传感器原理及检测技术_第7章_光电式传感器讲解

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1、1 第7章 光电式传感器 2 引言 光电式传感器是把被测物理量的变化先转换 成光信号的变化，然后再通过光电转换元件 把光信号变换成电信号的一种传感器。 光电式传感器的测量方法灵活多样，并且具 有使用方便、非接触、高精度、高分辨力、 高可靠性和反应快等一系列优点，因而发展 十分迅速，而且随着激光、光栅、光导纤维 、CCD等器件的相继问世，光电传感器在检 测及自动控制领域中得到了更广泛的应用。 3 所谓光电效应是指在光的照射下一些金属、金属氧 化物或半导体材料释放电子的现象。 光子是具有一定能量的微粒，是以光速运动的粒子 流。每一个光子都具有一定的能量，它的能量大小 E与其频率 成正比。 7.1

2、光电传感器 4 7.1 光电传感器 光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大 ；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。 不同颜色的光子由于其光波频率不同其能量也是不 同的； 绿光光子比红光光子具有更多的能量，照射在物体 上可看作是一连串具有能量为E的粒子轰击在物体 上； 光子与物质间的连接体是电子。 5 7.1.1 光电效应 光电效应分为内光电效应和外光电效应。当物 体在光的作用下所释放的电子没有逸出物体表 面，而只在物体的内部运动并使物体的电学特 性发生变化的现象叫做内光电效应，内光电效 应多产生于半导体材料内。 当物体在光的作用下使物体中的电子从物体表 面逸出的现象，叫做外光电效应

3、，外光电效应 多发生于金属或金属氧化物内。 6 7.1.2 外光电效应器件 光电管 7 7.1.2 外光电效应器件 光电管的伏安特性曲线 8 7.1.2 外光电效应器件 光电管的光照特性 9 7.1.2 外光电效应器件 光电管的光谱特性曲线 10 7.1.2 外光电效应器件 光电倍增管 11 7.1.2 外光电效应器件 光电倍增管的工作原理 基于外光电效应、二次电子发射和电子光学基础上。在光电倍增 管的各倍增电极D1、D2、D3和阳极上，依次有逐渐增高的正电压，即 阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位依次升高，阳极电 位最高，而且相邻两极之间电压应使二次发射系数大于1。在入射光作 用下

4、，光电阴极发射的光电子在D1电场作用下，以高速向倍增电极D1打 去，产生二次发射，于是更多的二次发射电子又在D2电场作用下，射向 第二倍增电极，激发更多的次发射电子，如此下去，一个光电子将激 发更多的二次发射电子，如此不断倍增，最后阳极收集到的电子数将 达到阴极发射电子数的105106倍，即光电倍增管的放大倍数可达到几 万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到几百 万倍。因此，在很微弱的光照下，光电倍增管也能产生很大的光电流 。 12 7.1.2 外光电效应器件 光电倍增管的主要参数 （1）倍增系数M。 （2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。 13 7.1.3 内光电效应

5、器件 光电倍增管的主要参数 （1）倍增系数M。 （2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。 14 1）光敏电阻 光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光 电元件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽 、体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、 耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点。 15 （1）光敏电阻的原理和结构。 光敏电阻受到光照时，由于内光电效应，因而其导电 性能增强而电阻R0值下降，所以流过负载电阻RL的电 流及其两端电压会发生 变化。一般而言，光线越 强，电流越大。当光照 停止时，光电效应会立 即消失，电阻又恢复原 值。 16 光敏电阻实物图 当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。 17 （2）光敏

6、电阻的基本特性和主要参数。 光敏电阻的伏安特性： 光敏电阻的伏安特性 18 光敏电阻的频率特性光敏电阻的光谱特性 19 光敏电阻的频率特性： 暗电阻、亮电阻与光电流： 光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过 的电流称为亮电流。在没有受到光照射时的阻值称为暗电 阻，此时流过的电流被称为暗电流。 20 光敏电阻的温度特性。 21 2）光敏晶体管 光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶 闸管，它们的工作原理是基于内光电效应； 光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性 较差，目前广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、 光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出 装置等场合，光敏晶闸管

7、主要应用于光控开关电路 *22 （1）光敏晶体管结构与工作原理 光敏二极管。 通常处于反向偏置 状态 。当没有光照射 时，其反向电阻很大， 反向电流很小，这种反 向电流称为暗电流。 1负极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5正极引脚 6N型衬底 7SiO2保护圈 8SiO2透明保护层 9铝引出电极 10P型扩散层 11PN结 12金属引出线 23 光敏二极管 光敏二极管阵列 包含1024个InGaAs元件 的线性光电二极管阵列，可用 于分光镜。 24 光敏二极管外形 25 红外发射、接收对管外形 红外发射管 红外接收管 26 光敏三极管 集电极电流是原始光电电流的倍。因此，光敏三极管比光敏

8、二极管的灵敏度高许多倍。 光敏三极管 27 光敏三极管外形 28 光敏晶闸管 光敏晶闸管（LCR）又称为光控晶闸管 光敏晶闸管的特点是工作电压很高，有的可达数百伏，导 通电流比光敏三极管大得多，因此输出功率很大，在自动 检测控制和日常生活中应用会越来越广泛。 29 光敏晶闸管外形 光敏面 30 （2）光敏晶体管的基本特性。 光谱特性。 31 伏安特性 32 光敏晶体管的光照特性 33 光敏晶体管的温度特性 34 光敏晶体管的频率特性 35 3）光电池 光电池的工作原理是基于光生伏特效应，当 光照射到光电池上时，可以直接输出光电流 。常用的光电池有两种，一种是金属半导 体型，另一种是PN结型，如

9、硒光电池、硅光 电池、锗光电池等。 36 （1）硅光电池的结构及工作原理 用导线连接P区和N区， 电路中就有电流流过 37 光电池外形 光敏面 38 能提供较大电流的大面积光电 池外形 39 光电池在动力方面的应用 光电池在人造卫星上的应用 40 典型的光电开关结构 1发光元件 2接收元件 3壳体 4导线 5反射物 6窗体 *41 光电开关外形 42 应用范围 用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高 低”之分即可。 43 光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装 线及安全装置中作光控制和光探测装置。可 在自控系统中用作物体检测、产品计数、料 位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入 接

10、口等用途。 44 7.1.4 光电传感器的应用 1、烟尘浊度监测仪 烟囱里的烟尘浊度是通过光在烟囱里传 输时的变化大小来检测的。如果烟尘浊度增 加，那么光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和 折射就会增加，使到达接收端的光减少，因 而光检测器输出的信号就会减弱；反之，烟 尘浊度减少，光检测器输出的信号就会增强 。 45 7.1.4 光电传感器的应用 吸收式烟尘浊度检测仪框图： 46 7.1.4 光电传感器的应用 2、光电转速传感器 如图所示为在待测转速轴上固定一带孔的转盘，在转盘一边由白炽灯 产生恒定光，透过盘上小孔到达由光敏晶体管组成的光电转换器上，转换 成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐

11、的脉冲信号，转速由该 脉冲频率决定。 47 7.1.4 光电传感器的应用 光电脉冲转换电路 48 7.2 红外传感器 红外传感器是用来检测物体红外辐射的敏感 器件。所谓红外辐射就是红外光，红外光是 太阳光谱的一部分，其波长范围为0.76 1000m。根据红外线在电磁波谱中的位置， 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分 ：近红外、中红外、 远红外和极远红外。 49 7.2.1 红外辐射的基本定律 1 、斯忒藩玻尔兹曼定律 物体温度越高，它辐射出来的能量就越大，公 式表示为。 50 7.2.1 红外辐射的基本定律 2 、希尔霍夫定律 若几个物体处于同一温度场中，各物体的热发 射本领正比于它的吸收

12、本领，这就是希尔霍夫定律 。其表示公式为 51 7.2.1 红外辐射的基本定律 3 、维恩位移定律 热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。物体 峰值辐射波长与物体的自身的绝对温度T成反比， 即： 52 7.2.2 红外传感器的组成及原理 红外传感器一般由光学系统、敏感元件（也 叫探测器）、前置放大器和信号调制器等组 成。红外探测器是红外传感器的核心。红外 探测器是利用红外辐射与物体相互作用所呈 现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测 器的种类很多，按探测机理的不同，分为热 探测器和光子探测器两大类。 53 7.2.3 红外传感器的应用 1、红外测温仪 54 7.2.3 红外传感器的应用 2、红外

13、线气体分析仪 根据红外辐射在气体中的吸收带的不同，可以对气体成分进行分析。 55 7.3 光纤传感器 光纤传感器从20世纪70年代中期发展 起来 优点，如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠 曲、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易 与微机连接、便于遥测等。它能用于温度、压力 、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和pH 值等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前 景。 56 光纤传感器分类 光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型 （传感型）传感器；另一类是非功能型（传 光型）传感器。 单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径 通常为212 m，很细的纤芯半径接近于光 源波长的长度，仅能维持一种

14、模式传播，一 般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采 用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传 感器多采用多模光纤。 *57 各种装饰性光导纤维 58 发光二极 管产生多种颜 色的光线，通 过光导纤维传 导到东方明珠 球体的表面。 在计算机控制 下，可产生动 态图案。 上海东方明珠 59 7.3.1 光纤的结构 光导纤维简称为光纤，目前基本上还是采用石英玻 璃，其结构如图所示。中心的圆柱体叫做纤芯，围 绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由 不同掺杂的石英玻璃制成。 1光纤的结构 60 光纤的结构示意图 61 光纤的结构 62 光纤传感器外形 63 7.3.2 光纤的分类 (1)按光纤的折

15、射率可分为阶跃型和梯度型。 (2)按传输模数可分为单模光纤和多模光纤 64 7.3.3 光纤的传光原理 光纤的传输是基于光的全内反射。 65 只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这里的光线“ 转弯”实际上是由光的全反射所形成的 光纤集光本领的术语叫数值孔径NA NA= sinc= 数值孔径反映纤芯接收光量的多少。 66 7.3.4 光纤传感器的工作原理及类型特点 光纤传感器是将光源发出的光经过光纤再送入调制 器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导 致光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、 偏振态等发生变化，成为被调制的信号光。已调制 的信号光再经光纤送入光探测器，经解调器解调后

16、，最终获得被测量的参数。 1光纤传感器工作原理 67 7.3.4 光纤传感器的工作原理及类型特点 按光纤在传感器中功能的不同，光纤传感器可分为 两种类型，即非功能型(或称结构型、传光型)光纤 传感器（又称光纤式光电传感器）和功能性(或称 物性型、传感型)光纤传感器。前者常使用多模光 纤，而后者常使用单模光纤。 2、光纤传感器的类型及组成 68 光纤传感器组成示意图 69 7.3.4 光纤传感器的工作原理及类型特点 （1）抗电磁干扰能力强。常用光纤主要是由电绝缘、耐腐蚀的 SiO2做成，工作时利用光子传输信息，因而不怕电磁场干扰， 加之电磁干扰噪声的频率与光频相比很低，对光波没有干扰 ；此外，光波易于屏蔽，外界光频性质的干扰也很难进入光 纤。 （2）灵敏度高。 （3）重量轻、体积小。 （4）适于遥测。可以利用光通讯技术组成遥测网。 3、光