《《传感器与检测技术》第八章 光电式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《传感器与检测技术》第八章 光电式传感器（81页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章第八章 光电式传感器技术光电式传感器技术 8.1 8.1 光电效应与光电传感器光电效应与光电传感器 8.2 8.2 光纤传感器光纤传感器 8.3 8.3 激光传感器激光传感器 8.4 8.4 激光传感器激光传感器 8.5 8.5 图像传感器图像传感器 n n光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。n n光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，它是构成光光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，它是构成光 电式传感器最主要的部件。电式传感器最主要的部件。n n光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可靠光电器件响应快、结构简单、
2、使用方便，而且有较高的可靠 性，因此在自动检测、计算机和控制系统中，应用非常广泛性，因此在自动检测、计算机和控制系统中，应用非常广泛n n光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。 它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电 元件进一步将光信号转换成电信号。元件进一步将光信号转换成电信号。n n被测量的变化引起的光信号的变化可以是光源的变化、也可被测量的变化引起的光信号的变化可以是光源的变化、也可 以是光学通路的变化、或者是光电元件的变化。以是光学通路的变化、或者是光电元
3、件的变化。n n光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可 测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测 和控制领域内得到广泛应用。和控制领域内得到广泛应用。第一节第一节 光电效应与光电传感器光电效应与光电传感器 一、光电效应一、光电效应1 1光电效应原理光电效应原理n n根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运动的根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运动的 “ “粒子流粒子流” ”，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为：，这种粒子称为光子。每个光子具有
4、的能量为： E=hE=h n n对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高， 光子能量越大。用光照射某一物体，可以看做是一连串能量光子能量越大。用光照射某一物体，可以看做是一连串能量 为为h h 的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子 ，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收， 电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受 光照射的物体产生相应的电效应，我们把
5、这种物体材料吸收光照射的物体产生相应的电效应，我们把这种物体材料吸收 光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。 光波频率； h普朗克常数，h6.63*10-34J/Hz 2 2光电效应的分类光电效应的分类n n通常把光电效应分为三类：通常把光电效应分为三类：n n外光电效应：外光电效应：n n光照射于某一物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光照射于某一物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外 光电效应，也称光电发射。逸出来的电子称为光电子。光电效应，也称光电发射。逸出来的电子称为光电子。n n基于外光电效应的光电元件有光电管、
6、光电倍增管。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管。n n内光电效应：内光电效应：n n光照射于某一物体上，使其导电能力发生变化，这种现象称为内光照射于某一物体上，使其导电能力发生变化，这种现象称为内 光电效应，也称光电导效应。光电效应，也称光电导效应。n n基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。n n光生伏特效应：光生伏特效应：n n在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生 伏特效应，即阻挡层光电效应，伏特效应，即阻挡层光电效应，n n基于光生伏特效应的
7、光电元件有光电池等。基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。3 3光电效应的特性光电效应的特性n n光照特性：当光电元件上加上一定电压时，光电流光照特性：当光电元件上加上一定电压时，光电流I I与光电元件上光照度与光电元件上光照度 E E之间的对应关系之间的对应关系 n n光谱特性：光敏元件上加上一定的电压，这时如有一单色光照射到光敏光谱特性：光敏元件上加上一定的电压，这时如有一单色光照射到光敏 元件上，如果入射光功率相同，光电流会随入射光波长的不同而变化。元件上，如果入射光功率相同，光电流会随入射光波长的不同而变化。 n n伏安特性：在一定照度下，光电流伏安特性：在一定照度下，光电流I I与光
8、敏元件两端电压与光敏元件两端电压V V的对应关系，的对应关系， 称为伏安特性。伏安特性可以帮助我们确定光敏元件的负载电阻，设计称为伏安特性。伏安特性可以帮助我们确定光敏元件的负载电阻，设计 应用电路。应用电路。 n n频率特性：在相同的电压和同样幅值的光照下，当入射光以不同频率的频率特性：在相同的电压和同样幅值的光照下，当入射光以不同频率的 正弦频率调制时，光敏元件输出的光电流正弦频率调制时，光敏元件输出的光电流I I和灵敏度和灵敏度S S会随调制频率会随调制频率f f而变而变 化，称为频率特性。化，称为频率特性。n n温度特性：光电元件的温度特性是指其输出与温度的关系。部分光电元温度特性：光
9、电元件的温度特性是指其输出与温度的关系。部分光电元 件输出受温度影响较大，应采取相应措施进行温度补偿。件输出受温度影响较大，应采取相应措施进行温度补偿。n n响应时间：不同光敏器件的响应时间有所不同。光敏电阻较慢，约为（响应时间：不同光敏器件的响应时间有所不同。光敏电阻较慢，约为（ 10-110-310-110-3）s s，一般不能用于要求快速响应的场合。工业用的硅光敏二，一般不能用于要求快速响应的场合。工业用的硅光敏二 极管的响应时间为（极管的响应时间为（10-510-710-510-7）s s左右，光敏三极管的响应时间比二极左右，光敏三极管的响应时间比二极 管约慢一个数量级，在要求快速响应
10、或入射光、调制光频率较高时应选管约慢一个数量级，在要求快速响应或入射光、调制光频率较高时应选 用硅光敏二极管。用硅光敏二极管。二、光电元件二、光电元件n n1 1光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管（a）光电管结构外形 （b）光电管工作电路 （1 1）光电管）光电管1 1）光电管的结构）光电管的结构( (如图如图) )2 2）光电管的原理）光电管的原理n n光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，在入射光频率大于光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，在入射光频率大于 “ “红限红限” ”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的 阳极所吸引，在光电管
11、内形成空间电子流，称为光电流。阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。n n电流和电阻电流和电阻R R0 0上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光 电转换。即：电转换。即：UL=FUL=F（ ） 3 3）光电管的性质）光电管的性质n n适用于不同的光谱范围适用于不同的光谱范围n n同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。 （2 2）光电倍增管）光电倍增管光电倍增管结构 光电倍增管基本电路 光电倍增管有极高 的灵敏度。在输出 电流小于1mA的情 况下，它的光电特 性在很宽的范围内 具有良好的线
12、性关 系。 多用于微光测量。（3 3）光电管的特性）光电管的特性1 1）暗电流）暗电流n n光电管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一光电管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一 个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。n n暗电流的存在决定了光电管可测量光信号的最小值。所以要暗电流的存在决定了光电管可测量光信号的最小值。所以要 求其暗电流小并且稳定。求其暗电流小并且稳定。 2 2）光谱响应特征）光谱响应特征n n在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称 为光电管的绝对光谱响应
13、率，表示为：为光电管的绝对光谱响应率，表示为： 3 3）光电管的伏安特性）光电管的伏安特性n n在一定照度下，光电流与光电管两端在一定照度下，光电流与光电管两端电压的对应关系，称为伏安特性。电压的对应关系，称为伏安特性。 2 2光敏电阻光敏电阻n n光敏电阻是采用半导体材料制做，利用内光电效应工作的光光敏电阻是采用半导体材料制做，利用内光电效应工作的光 电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为 光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。 （1 1）工作原理）工作原理n n光敏电阻没有极性，纯粹是一个电
14、阻器件，使用时既可加直光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直 流电压，也可以加交流电压。流电压，也可以加交流电压。n n敏度高敏度高n n光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。（2 2）光敏电阻的结构）光敏电阻的结构光敏电阻的原理结构图 光敏电阻内部构造图 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 （3 3）光敏电阻的主要参数）光敏电阻的主要参数n n暗电阻和暗电流：光敏电阻在室温和全暗条条件下，经过一暗电阻和暗电流：光敏电阻在室温和全暗条条件下，经过一 定时
15、间测得的稳定电阻值，称为暗电阻，或暗阻。此时流过定时间测得的稳定电阻值，称为暗电阻，或暗阻。此时流过 的电流，称为暗电流。的电流，称为暗电流。n n亮电阻和亮电流：光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的亮电阻和亮电流：光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的 稳定电阻值，称为该光照下的亮电阻，或亮阻。此时流过的稳定电阻值，称为该光照下的亮电阻，或亮阻。此时流过的 电流，称为亮电流。电流，称为亮电流。n n光电流：亮电流与暗电流之差，称为光电流。显然，光敏电光电流：亮电流与暗电流之差，称为光电流。显然，光敏电 阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是
16、说暗电流要小 ，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏度就高。，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏度就高。 （4 4）光敏电阻的基本特性）光敏电阻的基本特性1 1）伏安特性（）伏安特性（I-UI-U曲线）曲线）可见：可见：n n在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；n n在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现 象。象。n n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 和面积及散热条件等因素有关。和面积及散热条件等因素有关。n n电阻在一定的电压范围内，其电阻在一定的电压范围内，其I-UI-U曲线为直线，说明其阻值曲线为直线，说明其阻值 与入射光量有关，而与电压、电流无关。与入射光量有关，而与电压、电流无关。2 2）光照特性（光电特性）光照特性（光电特性） 3 3）光谱特性）光谱特性
