传感器与检测技术_ppt课件第七章[1].

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1、*1 第7章 光电式传感器 *2 引言 n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 7.1.1 光电效应 n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。 n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

2、量大小E与其频率 成正 比。 7.1 光电传感器 *4 7.1.1 光电效应 n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。 n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，外光电 效应多发生于金属或金属氧化物内。 *5 特点 n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

3、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。 *6 7.1.2 外光电效应器件 n光电管 *7 7.1.2 外光电效应器件 n光电管的伏安特性曲线 *8 7.1.2 外光电效应器件 n光电管的光照特性 *9 7.1.2 外光电效应器件 n光电管的光谱特性曲线 *10 7.1.2 外光电效应器件 n光电倍增管 *11 7.1.2 外光电效应器件 n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

4、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，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 n光电倍增管的主要参数 n（1)倍增系数M。 n（2)

5、光电阴极灵敏度和光电倍增管的总 灵敏度。 *13 7.1.3 内光电效应器件 n光电倍增管的主要参数 n（1）倍增系数M。 n（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 n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 。 n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

6、又恢复原 值。 *16 光敏电阻 当光敏电阻受 到光照时， 阻值减 小。 *17 （2）光敏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 n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，

7、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 n 光敏二极管 。 n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 光敏二极管外形 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 红外发射

8、、接收对管外形 红外发射管 红外接收管 *25 光敏三极管 n集电极电流是原 始光电电流的 倍。因此，光敏 三极管比光敏二 极管的灵敏度高 许多倍。 光敏三极管 *26 光敏三极管外形 *27 光敏晶闸管 n光敏晶闸管（LCR）又称为光控晶闸管 n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 。 *28 光敏晶闸管外形 光敏面 *29 （2）光敏晶体管的基本特性 。 n 光谱特性。 n *30 n 伏安特性 *31 n光敏晶体管的光照特性 *32 n 光敏晶体管的温度特性 *33 n 光敏晶体管的

9、频率特性 *34 .电池 n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， 如硒光电池、硅光电池、锗光电池等。 *35 硅光电池的结构及工作原理 n用导线连接P区 和N区，电路中 就有电流流过 *36 光电池外形 光敏面 *37 能提供较大电流的大 面积光电池外形 *38 光电池在动力方面的应用（续） 光电池在人造卫星上的应用 *39 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 *40 光电开关外形 *41 应用范围 n用光电开关检测物体时，大部分只要求 其输出信号

10、有“高低”之分即可。 *42 n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口等用途。 *43 7.1.4 光电传感器的应用 n1、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。 *44 7.1.4 光电传感器的应用 n吸收式烟尘浊度检测仪框图 *45 7.1.4 光电传感

11、器的应用 n2、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的脉冲 信号，转速由该脉冲频率决定。 *46 7.1.4 光电传感器的应用 n光电脉冲转换电路 *47 7.2 红外传感器 n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0.761000m，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。 *48 7.2.1 红外辐

12、射的基本定律 n1 、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。 *49 7.2.1 红外辐射的基本定律 n2 、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本领 ，这就是希尔霍夫定律。其表示公式为 *50 7.2.1 红外辐射的基本定律 n3 、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 成反比，即 *51 7.2.2 红外传感器的组成及原理 n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

13、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。 *52 7.2.3 红外传感器的应用 n1、红外测温仪 *53 7.2.3 红外传感器的应用 n2、红外线气体分析仪 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。 *54 7.3 光纤传感器 7.3.1 光纤传感器概述 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，

14、具 有极为广泛的应用前景。 *55 分类 n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。 n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。 *56 各种装饰性光导纤维 *57 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 *58 7.3.1 光纤的结构 n光导纤维简称为光纤，目前

15、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 *59 光纤的结构 *60 光纤的结构 *61 光纤传感器外形 *62 7.3.2 光纤的分类 n(1)按光纤的折射率可分为阶跃型和梯度型 。 n(2)按传输模数可分为单模光纤和多模光纤 *63 7.3.3 光纤的传光原理 n光纤的传输是基于光的全内反射。 *64 n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 n光纤集光本领的术语叫数值孔径NA nNA= sinc= n数值孔径反映纤芯接收光量的多少。 *65 7.3.4 光纤传感器的工作原理及类型 特点 n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，最终获得被测量的参 数。 1光纤传感器工作原理 *66 7.3.4 光纤传感器的工作原理及类型 特点 n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