1、1,項目6 光電傳感器及其應(yīng)用,6.1 光電效應(yīng)及光電器件 6.2 紅外傳感器 6.3 激光傳感器 6.4 光纖傳感器 6.5 光電傳感器應(yīng)用實例,2,6.1 光電效應(yīng)及光電器件,將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為光電傳感器或光電元件。光電式傳感器的工作原理是：首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。,3,6.1.1 外光電效應(yīng),光電效應(yīng)按其作用原理可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。 在光線作用下，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)的光電器件由光電管、光電倍增管等。 我們知道，光子是具有能量的粒子，每個光

2、子具有的能力由下式確定。,4,逸出電子的動能,若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0時，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。故要使一個電子逸出，則光子能量h必須超出逸出功A0 ，超過部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動能。即(愛因斯坦光電效應(yīng)方程),5,6.1.2 內(nèi)光電效應(yīng),受光照的物體導電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類。 1）光電導效應(yīng)。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)，而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱為光電導效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的器件有光敏電阻等。 2）光生伏特效應(yīng)。在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏

3、特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。,6,導帶,價帶,禁帶,自由電子所占能帶,不存在電子所占能帶,價電子所占能帶,Eg,光電導效應(yīng)的過程,當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，如圖，使材料中導帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導率變大。,7,在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。 具有該效應(yīng)的材料有硅、硒、氧化亞銅、硫化鎘、砷化鎵等。 例如，當一定波長的光照射PN結(jié)時，就產(chǎn)生電子-空穴對，在PN結(jié)內(nèi)電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，于是P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，即光生電動勢。 利

4、用該效應(yīng)可制成各類光電池。,6.1.3 光生伏特效應(yīng),8,光電管和光電倍增管 光電管和光電倍增管同屬于用外光電效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件。,6.1.4 光電器件,光電管,光電倍增管,9,光電管的結(jié)構(gòu)示意圖,光,陽極,光電陰極,光窗,1.光電管,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光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖。它們由一個陰極和一個陽極構(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。,10,普通光電管,在一個真空泡內(nèi)裝有兩個電極：光電陰極和光電陽極。 光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)壁上

5、做成，其感光面對準光的照射孔。 當光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。,11,光電管的結(jié)構(gòu)和電路,12,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,光電器件的主要性能,（1） 光電管的伏安特性 在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。 光電管的伏安特性如圖所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。,13,光電管的光照特性,25

6、,50,75,100,2,0,0.5,1.5,2.0,/1m,IA/ A,1.0,2.5,1,（2）光電管的光照特性 通常指當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電,管的光照特性，光電流I與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。,14,（3）光電管光譜特性,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，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。 一般對于光電陰極材料不同的光電

7、管，它們有不同的紅限頻率f0，因此它們可用于不同的光譜范圍。 除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率f0，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。,15,2. 光電倍增管,(1)結(jié)構(gòu)與原理 由于真空光電管的靈敏度較低，因此人們便研制了光電倍增管，其工作原理如圖。,16,光電倍增管的工作原理,光電倍增管由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次

8、陰極多的可達30級；陽極是最后用來收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105108倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產(chǎn)生很大的光電流。,17,(2)主要參數(shù),1）倍增系數(shù) M,電流放大倍數(shù),M與所加電壓有關(guān)，一般在105108之間。一般陽極和陰極的電壓為1000V2500V，兩個相鄰的倍增電極的電壓差為50V100V。,18,2）陰極靈敏度和總靈敏度,一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)稱為光電陰極的靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)稱為光電倍增管的總靈敏度。 光電倍增管的放大倍數(shù)或總

9、靈敏度如圖所示。,19,3）暗電流和本底脈沖,一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢杂醚a償電路消除。 如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流具有脈沖形式。,20,光電倍增管的光照特性,與直線最大偏離是3%,1013,1010,109,107,105,103,

10、101,在45mA處飽和,1014,1010,106,102,光通量/1m,陽極電流/ A,4）光電倍增管的光譜特性,光譜特性反應(yīng)了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個關(guān)系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。,21,光敏電阻,光敏電阻又稱光導管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導效應(yīng)，其阻值隨光照增強而減小。 優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。 不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。,22,當光照

11、射到光電導體上時，若光電導體為本征半導體材料，而且光輻射能量又足夠強，光導材料價帶上的電子將激發(fā)到導帶上去，從而使導帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導體的電導率變大。為實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光導體材料的禁帶寬度Eg，即 h= = Eg(eV) 式中和入射光的頻率和波長。 一種光電導體，存在一個照射光的波長限C，只有波長小于C的光照射在光電導體上，才能產(chǎn)生電子在能級間的躍遷，從而使光電導體電導率增加。,1. 光敏電阻的工作原理,23,如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導體。光導體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴散

12、到內(nèi)部去，但擴散深度有限，因此光電導體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案。,2. 光敏電阻的結(jié)構(gòu),24,1-光導層; 2-玻璃窗口; 3-金屬外殼; 4-電極; 5-陶瓷基座; 6-黑色絕緣玻璃; 7-電阻引線。,RG,1,2,3,4,5,6,7,(a)結(jié)構(gòu),(b)電極,(c)符號,CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號,3. 光敏電阻的符號,25,RG,RL,E,I,6. 光敏電阻的連線電路,光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導光電導體嚴密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其連線電路如圖所示。 光敏

13、電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。,26,5. 光敏電阻的主要參數(shù),暗電阻：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流稱為暗電流。 亮電阻：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流稱為該光照下的亮電流。 光電流：亮電流與暗電流之差。,27,50,100,150,200,1,2,U/V,0,20,40,I/ A,6. 光敏電阻的基本特性 （1） 伏安特性 在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特

14、性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn),象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。,28,0,1,2,3,4,5,I/mA,L/lx,1000,2000,（2）光照特性,下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處

15、。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。,29,20,40,60,80,100,40,80,120,160,200,240,/m,3,1,2,相對靈敏度,1-硫化鎘 2-硒化鎘 3-硫化鉛,（3）光譜特性,光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。,30,20,40,60,80,100,I / %,f / Hz,0,10,102,103,104,硫化鉛,硫化鎘,（4）頻率特性 當光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要

16、經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性。由于不同材料的光敏電阻時延,特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場合。,31,I / %,40,80,120,160,2,1,T/h,0,400,800,1200,1600,（5）穩(wěn)定性 圖中曲線1、2分別表示兩種型號CdS光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負載情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達穩(wěn)定

17、。光敏電阻在開始一段時間的老化過程中，有些樣品阻值上升，,有些樣品阻值下降，但最后達到一個穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點。 光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是無限長的。,32,I / A,100,150,200,-50,-10,30,50,10,-30,T / C,20,40,60,80,100,0,1.0,2.0,3.0,6.0,/m,I/mA,+20 C,-20 C,（6）溫度特性,其性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系如圖所示。有時為了提高靈敏度

18、，或為了能夠接收較長波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。,33,光敏二極管和光敏三極管,34,光敏二極管符號如圖。鍺光敏二極管有A，B，C，D四類；硅光敏二極管有2CU1AD系列、2DU14系列。 光敏二極管的結(jié)構(gòu)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。,P,N,光,光敏二極管符號,RL,光,P,N,光敏二極管接線,1.光敏二極管,35,P-Si,N-Si,I-Si,PIN管結(jié)構(gòu)示意圖,PIN 結(jié)光電二極管,PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點是，在P型半導體和N型半導

19、體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于 I 層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。,36,雪崩光電二極管(APD),雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。 這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達到幾百。當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。,37,光敏三極管有P

20、NP型和NPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴大光的照射面積,且其基極不接引線。當集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態(tài)。,P,P,N,N,N,P,e,b,b,c,RL,E,e,c,2.光敏三極管,38,光敏三極管的結(jié)構(gòu)和電路,39,相對靈敏度/%,硅,鍺,入射光,/,4000,8000,12000,16000,100,80,60,40,20,0,硅的峰值波長為9000，鍺的峰值波長為15000。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。

21、,光敏三極管基本特性,（1）光譜特性 光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。,40,0,500lx,1000lx,1500lx,2000lx,2500lx,I/mA,2,4,6,20,40,60,80,光敏晶體管的伏安特性,U/V,（2）伏安特性,光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示。光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。因此，只要

22、將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。,41,光敏晶體管的光照特性,I / A,L/lx,200,400,600,800,1000,0,1.0,2.0,3.0,（3）光照特性,光敏晶體管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流 I 和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。,42,暗電流/mA,光電流/mA,10,20,30,40,50,60,70,T /C,25,

23、0,50,100,0,200,300,400,10,20,30,40,50,60,70,80,T/C,光敏晶體管的溫度特性,（4）溫度特性,光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。,43,光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。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。,0,100,1000,500

24、,5000,10000,20,40,60,100,80,RL=1k,RL=10k,RL=100k,入射光調(diào)制頻率 / HZ,相對靈敏度/%,光敏晶體管的頻率特性,（5）頻率特性,44,不同光敏器件的響應(yīng)時間有所不同。 光敏電阻較慢，約為（10110）s，一般不能用于要求快速響應(yīng)的場合。 工業(yè)用的硅光敏二極管的響應(yīng)時間為（105 107）s左右， 光敏三極管的響應(yīng)時間比二極管約慢一個數(shù)量級，在要求快速響應(yīng)或入射光、調(diào)制光頻率較高時應(yīng)選用硅光敏二極管。,（6）響應(yīng)時間,45,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。 由于它可把太陽能直接變電能，又稱為太陽能電池。它是發(fā)電式有源元件。它有較

25、大面積的PN結(jié)，當光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。 命名方式：把光電池的半導體材料的名稱冠于光電池之 前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。,6.1.5光電池,+,光,P,N,SiO2,RL,I,光,P,N,46,硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。它是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。當光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可

26、測出光生電動勢。,1. 工作原理,+,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,47,I,U,Id,U,I,RL,I,(a),(b),(c),光電池符號和基本工作電路,2. 光電池的表示符號及電路,光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。,48,L/klx,L/klx,5,4,3,2,1,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,2,4,6,8,10,開路電壓,Uoc /V,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.3,0.1,0,1,2,3,4,5,Uoc/V,Isc /mA,Isc/mA,(a) 硅光電池,(b)硒光電池,

27、開路電壓,短路電流,短路電流,3. 基本特性,（1）光照特性 開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當照度為2000lx時趨向飽和。 短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線,49,0,2,4,6,8,10,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,I/mA,L/klx,50,100,1000,5000,RL=0,短路電流,短路電流，指外接負載相對于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當?shù)耐饨迂撦d近似地滿足“短路”條件。 下圖表示硒光電池在不同負載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，負載電阻RL越小，光電流與強度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。,50,20

28、,40,60,80,100,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,0.2,I / %,1,2,/m,1-硒光電池 2-硅光電池,(2) 光譜特性,光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。,51,在一定照度下，光電流I與光電池兩端電壓V的對應(yīng)關(guān)系，稱為伏安特性。 伏安特性可以幫助我們確定光敏元件的負載電阻，設(shè)計應(yīng)用電路。,（3）伏安特性,52,20,40,60,80,100,0,I / %,1,2,3,4,5,

29、1,2,f / kHz,1-硒光電池 2-硅光電池,(4) 頻率特性,光電池作為測量、計數(shù)、接收元件時常用調(diào)制光輸入。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。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。,53,20,0,40,60,90,40,60,UOC/ mV,T / C,ISC,UOC,ISC / A,600,400,200,UOC-開路電壓,ISC -短路電流,硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線,（5）溫度特性,光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨

30、溫度變化的關(guān)系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標，因此，當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。,54,6.1.6 光電耦合器件,光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi), 一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。發(fā)光元件為發(fā)光二極管，受光元件為光敏二極管、光敏三極管或光敏可控硅。它以光為媒介，實現(xiàn)輸入電信號耦合到輸出端。,55,1、光電耦合器件特點,強弱電隔離 輸入輸出極之間絕緣電阻很高。耐壓達2000V以上。 對系統(tǒng)內(nèi)部噪聲有很強的抑制作用 能避免輸出端對輸入端地線等的干擾。發(fā)光二極管為電

31、流驅(qū)動元件，動態(tài)電阻很小，對系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲有旁路作用。（濾除噪聲） 光電耦合器的組合形式應(yīng)用于自動控制電路中的強弱電隔離。,56,絕緣玻璃,發(fā)光二極管,透明絕緣體,光敏三極管,塑料,發(fā)光二極管,光敏三極管,透明樹脂,采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中部對接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏三極管對準，以此來提高靈敏度。,(a)金屬密封型,(b)塑料密封型,采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹脂固定，具有集光作用，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。,2、光電耦合器的結(jié)構(gòu),57,3、光電耦合器典型結(jié)構(gòu),58,(a),(b),(c),(d),光電耦合器的組合形式,4、 光電耦合器的組

32、合形式 光電耦合器的組合形式有多種，如圖所示。,該形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。 該形式采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。 該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動和較低頻率的裝置中。 該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。,59,對于光電耦合器的特性，應(yīng)注意以下各項參數(shù)。 （1）電流傳輸比 （2）輸入輸出間的絕緣電阻 （3）輸入輸出間的耐壓 （4）輸入輸出間的寄生電容 （5）最高工作頻率 （6）脈沖上升時間和下降時間,5、光電耦合器件的各項參數(shù),60,6.2 紅外線傳感器,61,6.2.1

33、 紅外線傳感器概述,凡是存在于自然界的物體，例如人體、火焰甚至于冰都會放射出紅外線，只是其發(fā)射的紅外線的波長不同而已。 人體的溫度為3637，所放射的紅外線波長為9lOm(屬于遠紅外線區(qū))，加熱到400700的物體，其放射出的紅外線波長為35m(屬于中紅外線區(qū))。紅外線傳感器可以檢測到這些物體發(fā)射出的紅外線，用于測量、成像或控制。 用紅外線作為檢測媒介，來測量某些非電量，比可見光作為媒介的檢測方法要好。,62,紅外線及其特性,紅外線也稱紅外光或紅外輻射，它是一種電磁波，其波長范圍在電磁波譜中的位置如圖所示。由圖可見，它是波長位于可見光和微波之間的一種不可見光。 紅外光的最大特點是具有光熱效應(yīng)，

34、能輻射熱量，它是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)。,63,紅外光檢測的優(yōu)越性,1可晝夜測量 紅外線(指中、遠紅外線)不受周圍可見光的影響，故可在晝夜進行測量。 2不必設(shè)光源 由于待測對象發(fā)射出紅外線，故不必設(shè)光源。 3適用于遙感技術(shù) 大氣對某些特定波長范圍的紅外線吸收甚少(22.6m，35m，814m三個波段稱為“大氣窗口”)，故適用于遙感技術(shù)。,64,紅外線傳感器按其工作原理可分為兩類：量子型及熱型。 熱型紅外線光敏元件的特點是： 靈敏度較低、響應(yīng)速度較慢、響應(yīng)的紅外線波長范圍較寬，價格比較便宜、能在室溫下工作。 量子型紅外線光敏元件的特性則與熱型正好相反，一般必須在冷卻（77K）條件下使用。,熱型紅外

35、線光敏元件的特點,65,1. 熱釋電效應(yīng) 若使某些強介電質(zhì)物質(zhì)的表面溫度發(fā)生變化，隨著溫度的上升或下降，在這些物質(zhì)表面上就會產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，是熱電效應(yīng)的一種。 這種現(xiàn)象在鈦酸鋇之類的強介電質(zhì)物質(zhì)材料上表現(xiàn)得特別顯著。 熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷不是永存的，很快便被空氣中的各種離子所結(jié)合。 ,6.2.2 熱釋電型紅外傳感器,66,熱釋電紅外線光敏元件的材料較多，其中以陶瓷氧化物及壓電晶體用得最多。 3. 熱釋電紅外傳感器 結(jié)構(gòu)及電路如圖所示。傳感器的敏感元件是PZT（鈦鋯酸鉛 ），在上下兩面做上電極，并在表面上加一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn)換效率。 等效電路是一個在負載電阻上并聯(lián)一

36、個電容的電流發(fā)生器，其輸出阻抗極高，輸出電壓信號又極其微弱，管內(nèi)有場效應(yīng)管FET放大器及厚膜電阻，以達到阻抗變換的目的。 ,2. 熱釋電紅外線光敏元件的材料,67,熱釋電紅外傳感器等效電路,68,熱釋電紅外傳感器基本結(jié)構(gòu),69,PVF2是聚偏二氟乙烯的縮寫，是一種經(jīng)過特殊加工的塑料薄膜。 它具有壓電效應(yīng)，同時也具有熱釋電效應(yīng)，是一種新型傳感器材料。 熱釋電系數(shù)比鉭酸鋰、硫酸三甘肽等要低。 它具有不吸濕、化學性質(zhì)穩(wěn)定、柔軟、易加工及成本低的特點，是制造紅外線監(jiān)測報警裝置的好材料。,6. PVF2 熱釋電紅外傳感器,70,菲涅耳透鏡是由塑料制成的、特殊設(shè)計的光學透鏡，配合熱釋電紅外線傳感器使用。

37、透鏡由很多“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”組成，物體或人體發(fā)射的紅外線通過菲涅耳透鏡會產(chǎn)生一系列的光脈沖進入傳感器，從而提高了接收靈敏度。如圖所示。 物體或人體移動的速度越快，靈敏度就越高。目前一般配上透鏡可檢測10米上下，而采用新設(shè)計的雙重反射型，則其檢測距離可達20米以上。,5.菲涅耳透鏡,71,菲涅耳透鏡的應(yīng)用,72,色彩傳感器,E3MC-A11 2M色彩傳感器,73,色彩測量的原理,74,色彩傳感器是由單晶硅和非單晶態(tài)硅制成的半導體器件。 物體的顏色是由照射物體的光源和物體本身的光譜反射率決定的。在光源一定的條件下，物體的顏色取決于反射的光譜（波長），能測定物體反射的波長，就可以測定物體的顏色。

38、 色彩傳感器有兩種：雙PN結(jié)光電二極管（簡稱雙結(jié)型）和非晶態(tài)集成色彩傳感器。,色彩傳感器的種類,75,1. 雙結(jié)型色彩傳感器,76,2. 非晶態(tài)集成色彩傳感器,77,非晶態(tài)傳感器放大電路,傳感器上有時并聯(lián)一個100K電阻，以保證良好的線性度。其運算放大電路如圖所示。,78,CZG-GC-500系列紫外火焰?zhèn)鞲衅?79,6.3 激光傳感器,激光是20世紀60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個重要特性。激光波長從0.24m到遠紅外整個光頻波段范圍。 激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類為： 固體激光器（如紅寶石激光器） 氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器） 半導

39、體激光器（如砷化鎵激光器） 液體激光器。,80,激光傳感器優(yōu)點,激光傳感器是利用激光技術(shù)進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。它能把被測物理量(如長度，流量，速度等)轉(zhuǎn)換成光信號，然后應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換器把光信號變成電信號，通過相應(yīng)電路的過濾、放大，整流得到輸出信號，從而算出被測量，因此廣義上也可將激光測量裝置稱為激光式傳感器。激光式傳感器實際上是以激光為光源的光電式傳感器。 激光傳感器優(yōu)點：能實現(xiàn)無接觸遠距離測量；結(jié)構(gòu)、原理簡單可靠；適合各種惡劣的工作環(huán)境，抗光、抗電干擾能力強；分辨率較高(如在測量長度時能達到幾納米)；示值誤差小；穩(wěn)定性好，宜用于快速測量。雖然高精密激光傳感器已

40、上市多年，但以前由于其價格太高，一直不能獲得廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，由于其產(chǎn)品價格大幅度下降，使其成為遠距離檢測場合一種最經(jīng)濟有效的方法。,81,激光傳感器的工業(yè)應(yīng)用,激光傳感器除了在長度等測量中的一些應(yīng)用外，還可測量物體或微粒的運動速度，測量流速、振動、轉(zhuǎn)速、加速度、流量等，并有較高的測量精度。,82,激光的特性,1高方向性(即高定向性，光速發(fā)散角小) 2高亮度 3高單色性 4高相干性,83,激光傳感器的應(yīng)用,1激光測長 精密測量長度是精密機械制造工業(yè)和光學加工工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，如圖6.27所示。現(xiàn)代長度計量多是利用光波的干涉現(xiàn)象來進行的，其精度主要取決于光的單色性的好壞。激光是最理想的光源，它比

41、以往最好的單色光源(氪-86燈)還純10萬倍。因此激光測長的量程大、精度高。,84,2激光測距,激光測距的原理與無線電雷達相同，將激光對準目標發(fā)射出去后，測量它的往返時間，再乘以光速即得到往返距離。由于激光具有高方向性、高單色性和高功率等優(yōu)點，這些對于測遠距離、判定目標方位、提高接收系統(tǒng)的信噪比、保證測量精度等都是很關(guān)鍵的，因此激光測距儀日益受到重視。 1965年前蘇聯(lián)利用激光測地球和月球之間距離(380103km)誤差只有250m。1969年美國人登月后置反射鏡于月面，也使用激光測量地月之距，誤差只有15cm。,85,3激光測振,激光測振基于多普勒原理測量物體的振動速度。 多普勒原理是指：若

42、波源或接收波的觀察者相對于傳播波的媒質(zhì)而運動，那么觀察者所測到的頻率不僅取決于波源發(fā)出的振動頻率而且還取決于波源或觀察者運動速度的大小和方向。 所測頻率與波源的頻率之差稱為多普勒頻移fd。,86,4激光測速,激光測速也是基于多普勒原理的一種激光測速方法，用得較多的是激光多普勒流速計(即激光流量計)，它可以測量風洞氣流速度、火箭燃料流速、飛行器噴射氣流流速、大氣風速和化學反應(yīng)中粒子的大小及匯聚速度等。,87,激光式位移傳感器,由激光器、光學元件、光電轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的激光測量系統(tǒng)，將被測位移量轉(zhuǎn)換成電信號。 激光檢測有精度高、測量范圍大、測試時間短、非接觸、易數(shù)字化、效率高等優(yōu)點。激光干涉測長技術(shù)，

43、目前已廣泛地應(yīng)用于精密長度測量，如磁尺、感應(yīng)同步器、光柵的檢定；精密機床位移檢測與校正；集成電路制作中的精密定位等。 常用的激光干涉測長傳感器分為單頻激光干涉?zhèn)鞲衅骱碗p頻激光干涉?zhèn)鞲衅鳌?88,(1) 單頻激光干涉?zhèn)鞲衅?89,(2) 雙頻激光干涉?zhèn)鞲衅?90,3激光陀螺式角速度傳感器,91,6.4 光纖傳感器,光纖傳感器能抗電磁干擾；安全；靈巧輕便；使用方便,92,光纖傳感原理,將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制區(qū),在調(diào)制區(qū)內(nèi),外界被測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用使光的性質(zhì)如強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光敏器件、解調(diào)器而獲得被測參數(shù)。,93,光纖傳

44、感器結(jié)構(gòu),94,光纖傳感器的分類,光纖傳感器按照光纖的使用方式可分為功能型傳感器和非功能型傳感器。 功能型傳感器是利用光纖本身的特性隨被測量發(fā)生變化，利用光纖作為敏感元件，又稱為傳感型光纖傳感器。 非功能型傳感器是利用其他敏感元件來感受被測量變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，也稱為傳光型光纖傳感器或稱混合型光纖傳感器。 功能型(FF):傳光且敏感(傳感型) 非功能型(NFF):只傳光.(傳光型),95,光導纖維是用比頭發(fā)絲還細的石英玻璃制成的，每根光纖由圓柱形的內(nèi)芯和包層組成。內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率。 光是直線傳播的。然而入射到光纖中的光線卻能限制在光纖中，而且隨著光纖的彎曲而走彎曲的路線

45、，并能傳送到很遠的地方去。 光纖的直徑比光的波長大很多，可以用幾何光學的方法來說明光在光纖中的傳播。,6.4.1 光纖傳感元件,96,光導纖維中光的傳輸特性,97,（1）數(shù)值孔徑： 無論光源發(fā)射功率有多大，只有2張角之內(nèi)的光功率能被光纖接收。角2與光纖內(nèi)芯和包層材料的折射率有關(guān)，我們將的正弦定義為光纖的數(shù)值孔徑（NA）。 一般希望有大的數(shù)值孔徑,以利于耦合效率的提高,但數(shù)值孔徑越大,光信號畸變就越嚴重,所以要適當選擇。,光纖的主要參數(shù)和類型,98,（2）光纖模式,光纖模式簡單地說就是光波沿光纖傳輸?shù)耐緩胶头绞健?多模光纖中，同一光信號采用很多模式傳輸，會使這一光信號分裂為不同時間到達接收端的多

46、個小信號，導致合成信號畸變。 希望模式數(shù)量越少越好，盡可能在單模方式下工作，即單模光纖。階躍型的圓筒光纖內(nèi)傳播的模式數(shù)量可簡單表示為：,99,由于光纖纖芯材料的吸收、散射以及光纖彎曲處的輻射損耗等影響，光信號在光纖的傳播不可避免地會有損耗。 假設(shè)從纖芯左端輸入一個光脈沖，其峰值強度（光功率）為Io，傳播損耗后，光纖中任一點處的光強度為： （4）光纖類型 按折射率變化分為階躍型光纖和漸變型光纖。 按傳輸模式多少分為單模光纖與多模光纖。,（3）傳播損耗,100,光纖傳感器的種類很多，工作原理也各不相同，但都離不開光的調(diào)制和解調(diào)兩個環(huán)節(jié)。 光調(diào)制就是把某一被測信息加載到傳輸光波上。 承載了被測信息的

47、已調(diào)制光，傳輸?shù)焦馓綔y系統(tǒng)后再經(jīng)解調(diào)，便可獲得所需的該被測信息。 常用的光調(diào)制方法有強度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、偏振調(diào)制等幾種。,6.4.2 常用光纖傳感器,101,1. 光纖壓力傳感器,102,2. 光纖血流傳感器,103,6.5 光電傳感器應(yīng)用實例,104,220V,C1,路燈,CJD-10,8V,200F,200F,C2,C3,100F,R1,R3,R5,R7,R4,R6,R7,R2,J,470k,200k,10k,6.3k,BG1,280k,25k,57k,10k,BG2,BG3,BG4,2CR,6.5.1 路燈自動控制器,105,6.5.2 光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表,106,6.5.3 物

48、體長度及運動速度的檢測,107,手,熱風機,繼電器KM,延時電路,紅外光接收,紅外光發(fā)射,信號處理,交流 電源,紅外自動干手器電路原理框圖,紅外光,紅外光,熱風,電信號,6.5.4 紅外自動干手器,108,6.5.5 手指光反射測量心率方法,109,顯 示 器,信號 變換 處理,放 大 器,5V,LED,B,光傳感器,68K,270,C,手指光反射測量心率電路圖,手指光反射測量心率電路,110,6.5.6 條形碼掃描筆,111,掃描筆輸出的脈沖,112,6.5.7 煙塵濁度監(jiān)測儀,防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。,113,平行 光源,光電 探測,放大,顯示,刻度 校正,報警器,煙道,吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖,114,在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，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，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。,6.5.8 光電轉(zhuǎn)速傳感器,下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。 圖(a