1、第6章光學(xué)量傳感器及應(yīng)用,Optical sensors and application,知識(shí)目標(biāo)Teaching aims 1.通過本課題的學(xué)習(xí)，要求掌握光電效應(yīng)The photoelectric effect概念， 2.熟悉常見光電器件Photoelectric device的工作原理、結(jié)構(gòu)形式、類型、性能特征和轉(zhuǎn)換電路switching circuit； 3.了解光纖fiber-optic的結(jié)構(gòu)、光傳輸原理和光纖傳感器特性； 4.了解紅外線輻射infrared radiation機(jī)理和紅外探測(cè)器Infrared detector特性。,技能目標(biāo)skill goals 1.要求掌握光電器件

2、的典型應(yīng)用applications； 2能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選合適的光電器件； 3.能分析和設(shè)計(jì)基本光電檢測(cè)系統(tǒng),帶著任務(wù)去學(xué)習(xí),任務(wù)一：為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，馬路上路燈要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)熄功能，如何實(shí)現(xiàn)？ 任務(wù)二：如何用膠片記錄聲音信息并將其放映出來？ 任務(wù)三：有一可調(diào)轉(zhuǎn)速電機(jī)，當(dāng)其轉(zhuǎn)動(dòng)起來后怎樣實(shí)時(shí)測(cè)量其轉(zhuǎn)速？,6.1光電效應(yīng)及光電器件,6.1.1光電效應(yīng)及分類 classification 三類光電效應(yīng)及定義： 1.外光電效應(yīng) External photoelectric effect 在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。（光電流） emission of electrons by

3、substances, especially metals, when light falls on their surfaces . 光電管、光電倍增管,The photoelectric effect and the photoelectric devices,2.內(nèi)光電效應(yīng)internal photoelectric effect,the resistivity of object changes Under the effect of light 課本定義：在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 光敏電阻（光導(dǎo)管） 、光敏晶體管,3.光生伏特效應(yīng) photovoltai

4、c effect,在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。 The photovoltaic effect is the creation of voltage or electric current in a material upon exposure to light 分類： 勢(shì)壘光電效應(yīng)：P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電 側(cè)向光電效應(yīng)：光照部分與未被光照部分之間產(chǎn)生電勢(shì)差,6.1.2光電效應(yīng)對(duì)應(yīng)器件及其特點(diǎn)Photoelectric devices,1.結(jié)構(gòu)與工作原理,一、外光電效應(yīng)器件 A.光電管phototube及基本測(cè)量電路,2.光電管特性, 光電特性, 伏安特性, 光

5、譜特性,光電管的特性和適用場(chǎng)合,當(dāng)入射光的頻率大于金屬的極限頻率時(shí)，光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比，所以光電管常用作把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可用于測(cè)量。 主要用于自動(dòng)化裝置及有聲電影、無線電傳真。,B. 光電倍增管Photomultiplier tubes及基本測(cè)量電路,1.結(jié)構(gòu)與工作原理,109以上,光電倍增管的適用場(chǎng)合,光電倍增管具有極高的靈敏度、快速響應(yīng)和極低的暗電流等特點(diǎn)，還能夠在很大范圍內(nèi)調(diào)整內(nèi)增益。 它在微光探測(cè)、快速光子計(jì)數(shù)和微光時(shí)域分析等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。,二、內(nèi)光電效應(yīng)器件：A光敏電阻及基本測(cè)量電路,1.光敏電阻Photoresistor的工作原理和結(jié)構(gòu),2.光敏電阻的基本

6、特性和主要參數(shù), 暗電阻和暗電流 置于室溫、全暗條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過電阻的電流稱為暗電流。 亮電阻和亮電流 置于室溫、在一定光照條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時(shí)流過電阻的電流稱為亮電流。,伏安特性 超過額定值可能導(dǎo)致光敏電阻的永久性損壞。, 光電特性 光敏電阻的光電特性呈非線性non-linear，這是光敏電阻的主要缺點(diǎn)之一。 非線性較重，一般不用作測(cè)量元件!,（5）光譜特性,在選用光敏電阻時(shí)，把元件和入射光的光譜特性結(jié) 合起來考慮，才能得到比較滿意的效果。, 響應(yīng)時(shí)間 約為（10-110-3）s， 不能適用于要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。 溫度特性 光敏電阻和其他半導(dǎo)體器件

7、一樣，受溫度影響較大。,B.光敏晶體管Photo sensitive transistors,1.光敏晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理 光敏二極管photodiode 非線性、單向?qū)?工作原理： 1.暗電流和光電流 2.雪崩式光敏二極管, 光敏三極管photosensitive triode,兩個(gè)PN結(jié)，更高的靈敏度,光電二極管和光電三極管特點(diǎn)和適用范圍,特點(diǎn)：靈敏度高，響應(yīng)快 應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于光纖通信、紅外線遙控器、控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)等。,光敏晶閘管Photo sensitive thyristor,光敏晶閘管（LCR）也稱為光控晶閘管（LTT）， 是一種采用光信號(hào)控制的無觸點(diǎn)開關(guān)器件。,特點(diǎn)和適

8、用范圍,特點(diǎn)：工作電壓很高，有的可達(dá)數(shù)百伏，輸出功率很大 在自動(dòng)檢測(cè)和日常生活中應(yīng)用前景好,光敏電阻與光敏晶體管的比較：,1） 產(chǎn)生光電變換的部位不同。光敏電阻不管那一部份受到光照，受光部份的電導(dǎo)率就增大。而結(jié)型器件，只有照射到 p-n 結(jié)區(qū)附近的光，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。 2）光敏電阻沒有極性，工作時(shí)必須外加電壓。而結(jié)型光電器件有確定的正負(fù)極性，在沒有外加電壓下也可把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。,3） 光敏電阻的光電導(dǎo)效應(yīng)弛豫過程的時(shí)間常數(shù)較大，頻率響應(yīng)較差；結(jié)型器件弛豫過程的時(shí)間常數(shù)相應(yīng)較小，因此響應(yīng)速度較快。 4）有些結(jié)型光電器件，如光電三極管、雪崩光電二極管等有較大的內(nèi)增益作用，因此靈敏度較高，也

9、可通過較大的電流。,三、光生伏特效應(yīng)器件光電池photocell及基本測(cè)量電路,1.光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理,2.光電池的基本特性,光譜特性 針對(duì)性選擇合適的材料,1.硅光電池 2.硒光電池, 光電特性,作為電壓源使用時(shí)，電壓值較小。硅光電池0.5-0.6v,1.開路電壓特征曲線 2.短路電流特征曲線,主要用于電陽能發(fā)電、儀表，自動(dòng)化遙測(cè)和遙控方面。,任務(wù)解答： 一、選用靈敏度較大的光敏電阻作為光電轉(zhuǎn)換器件，光照較強(qiáng)時(shí)電路截至，而光照較弱使電路導(dǎo)通。,D1為觸發(fā)二極管，觸發(fā)電壓約30v左右。在白天時(shí)，光敏電阻的阻值低，其分壓低于30v(A點(diǎn))，觸發(fā)二極管截止，雙向可控硅無觸發(fā)電流，T1、 T2之間呈斷開狀態(tài)；天暗后，光敏電阻阻值增加，A點(diǎn)電壓大于30v，觸發(fā)二極管導(dǎo)通，雙向可控硅呈導(dǎo)通狀態(tài)，電燈亮。 R1 、C1為保護(hù)雙向可控硅的吸收電路。,二、將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為可記錄的信息，并通過光源再現(xiàn)出來，應(yīng)該選用光電特性線性度最好的光電管。分析如下：,光電管在電影放映機(jī)上的應(yīng)用,影片聲音重放過程,錄制：聲音-機(jī)械振動(dòng)-通過光束寬度變換-記錄在 電影膠片上-寬度不同的影像