1、2020/7/7,1,第7章 光電式傳感器,2020/7/7,2,引言,光電式傳感器是把被測(cè)物理量的變化先轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后再通過光電轉(zhuǎn)換元件把光信號(hào)變換成電信號(hào)的一種傳感器。光電式傳感器的測(cè)量方法靈活多樣，并且具有使用方便、非接觸、高精度、高分辨力、高可靠性和反應(yīng)快等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展十分迅速，而且隨著激光、光柵、光導(dǎo)纖維、CCD等器件的相繼問世，光電傳感器在檢測(cè)及自動(dòng)控制領(lǐng)域中得到了更廣泛的應(yīng)用。,2020/7/7,3,7.1.1 光電效應(yīng),所謂光電效應(yīng)是指在光的照射下一些金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體材料釋放電子的現(xiàn)象。 光子是具有一定能量的微粒，是以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流。每一個(gè)光子都具有

2、一定的能量，它的能量大小E與其頻率 成正比。,7.1 光電傳感器,2020/7/7,4,7.1.1 光電效應(yīng),光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。當(dāng)物體在光的作用下所釋放的電子沒有逸出物體表面，而只在物體的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)并使物體的電學(xué)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)多產(chǎn)生于半導(dǎo)體材料內(nèi)。 當(dāng)物體在光的作用下使物體中的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象，叫做外光電效應(yīng)，外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬或金屬氧化物內(nèi)。,2020/7/7,5,特點(diǎn),光的波長(zhǎng)越短，即頻率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其光子的能量也就越小。不同顏色的光子由于其光波頻率不同其能量也是不同的，綠光光子比紅光光子具有更多的

3、能量，照射在物體上可看作是一連串具有能量為E的粒子轟擊在物體上。光子與物質(zhì)間的連接體是電子。,2020/7/7,6,7.1.2 外光電效應(yīng)器件,光電管,2020/7/7,7,7.1.2 外光電效應(yīng)器件,光電管的伏安特性曲線,2020/7/7,8,7.1.2 外光電效應(yīng)器件,光電管的光照特性,2020/7/7,9,7.1.2 外光電效應(yīng)器件,光電管的光譜特性曲線,2020/7/7,10,7.1.2 外光電效應(yīng)器件,光電倍增管,2020/7/7,11,7.1.2 外光電效應(yīng)器件,光電倍增管的工作原理 基于外光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)基礎(chǔ)上。在光電倍增管的各倍增電極D1、D2、D3和陽極上，依

4、次有逐漸增高的正電壓，即陰極電位最低，從陰極開始，各個(gè)倍增電極的電位依次升高，陽極電位最高，而且相鄰兩極之間電壓應(yīng)使二次發(fā)射系數(shù)大于1。在入射光作用下，光電陰極發(fā)射的光電子在D1電場(chǎng)作用下，以高速向倍增電極D1打去，產(chǎn)生二次發(fā)射，于是更多的二次發(fā)射電子又在D2電場(chǎng)作用下，射向第二倍增電極，激發(fā)更多的次發(fā)射電子，如此下去，一個(gè)光電子將激發(fā)更多的二次發(fā)射電子，如此不斷倍增，最后陽極收集到的電子數(shù)將達(dá)到陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍，即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)到幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬到幾百萬倍。因此，在很微弱的光照下，光電倍增管也能產(chǎn)生很大的光電流。,2020/7/

5、7,12,7.1.2 外光電效應(yīng)器件,光電倍增管的主要參數(shù) （1)倍增系數(shù)M。 （2)光電陰極靈敏度和光電倍增管的總靈敏度。,2020/7/7,13,7.1.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件,光電倍增管的主要參數(shù) （1）倍增系數(shù)M。 （2）光電陰極靈敏度和光電倍增管的總靈敏度。,2020/7/7,14,1光敏電阻,光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電元件。它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬、體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),2020/7/7,15,（1）光敏電阻的原理和結(jié)構(gòu)。,光敏電阻受到光照時(shí)，由于內(nèi)光電效應(yīng)，因而其導(dǎo)電性能增強(qiáng)而電阻R0值下降，所以流過負(fù)載電阻RL的

6、電流 及其兩端電壓會(huì)發(fā)生變 化。一般而言，光線越 強(qiáng)，電流越大。當(dāng)光照 停止時(shí)，光電效應(yīng)會(huì)立 即消失，電阻又恢復(fù)原 值。,2020/7/7,16,光敏電阻,當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)， 阻值減小。,2020/7/7,17,（2）光敏電阻的基本特性和主要參數(shù)。,光敏電阻的伏安特性。,光敏電阻的伏安特性,2020/7/7,18,光敏電阻的頻率特性 光敏電阻的光譜特性 。,2020/7/7,19,光敏電阻的頻率特性 暗電阻、亮電阻與光電流。 光敏電阻在受到光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。在沒有受到光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流被稱為暗電流。,2020/7/7,20,光敏電阻的

7、溫度特性。,2020/7/7,21,2光敏晶體管,光敏晶體管包括光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差，目前廣泛應(yīng)用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦合器、控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)、光電讀出裝置等場(chǎng)合。光敏晶閘管主要應(yīng)用于光控開關(guān)電路,2020/7/7,22,（1）光敏晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理, 光敏二極管。 通常處于反向偏置狀態(tài) 。當(dāng)沒有光照射時(shí)，其反向電阻很大，反向電流很小，這種反向電流稱為暗電流。,1負(fù)極引腳 2管芯 3外殼 4玻璃聚光鏡 5正極引腳 6N型襯底 7SiO2保護(hù)圈8SiO2透明保護(hù)層 9鋁引出電極 10

8、P型擴(kuò)散層 11PN結(jié) 12金屬引出線,2020/7/7,23,光敏二極管外形,光敏二極管陣列,包含1024個(gè)InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。,2020/7/7,24,紅外發(fā)射、接收對(duì)管外形,紅外發(fā)射管,紅外接收管,2020/7/7,25, 光敏三極管,集電極電流是原始光電電流的倍。因此，光敏三極管比光敏二極管的靈敏度高許多倍。,光敏三極管,2020/7/7,26,光敏三極管外形,2020/7/7,27, 光敏晶閘管,光敏晶閘管（LCR）又稱為光控晶閘管 光敏晶閘管的特點(diǎn)是工作電壓很高，有的可達(dá)數(shù)百伏，導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，因此輸出功率很大，在自動(dòng)檢測(cè)控制和日常生活中

9、應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。,2020/7/7,28,光敏晶閘管外形,光敏面,2020/7/7,29,（2）光敏晶體管的基本特性。, 光譜特性。,2020/7/7,30, 伏安特性,2020/7/7,31,光敏晶體管的光照特性,2020/7/7,32,光敏晶體管的溫度特性,2020/7/7,33,光敏晶體管的頻率特性,2020/7/7,34,.電池,光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)，當(dāng)光照射到光電池上時(shí)，可以直接輸出光電流。常用的光電池有兩種，一種是金屬半導(dǎo)體型，另一種是PN結(jié)型，如硒光電池、硅光電池、鍺光電池等。,2020/7/7,35,硅光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理,用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū)，電路中就有電流

10、流過,2020/7/7,36,光電池外形,光敏面,2020/7/7,37,能提供較大電流的大面積光電池外形,2020/7/7,38,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）,光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用,2020/7/7,39,典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu),1發(fā)光元件 2接收元件 3殼體 4導(dǎo)線 5反射物 6窗體,2020/7/7,40,光電開關(guān)外形,2020/7/7,41,應(yīng)用范圍,用光電開關(guān)檢測(cè)物體時(shí)，大部分只要求其輸出信號(hào)有“高低”之分即可。,2020/7/7,42,光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測(cè)裝置?？稍谧钥叵到y(tǒng)中用作物體檢測(cè)、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、料位檢測(cè)、尺寸控制、安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)

11、輸入接口等用途。,2020/7/7,43,7.1.4 光電傳感器的應(yīng)用,1、煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀 煙囪里的煙塵濁度是通過光在煙囪里傳輸時(shí)的變化大小來檢測(cè)的。如果煙塵濁度增加，那么光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射就會(huì)增加，使到達(dá)接收端的光減少，因而光檢測(cè)器輸出的信號(hào)就會(huì)減弱；反之，煙塵濁度減少，光檢測(cè)器輸出的信號(hào)就會(huì)增強(qiáng)。,2020/7/7,44,7.1.4 光電傳感器的應(yīng)用,吸收式煙塵濁度檢測(cè)儀框圖,2020/7/7,45,7.1.4 光電傳感器的應(yīng)用,2、光電轉(zhuǎn)速傳感器 如圖所示為在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)由光敏晶體管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成

12、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。,2020/7/7,46,7.1.4 光電傳感器的應(yīng)用,光電脈沖轉(zhuǎn)換電路,2020/7/7,47,7.2 紅外傳感器,紅外傳感器是用來檢測(cè)物體紅外輻射的敏感器件。所謂紅外輻射就是紅外光，紅外光是太陽光譜的一部分，其波長(zhǎng)范圍為0.761000m，紅外線在電磁波譜中的位置。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分：近紅外、中紅外、 遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。,2020/7/7,48,7.2.1 紅外輻射的基本定律,1 、斯忒藩玻爾茲曼定律 物體溫度越高，它輻射出來的能量就越大，公式表示為。,2020/7/7,49,7.2.1 紅外輻

13、射的基本定律,2 、希爾霍夫定律 若幾個(gè)物體處于同一溫度場(chǎng)中，各物體的熱發(fā)射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng)，這就是希爾霍夫定律。其表示公式為,2020/7/7,50,7.2.1 紅外輻射的基本定律,3 、維恩位移定律 熱輻射發(fā)射的電磁波中包含著各種波長(zhǎng)。物體峰值輻射波長(zhǎng) 與物體的自身的絕對(duì)溫度 成反比，即,2020/7/7,51,7.2.2 紅外傳感器的組成及原理,紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件（也叫探測(cè)器）、前置放大器和信號(hào)調(diào)制器等組成。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心。紅外探測(cè)器是利用紅外輻射與物體相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測(cè)紅外輻射的。紅外探測(cè)器的種類很多，按探測(cè)機(jī)理的不同，分為熱探測(cè)器和光子

14、探測(cè)器兩大類。,2020/7/7,52,7.2.3 紅外傳感器的應(yīng)用,1、紅外測(cè)溫儀,2020/7/7,53,7.2.3 紅外傳感器的應(yīng)用,2、紅外線氣體分析儀 根據(jù)紅外輻射在氣體中的吸收帶的不同，可以對(duì)氣體成分進(jìn)行分析。,2020/7/7,54,7.3 光纖傳感器,7.3.1 光纖傳感器概述,20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來,優(yōu)點(diǎn)，如不受電磁干擾、體積小、重量輕、可撓曲、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、易與微機(jī)連接、便于遙測(cè)等。它能用于溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和pH值等各種物理量的測(cè)量，具有極為廣泛的應(yīng)用前景。,2020/7/7,55,分類,光纖傳感器可以分為兩大類：

15、一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能型（傳光型）傳感器。 單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為212 m，很細(xì)的纖芯半徑接近于光源波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，僅能維持一種模式傳播，一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強(qiáng)度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。,2020/7/7,56,各種裝飾性光導(dǎo)纖維,2020/7/7,57,發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案。,上海東方明珠,2020/7/7,58,7.3.1 光纖的結(jié)構(gòu),光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱為光纖，目前基本上還是采用石英玻璃，其結(jié)構(gòu)如圖所示。中心的圓柱體叫做纖芯，圍

16、繞著纖芯的圓形外層叫做包層。纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成。,1光纖的結(jié)構(gòu),2020/7/7,59,光纖的結(jié)構(gòu),2020/7/7,60,光纖的結(jié)構(gòu),2020/7/7,61,光纖傳感器外形,2020/7/7,62,7.3.2 光纖的分類,(1)按光纖的折射率可分為階躍型和梯度型。 (2)按傳輸模數(shù)可分為單模光纖和多模光纖,2020/7/7,63,7.3.3 光纖的傳光原理,光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。,2020/7/7,64,只要滿足全反射條件，光線仍繼續(xù)前進(jìn)。可見這里的光線“轉(zhuǎn)彎”實(shí)際上是由光的全反射所形成的 光纖集光本領(lǐng)的術(shù)語叫數(shù)值孔徑NA NA= sinc= 數(shù)值孔徑反映纖芯接收

17、光量的多少。,2020/7/7,65,7.3.4 光纖傳感器的工作原理及類型特點(diǎn),光纖傳感器是將光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖再送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光。已調(diào)制的信號(hào)光再經(jīng)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，最終獲得被測(cè)量的參數(shù)。,1光纖傳感器工作原理,2020/7/7,66,7.3.4 光纖傳感器的工作原理及類型特點(diǎn),按光纖在傳感器中功能的不同，光纖傳感器可分為兩種類型，即非功能型(或稱結(jié)構(gòu)型、傳光型)光纖傳感器（又稱光纖式光電傳感器）和功能性(或稱物性型、傳感型)光纖傳感器。前者常使用多模光纖，

18、而后者常使用單模光纖。,2、光纖傳感器的類型及組成,2020/7/7,67,光纖傳感器組成示意圖,2020/7/7,68,7.3.4 光纖傳感器的工作原理及類型特點(diǎn),（1）抗電磁干擾能力強(qiáng)。常用光纖主要是由電絕緣、耐腐蝕的SiO2做成，工作時(shí)利用光子傳輸信息，因而不怕電磁場(chǎng)干擾，加之電磁干擾噪聲的頻率與光頻相比很低，對(duì)光波沒有干擾；此外，光波易于屏蔽，外界光頻性質(zhì)的干擾也很難進(jìn)入光纖。 （2）靈敏度高。 （3）重量輕、體積小。 （4）適于遙測(cè)。可以利用光通訊技術(shù)組成遙測(cè)網(wǎng)。,3、光纖傳感器的特點(diǎn),2020/7/7,69,7.3.5 光纖傳感器的應(yīng)用,因光纖傳感器具有傳輸損耗小、靈敏度高、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。光纖傳感器主要應(yīng)用在下列場(chǎng)合：由于傳感器傳輸距離遠(yuǎn)，可以用于危險(xiǎn)作業(yè)；檢驗(yàn)零部件細(xì)小部分；因安裝場(chǎng)地窄小，不能使用其它傳感器的場(chǎng)合；檢驗(yàn)零部件上細(xì)小的顏色標(biāo)記等。,2020/7/7,70,7.3.5 光纖傳感器的應(yīng)用,1、光纖加速度傳感器,2020/7/7,71,7.3.5 光纖傳感器的應(yīng)用,2、光纖輻射溫度傳感器 單波長(zhǎng)測(cè)量原理：當(dāng)達(dá)到某一溫度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)暗紅色的輻射，隨著溫度增加，亮度也在加強(qiáng)。利用光電檢測(cè)器測(cè)量亮度即光強(qiáng)的變化，便能檢測(cè)溫度。,2020/7/7,72,專用的光纖