柵距時輸出均勻分布的幾個脈沖，從而使分辨率提高到Wn。細(xì)分的方法有多種。,7.8 激光式傳感器,激光式傳感器按工作原理不同可分為三

15、類：激光干涉?zhèn)鞲衅?、激光衍射傳感器和激光掃描傳感器，其中以激光干涉?zhèn)鞲衅鞯膽?yīng)用居多。 這種傳感器是以光的干涉現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。從物理學(xué)可知，波長(頻率)相同、相位相關(guān)的兩束光具有相干性，也就是說，當(dāng)它們互相交疊時，會出現(xiàn)光強(qiáng)增強(qiáng)或減弱的現(xiàn)象，產(chǎn)生干涉條紋，利用干涉條紋隨被測長度的變化而變化的原理可實(shí)現(xiàn)長度計量。,第7章 本章要點(diǎn),光電效應(yīng) 外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) 光電式傳感器測量電路 光電式傳感器及其應(yīng)用 模擬式光電傳感器 脈沖式光電傳感器,第7章 本章要點(diǎn),光纖傳感器 光導(dǎo)纖維 光纖傳感器的工作原理 電荷耦合器件(CCD)的工作原理,Diagram,ThemeGallery is

16、a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.,Title Add your text,ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.,Cycle Diagram,Diagram,Diagram,Diagram,Add Your Text,Add Your Text,Add Your Text,Add Your Text,Diagram,Add Your Text,Diagram,Add Your Title,Add Your Title,ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.,ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.,Diagram,Add Your Title,Text,