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1、任课教师：,20152016学年第一学期,第四章 光电式传感器原理与应用,2,本章教学:,一、教学要求：,了解光学的基本知识，光栅传感器的原理、光学系统的构成、测量方法； 理解光电传感器利用的各种效应的机理； 掌握常用光电器件的结构、特性、测量电路、应用方法；的原理与应用；光纤传感器的原理、特点与应用；,3,光电器件或者光电元件是一种能够将光量转换为电量的器件。光电传感器就是以光电器件为检测元件的传感器，它先将被测非电量转换成光量的变化，然后通过光电器件将相应的光量转换成电量。本章介绍光电效应、光电器件、电荷耦合器件、光纤传感器及光栅传感器。,4,原理 首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然
2、后通过光电器件变换成电信号。,特性 频谱宽、非接触测量、体积小、重量轻等,5,二、教学时间安排：6学时,三、主要内容： 光电效应和光电器件 电荷耦合器件 光纤传感器 光栅传感器 本章重点：光电效应和光电器件、光纤传感器的原理、特点与应用； 本章难点：电荷耦合摄像器件（）的原理。 四、教学过程：,本章教学:,6,热辐射光源 气体放电光源 电致发光器件 激光器,光源是光电式传感器的一个组成部分，大多数光电传感器都离不开光源。,7,一、热辐射光源,原理：热物体都会向空间发出一定的光辐射 特点：物体温度越高，辐射能量越大 代表：白炽灯、卤钨灯,8,一、热辐射光源,9,二、气体放电光源,原理：电流通过气
3、体会产生发光现象 特点：改变气体成分、压力、电流、阴极材料和放电电流的大小，可以得到不同光谱范围的辐射源体 代表：日光灯,10,二、气体放电光源,11,三、电致发光器件,原理：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光 特点：体积小、寿命长、工作电压低、响应速度快 代表：发光二极管,12,四、激光器,定义：能够产生光受激辐射放大现象的器件 特点：单色性好、方向性好、亮度高 分类：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、 液体激光器,13,第一节 光电效应和光电器件,光电传感器的工作原理基于光电效应,光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子光子所组成，每一个光子能量为：,h 普朗克常数，6
4、.62610-34J.s； f 光的频率（s-1）。,光电效应：当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势）。,光电效应 ？,14,第一节 光电效应和光电器件,1）外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，形成光电流。,光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功A0和动能，即：,不同材料有不同的逸出功，对某种材料而言有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发电子，此频率限成为“红限”，其临界波长K为：,m电子质量； v0电子逸出速度； A0物体的表面电子逸出功。,c
5、光在真空中的速度。,逸出物体表面电子具有的动能,光电效应按原理又分为以下3种：,外光电效应典型元件有光电管、光电倍增管等。,15,第一节 光电效应和光电器件,光电效应按原理又分为以下3种：,2）内光电效应：又称光导电效应， 在光照作用下，物体导电性能（如电阻率发生变化）发生改变的现象。典型的光电元件有光敏电阻等。,16,第一节 光电效应和光电器件,光电效应按原理又分为以下3种：,3）光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。典型光电元件有光电池、光敏（电）二极管、光敏（电）三极管等。,17,1、光电管（光电发射型）,第一节 光电效应和光电器件,光电管灵敏度低、体积大、易破
6、损，已被固体光电器件所代替,目前光电管主要用途：光电比色计等分析仪器、各种光学自动装置,光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。,18,第一节 光电效应和光电器件,当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。,金属底层光电管 光透明光电管,A阳极，K阴极,1、光电管（光电发射型）,19,第一节 光电效应和光电器件,真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性,入射光的频谱及光通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系。,充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高。 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体,其
7、灵敏度随 电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差,1、光电管（光电发射型）,20,2、光电倍增管,第一节 光电效应和光电器件,在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小， 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极,21,2、光电倍增管,第一节 光电效应和光电器件,倍增系数M,等于各倍增电极的二次发射系数i 的乘积。如果n个倍增电极的i 都一样（ ），则,所以,式中，i为光电阴极的光电流,22,3、光敏电阻,第一节 光电效应和光电器件,23,第一节 光电效应和光电器件,1)光敏电阻的工作原理及结构,当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电
8、阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加,3、光敏电阻,24,第一节 光电效应和光电器件,1)光敏电阻的工作原理及结构,1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线,光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装 在带有玻璃的壳体中。,半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏度。,3、光敏电阻,25,第一节 光电效应和光电器件,2)光敏电阻的基本特性,伏安特性 光照特性 光谱特性 响应时间和频率特性 温度特性,3、光敏电阻,26,第一节 光电效应和光电器件,2)光敏电阻的基本特性-伏安
9、特性,在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。,光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。,在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；,在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。,3、光敏电阻,27,第一节 光电效应和光电器件,2)光敏电阻的基本特性-光照特性,光敏电阻的光电流与光强之间的关系。,由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件， 一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。,3、光敏电阻,28,第一节 光电效应和光电器件,2)光敏电阻的基本特性-光谱特性,光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同
10、的,可见光区域,红外区域,3、光敏电阻,29,第一节 光电效应和光电器件,2)光敏电阻的基本特性-响应时间,光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。 通常用响应时间t表示。,3、光敏电阻,30,第一节 光电效应和光电器件,2)光敏电阻的基本特性-频率特性,不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。,3、光敏电阻,31,第一节 光电效应和光电器件,2)光敏电阻的基本特性-温度特性,光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。,硫化镉光敏电阻的温度特性,温度系数:,在一定光照下，温度每变化1， 光敏电阻阻值的平均变化率,3、
11、光敏电阻,32,第一节 光电效应和光电器件,2)光敏电阻的基本特性-温度特性,温度对光谱特性影响,随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。,硫化铅光敏电阻的光谱温度特性,3、光敏电阻,33,第一节 光电效应和光电器件,4、光敏二极管和光敏晶体管,1）工作原理,结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中。在电路中一般是处于反向工作状态的,光敏二极管,34,第一节 光电效应和光电器件,4、光敏二极管和光敏晶体管,1）工作原理,与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。,光敏晶体管,35,第一节 光电效应和
12、光电器件,4、光敏二极管和光敏晶体管,1）工作原理,36,第一节 光电效应和光电器件,4、光敏二极管和光敏晶体管,2）基本特性,光谱特性 伏安特性 光照特性 温度特性 频率响应,37,第一节 光电效应和光电器件,4、光敏二极管和光敏晶体管,2）基本特性-光谱特性,入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降,硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性,可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。 在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。,38,第一节 光电效应和光电器件,4、光敏二极管和光敏晶体管,2）基本特性-伏安特性,硅光敏管的伏安特性,二极管,晶体管,39,第一节 光电效应和光电器件,4、光敏二极管和光敏晶体
13、管,2）基本特性-光照特性,硅光敏管的光照特性,光敏二极管的光照特性曲线的线性较好,40,第一节 光电效应和光电器件,4、光敏二极管和光敏晶体管,2）基本特性-温度特性,其暗电流及光电流与温度的关系,温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。,41,第一节 光电效应和光电器件,4、光敏二极管和光敏晶体管,2）基本特性-频率响应,具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系,硅光敏晶体管的频率响应,42,第一节 光电效应和光电器件,5、光电池,有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。 1. 工作原理 2基本特性,43,第一节 光电
14、效应和光电器件,5、光电池,太阳能电池片,44,第一节 光电效应和光电器件,5、光电池,光照射光电子空穴对内建电场作用光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区光电动势,阻挡层内建电场PN结,当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。,1）工作原理,45,第一节 光电效应和光电器件,5、光电池,2）基本特性,光谱特性 光照特性 频率响应 温度特性 稳定性,46,第一节 光电效应和光电器件,5、光电池,2）基本特性-光谱特性,光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的,47,第一节 光电效应和光电器件,5、光电池
15、,2）基本特性-光照特性,不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。,短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的 光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用,48,第一节 光电效应和光电器件,5、光电池,2）基本特性-光照特性,负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽,49,第一节 光电效应和光电器件,5、光电池,2）基本特性-频率响应,指输出电流随调制光频率 变化的关系,硅光电池具有较高的频率响应 ,用于高速计数的光电转换,50,第一节 光电效应和光电器件,5、光电池,2）基本特性-温度特性,开路电压和短路电流随温度变化的关系。 关系到应用光电池的仪
16、器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标。,硅光电池的温度特性(照度1000lx),51,第一节 光电效应和光电器件,5、光电池,2）基本特性-稳定性,当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定 影响性能和寿命因素： 光电池的材料及制造工艺 使用环境条件,52,第一节 光电效应和光电器件,6、光电式传感器的应用,模拟式传感器 脉冲式传感器,53,第一节 光电效应和光电器件,6、光电式传感器的应用,1）模拟式光电传感器,基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数 。 对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。 这类传感器将被测量转换成连续变化的光电流，要求光电元件的光照特性为单值线性，而且光源的光照均匀恒定。,54,第一节 光电效应和光电器件,6、光电式传感器的应用,1
