第十三章光電式檢測(cè)技術(shù)第一頁，共114頁?？梢姽夤庾VTheVisibleSpectrumWavelength(nm)第二頁，共114頁。電

磁

波

頻

譜第三頁，共114頁。光電探測(cè)器件

外光電探測(cè)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)第四頁，共114頁。光電管、光電倍增每個(gè)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入射光入射光第五頁，共114頁。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(shí)，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/lm第六頁，共114頁。光電管的特性光譜特性由于光電陰極對(duì)光譜有選擇性，因此光電管對(duì)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(zhǎng)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(duì)靈敏度紫外藍(lán)綠橙紅外線1320.20.40.60.81.00第七頁，共114頁。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(shí)，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(shí)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(dòng)時(shí)所形成的負(fù)電場(chǎng)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(shí)，陽極電流便很穩(wěn)定，稱為飽和狀態(tài)。10020020151050I/mAU/V0.15lm0.10.05第八頁，共114頁。光電倍增管

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

光電陰極與各倍增極和陽級(jí)隔開，以防止光電子的散射和陽極附近形成的正離子向陰極返回，產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。AKD1D3D2D4第九頁，共114頁。光電倍增管的特性

--------與普通光電管的特性類似(a)光電特性(b)光譜特性(c)伏安特性108642I/mAF/lm00.0040.0120.0080.0161008060402020040060080012108642050100150100(mlm)80604020U/Vl/nmI/%I/mA陽極電壓一定光通量、陽極電壓一定光通量、入射光頻譜一定第十頁，共114頁。光電倍增管的特點(diǎn)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(jià)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(huì)導(dǎo)致光電倍增管損壞使用時(shí)，注意暗電流的影響

第十一頁，共114頁。實(shí)物第十二頁，共114頁。夜視鏡第十三頁，共114頁。單光子計(jì)數(shù)

光子計(jì)數(shù)法對(duì)于使用光電倍增管探測(cè)極微弱光是個(gè)有效的方法，并在天文光度測(cè)量、化學(xué)發(fā)光和生物發(fā)光等領(lǐng)域有較多應(yīng)用。人眼的敏感度大約為：幾十個(gè)光子/秒(每個(gè)感光點(diǎn)）時(shí)間離散的輸出脈沖（單光子事件）第十四頁，共114頁。內(nèi)光電效應(yīng)及相應(yīng)的器件EIRLRG第十五頁，共114頁。光敏電阻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。

第十六頁，共114頁。

光敏二極管＋第十七頁，共114頁。光譜特性入射光的波長(zhǎng)縮小時(shí)，相對(duì)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(duì)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(duì)靈敏度(%)481012141618202220406080100硅鍺波長(zhǎng)(X100nm)第十八頁，共114頁。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(shí)，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(zhǎng)等因素有關(guān)。對(duì)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，實(shí)驗(yàn)證明:光敏晶體管的截止頻率和它的基區(qū)厚度成反比關(guān)系要截止頻率高，基區(qū)就要薄但這要使光電靈敏度下降0100500100050001000010080604020(H)硅光敏晶體管頻率響應(yīng)曲線相對(duì)靈敏度％第十九頁，共114頁。暗電流的溫度特性Exponentialincreasesinthethermallyexcitedelectron-holepairsresultinginincreasingdarkcurrent.Thisleakagedoublesforeach8to10degCtemperatureincrease.1000100101Temperature,DegCDarkCurrentvsTemperatureRelativeDarkCurrent0102030405060708090100第二十頁，共114頁。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(cè)量光強(qiáng)等線性應(yīng)用的場(chǎng)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）開路電壓短路電流第二十一頁，共114頁。應(yīng)用電路1光電應(yīng)用

電壓輸出速度較慢非線性大＋eoRLPlBasicPhotovoltaicCircuit第二十二頁，共114頁。零偏應(yīng)用

電流輸出速度慢線性很好ZeroBiasOperationPl＋-+RfVoutARecommendedZeroBiasCircuitLightPulseVout00第二十三頁，共114頁。反向偏置提高速度(減小結(jié)電容)biasvoltage偏置電壓1000100101036912151821242730pF50sqmm10sqmm5sqmm1sqmmBiasVoltagesqmm=平方毫米第二十四頁，共114頁。反偏時(shí)的光照特性-U(伏特)5040302010020406080100120-I(uA)20040060080010001200lx第二十五頁，共114頁。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第二十六頁，共114頁。光導(dǎo)應(yīng)用

PhotoconductiveOperation反向偏置速度較快Optional可選的；EPNRL-+Pl00RfVout(Inverted)LightPulseVoutAOptionalV+BiasPositiveBiasCircuit第二十七頁，共114頁。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]第二十八頁，共114頁。光敏三極管NPN結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型基本電路光npn型光敏晶體管簡(jiǎn)化模型和基本電路bce+-+c-c第二十九頁，共114頁。光電池光電池的符號(hào)和連接電路BRLIU光電池第三十頁，共114頁。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(zhǎng)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(duì)靈敏度％入射光線波長(zhǎng)nm第三十一頁，共114頁。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）開路電壓短路電流第三十二頁，共114頁。光電池的頻率特性12345

(f/kHz)100806040200I/％21

1－硒光電池；2－硅光電池第三十三頁，共114頁。光電池的頻率響應(yīng)光電池作為測(cè)量、計(jì)算、接收器件時(shí)，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(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換中一般采用硅光電池第三十四頁，共114頁。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(duì)光電池的工作有很大影響，因此當(dāng)它作為測(cè)量器件應(yīng)用時(shí)，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卻是緩慢增加的6050403020106005004003002001000306090T/℃Uoc/mVIsc/mA第三十五頁，共114頁。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(shí)，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的，使用壽命很長(zhǎng)。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(huì)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第三十六頁，共114頁。在電路中的使用BasicPhotovoltaicCircuitBRLIU光電池第三十七頁，共114頁。在電路中的使用＋-+RfVoutARecommendedZeroBiasCircuitLightPulseVout00輸出電壓計(jì)算式I為電池產(chǎn)生的短路電流；Rf

為反饋電阻阻值。第三十八頁，共114頁。復(fù)合光電傳感器光電組件遮斷器光隔離器PSDCCD第三十九頁，共114頁。遮斷器由一個(gè)光發(fā)射器、一個(gè)光接收器等組成。當(dāng)中間有障礙物的時(shí)候，光被折斷；當(dāng)障礙物拿掉的時(shí)候，光導(dǎo)通。因此它可用來檢測(cè)物體的有無，也可用來對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)行限位。打印機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)等中常用的一種器件發(fā)射接收第四十頁，共114頁。光電耦合器

OpticalCoupler1.發(fā)光管芯2.光敏管芯3.透明樹脂4.電極引線5.陶瓷或玻璃管座6.黑色樹脂(a)(b)(c)第四十一頁，共114頁。光電隔離器的主要參數(shù)隔離電壓：指輸出端與輸入端之間可以耐受的安全電壓，當(dāng)大于這個(gè)值的時(shí)候，有可能產(chǎn)生電擊穿輸入輸出間的絕緣電阻可以想象這個(gè)電阻很大，它比普通小功率變壓器的初級(jí)、次級(jí)之間的電阻大得多輸入與輸出間的耦合電容:輸入電路與輸出電路之間存在分布電容，它會(huì)使交流共模共地信號(hào)從輸入端耦合到輸出端，從而不能徹底、干凈地隔離輸入與輸出。這個(gè)值一般為幾個(gè)pF。速度:傳輸信號(hào)的速度，可以用脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間表示第四十二頁，共114頁。光隔離器的用途光電耦合器既可傳輸信號(hào)，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。輸入輸出輸入輸出第四十三頁，共114頁。光電耦合器的應(yīng)用使用低壓脈沖信號(hào)控制電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵、電磁閥等)

M＋5V+28V第四十四頁，共114頁。模擬光電隔離器通過反饋改善線性第四十五頁，共114頁。模擬光電隔離器通過AD-調(diào)制-DA的辦法傳輸HCPL7800

第四十六頁，共114頁。PSDPositionSensitiveDetector（orPhotoSensingDevice）第四十七頁，共114頁。PSD14象限檢測(cè)元件4QuadrantDiodeABCDquadrantdetectorincidentbeamspotxy第四十八頁，共114頁。

QuadrantDiode位置檢測(cè)計(jì)算公式a、b、c、d為個(gè)區(qū)塊的電流值abcdABCDquadrantdetectorxy第四十九頁，共114頁。INCIDIENTLIGHTPSD2位置傳感器LateralEffect(橫向效應(yīng))Incidentlight:入射光XBXAOUTPUTIX1ELECTRODEX1ELECTRODEX2OUTPUTIX2PHOTOCURRENTCOMMONELECTRODERESISTANCELENGTHLXPLAYERILATERNLAYER第五十頁，共114頁。原理(續(xù))Io光點(diǎn)產(chǎn)生電流電阻與路線長(zhǎng)度成正比PINk2I201PP1I1k1k0IgesIgesk2I2I1k1Rq2Rq1Fe第五十一頁，共114頁。原理(續(xù))IoI1I2xL第五十二頁，共114頁。線性PSD的光點(diǎn)位置求解X1X2LxxACTIVEAREA第五十三頁，共114頁。面形PSD的光點(diǎn)位置求解yxLxY2Y1X1X2LYACTIVEAREA第五十四頁，共114頁。CCD

ChargeCoupledDevice

電荷耦合器件

第五十五頁，共114頁。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7.5m。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4m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(dòng)態(tài)范圍可達(dá)10個(gè)數(shù)量級(jí)。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。第五十六頁，共114頁。CCD應(yīng)用尺寸測(cè)量

f—所用透鏡焦距；a—物距；b—像距；M—倍率；n—線陣傳感器的像素?cái)?shù)；p—像素間距。第五十七頁，共114頁。

熱軋板寬自動(dòng)測(cè)量原理

(a)基本構(gòu)成(b)原理CCD線型傳感器dLLLmLxLL=Lm+LL+Lx第五十八頁，共114頁。三角法測(cè)量的原理SMR測(cè)量范圍起始點(diǎn)；MMR測(cè)量范圍中間點(diǎn)；EMR測(cè)量范圍終止點(diǎn)；FSO全量程輸出(-

)(+

)GrundabstandMeBbereichLaser-diodeCCD第五十九頁，共114頁。光電傳感器的應(yīng)用模擬應(yīng)用(常用于光強(qiáng)測(cè)量等)開關(guān)式應(yīng)用（常用于通訊）第六十頁，共114頁。光電池在電影膠片中的應(yīng)用我國的很多膠片使用光記錄聲音，還原使用光電池。Olderandindependentlyproducedfilmshavetwotypesofsoundtracks:opticalandmagnetic.(Hollywoodnowusesdigitaltracksinadditiontoopticalones.)Opticaltracksarereadbyprojectinganarrowbeamoflightthroughthefilm,causingasensortotranslatethevaryingintensityofthelightintoelectricalsignalsthatarefurtherconvertedtosound.

光記錄的聲道第六十一頁，共114頁。from"TheMagicofFilmSound"inAudio1999/05

第六十二頁，共114頁。位置對(duì)中

光電式邊緣位置傳感器原理

1－白織燈2、7－雙凸透鏡3－半透反射鏡4－平凸透鏡5－帶材6－角矩陣反射鏡8－光敏晶體管123456+△l-△l0第六十三頁，共114頁。樣圖第六十四頁，共114頁。轉(zhuǎn)速測(cè)量第六十五頁，共114頁。測(cè)

速第六十六頁，共114頁。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(hào)，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。第六十七頁，共114頁。煙霧檢測(cè)反射式煙霧報(bào)警器在沒有煙霧時(shí)，由于紅外對(duì)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(duì)紅外光產(chǎn)生漫反射(圖中只畫出幾個(gè)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。第六十八頁，共114頁。自動(dòng)水龍頭第六十九頁，共114頁。光幕木材外形截面積檢測(cè)第七十頁，共114頁。光電碼盤角編碼器也稱為碼盤，是一種把轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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。第七十一頁，共114頁。光電式碼盤的工作原理

1光源2透鏡3碼盤4狹縫5光電元件第七十二頁，共114頁。讀取光電碼盤信號(hào)的方式第七十三頁，共114頁。光電碼盤的基本類別絕對(duì)編碼碼盤增量式編碼碼盤第七十四頁，共114頁。絕對(duì)編碼碼盤絕對(duì)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(dòng)無須重新標(biāo)定，并且能顯示轉(zhuǎn)角的絕對(duì)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。第七十五頁，共114頁。編碼方式

角編碼器的核心就是碼盤。碼盤常用的編碼方式：二進(jìn)制碼十進(jìn)制嗎循環(huán)格雷碼第七十六頁，共114頁。二進(jìn)制編碼方式(4位實(shí)例)

問題：容易出現(xiàn)錯(cuò)碼A：1001B：0101大錯(cuò)誤(中間留空白)A道B道C道D道第七十七頁，共114頁。格雷碼：每次只允許一個(gè)位置跳變第七十八頁，共114頁。格雷碼由于編碼連續(xù)，因此改進(jìn)了性能，不再會(huì)出現(xiàn)編碼隔級(jí)跳動(dòng)的問題。A:00B:10只有兩種狀態(tài)(中間留空白)第七十九頁，共114頁。增量式碼盤

第八十頁，共114頁。碼

盤

的

辨

向整圈標(biāo)示第八十一頁，共114頁。絕對(duì)式與增量式的對(duì)比絕對(duì)式不怕掉電，在任何時(shí)候都能恢復(fù)增量式怕掉電，一旦掉電會(huì)產(chǎn)生很大錯(cuò)誤絕對(duì)式需要較多的連線增量式連線很少第八十二頁，共114頁。帶碼盤的直流電機(jī)碼盤部分電機(jī)部分第八十三頁，共114頁。碼盤實(shí)物透明碼盤第八十四頁，共114頁。碼

盤

實(shí)

物第八十五頁，共114頁。第八十六頁，共114頁。

鼠標(biāo)里的碼盤第八十七頁，共114頁。鼠標(biāo)里的

光電傳感器光電接收管(2單元合成)光電發(fā)射管碼盤第八十八頁，共114頁。鼠標(biāo)第八十九頁，共114頁。光柵透射式計(jì)量光柵的結(jié)構(gòu)原理

光柵莫爾條紋的形成光源透鏡標(biāo)尺光柵指示光柵光電元件WBaa第九十頁，共114頁。摩爾條紋第九十一頁，共114頁。光

柵

的

應(yīng)

用第九十二頁，共114頁。容柵的使用第九十三頁，共114頁。容柵第九十四頁，共114頁。磁柵第九十五頁，共114頁。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(hào)。在傳輸光信號(hào)的過程中，由于光纖物理性質(zhì)或位置的改變，會(huì)引起輸出端光信號(hào)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(hào)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(cè)量中的膜片的功能類似。第九十六頁，共114頁。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