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1、四川理工学院传感器与检测技术Sensor and Measurement TechnologyCh0; Ch1; Ch2; Ch3; Ch4; Ch5; Ch6; Ch7; Ch8; Ch9S&M CH7光纤传感器5132第7章 光电式传感器光电效应光电元件及其特性光电式传感器测量电路光电传感器及其应用4光栅式传感器786电荷耦合器件（CCD）激光式传感器S&M CH77.1 光电效应v由光的粒子学说可知，光可以认为是由具 有一定能量的粒子所组成，而每个光子所 具有的能量E与其频率大小成正比。光照射 在物体上就可看成是一连串的具有能量为E 的粒子轰击在物体上。 v所谓光电效应即是由于物体吸收了
2、能量为E 的光后产生的电效应。 v从传感器的角度看光电效应可分为三大类 型。S&M CH77.1 光电效应7.1.1 外光电效应 指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现 象。光电管及光电倍增管均属这一类。它们的 光电发射极，即光明极就是用具有这种特性的 材料制造的。 7.1.2 内光电效应 指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现 象。光敏电阻即属此类。 7.1.3光生伏特效应 利用光势垒效应，即在光的照射下，物体内部 产生一定方向的电势。S&M CH77.2 光电器件及其特性|光电管与光电倍增管光电管与光电倍增管 |光敏电阻光敏电阻 |光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 |光电池
3、光电池 |半导体光电元件的特性半导体光电元件的特性S&M CH77.2.1 光电管与光电倍增管v结构光电管的结构示意图阳极光电阴极光窗入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极光电倍增管S&M CH77.2.1 光电管与光电倍增管v特性 光电特性：表示当光电管的阳级电压一定时， 阳极电流I与入射在阴极上光通量之间的关系 。光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/ A1.02.51S&M CH77.2.1 光电管与光电倍增管 伏安特性：当入射光的频谱及光通量一定时， 阳极与阴极之间的电压同光电流的关系叫伏安 特性。光电管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm10
4、0lm120lm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压/VIA/ AS&M CH77.2.1 光电管与光电倍增管 光谱特性：由于光阴极对光谱有选择性，因此 光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极 电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光 电管的光谱特性。 光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯性特性、 暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明 书和有关手册合理选用。S&M CH77.2.2 光敏电阻v光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料 制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增 强而减小。 光敏电阻优点：灵敏度高，体积小、重量轻， 光谱响应范围宽，机械强度高、耐冲击和振动 ，寿命
5、长。 缺点：使用时需要有外部电源，同时当有电流 通过它时，会产生热的问题。 S&M CH77.2.2 光敏电阻A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体S&M CH77.2.2 光敏电阻 光敏电光敏电 阻演示阻演示 v当光敏电阻受 到光照时，光 生电子空穴对增加，阻值 减小，电流增 大。暗电流（越小越好）S&M CH77.2.3 光敏二极管和光敏三极管v当二极管和三极管的PN接受到光照射时， 通过PN结的电流将增大。光敏二极管和光 敏三极管则必须使PN结能受到最大的光照 射。PN光光敏二极管符号RL 光PN光敏二极管接线S&M CH77.2.3 光敏二极管和光敏三极
6、管v光敏三极管PPNNNPebbcRLEecS&M CH77.2.3 光敏二极管和光敏三极管S&M CH77.2.4 光电池v光电池是利用光生伏特效应把光直接转变 成电能的器件。有较大面积的PN结，当光 照射在PN结上时，在结的两端出现电动势 。+光P N SiO2RL (a) 光电池的结构图I光(b) 光电池的工作原理示意图P N光电池的示意图S&M CH77.2.4 光电池v光电池外形光敏面S&M CH77.2.4 光电池v其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池S&M CH77.2.5 半导体光电元件的特性一、光电特性 光电特性是 指这些半导 体光电元件 产生的光电 流与光照
7、之 间的关系。S&M CH77.2.5 半导体光电元件的特性二、伏安特性 伏安特性是指 光照一定时， 这些光电元件 的端电压U与 电流I之间的 关系。S&M CH77.2.5 半导体光电元件的特性三、光谱特性 半导体光电元件对不同波长的光，其灵敏度是不同的 ，因为只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子 才能激发出光生电子-空穴对。而光子能量的大小与光 的波长有关。S&M CH77.2.5 半导体光电元件的特性四、频率特性 半导体光电元件的频率特性是指它们的输出电 信号与调制光频率变化的关系。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光电池 2硅光电池10000 入射光
8、调制频率 / HZ01001000500500020406010080RL=1kRL=10kRL=100k相 对 灵 敏 度 /%光敏晶体管的频率特性S&M CH77.2.5 半导体光电元件的特性五、温度特性 半导体材料易受温度的影响，它直接影响光电 流的值。因此需要讨论这些光电元件的温度特 性，以便选用合适的工作温度。S&M CH77.3 光电式传感器的测量电路v要使光电式传感器能很好地工作。除了合 理选用光电转换元件外，还必须配备合适 的光源和测量线路。 7.3.1光源 发光二极管 钨丝灯泡 电弧灯或石英灯 激光S&M CH77.3 光电式传感器的测量电路7.3.2 测量电路 光敏电阻的基
9、本应用电路 a）U与光照变化趋势相同的电路 b）U与光照变化趋势相反的电路 S&M CH77.3 光电式传感器的测量电路 光敏二极管应用电路 利用反相器 可将光敏二 极管的输出 电压转换成 TTL电平。 S&M CH77.3 光电式传感器的测量电路 光敏三极管光控继电器电路 S&M CH77.3 光电式传感器的测量电路 光电池的应用电路I/U 转换电路的输出电压Uo与光电流I 成正比。若光电池用于微光测量时，I可 能较小，则应增加一级放大电路，并在第 二级使用电位器RP微调总的放大倍数。 S&M CH77.4 光电传感器及其应用7.4.1 模拟式光电传感器 模拟式光电传感器的工作原理是基于光电
10、元件 的光电特性，其光通量是随被测量而变，光电 流就成为被测量的函数，故称为光电传感器的 函数运用状态。它的形式有吸收式、反射式、 遮光式和辐射式。 7.4.2 脉冲式光电传感器 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输 出仅有两种稳定状态，即“通“与“断“的开关状 态，所以也称为光电元件的开关运用状态。S&M CH77.4 光电传感器及其应用光电元件的测量方式光电元件的测量方式S&M CH77.5 光纤传感器|光导纤维|光纤传感器的工作原理 和典型结构S&M CH77.5.1 光导纤维一、光导纤维的结构和传输原理 光导纤维(简称光纤)是用比头发丝还细的石英 玻璃丝制成的，每一根光导纤维由一个
11、圆柱形 纤芯和色层组成，而且纤芯的折射率n1略大于 色层的折射率n2，它们的相对折射率差用表示 ，=1- n2/ n1 通常为0.0050.14。S&M CH77.5.1 光导纤维二、光导纤维的种类 光导纤维按其折射变化情况分为：阶跃型；渐 变型 按其传输模式多少来分类，则有单模和多模两 种S&M CH77.5.2 光纤传感器的工作原理和典型 结构 v光纤传感器按其工作原理来分有： 功能型(或称物性型、传感型) 其光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能 。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、 相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和 数据传输。可分为振幅调制型、相位调制型及偏振
12、态调制型。 非功能型(或称结构型、传光型) 其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元 件才能组成传感器。S&M CH77.5.2 光纤传感器的工作原理和典型 结构微弯光纤传感器S&M CH77.5.2 光纤传感器的工作原理和典型 结构光纤位移传感器原理图S&M CH77.6 电荷耦合器件|CCD的工作原理 |CCD应用举例电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器，它是 1970年贝尔实验室的WSBoyle和GESmith发明的 ，它与光敏二极管阵列集成为一体，构成具有自扫描 功能的CCD图象传感器。它不仅作为高质量固体化的 摄象器件成功地应用于广播电视、可视电话和无线电 传真，而且在生
13、产过程自动检测和控制等领域已显示 出广阔的前景和巨大的潜力。S&M CH77.6.1 CCD的工作原理vCCD的结构和基本原理P型Si耗尽区电荷转移方向123 输出栅输入栅 输入二极管输出二极管SiO2S&M CH77.6.1 CCD的工作原理P1 P2 P2P1 P1 P2 P2 P3 P3P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P2P3P3(a)123t0t1t2t3t(b)电荷转移过程t=t0t=t1t=t2t=t30S&M CH77.6.2 CCD应用举例钞 票 检 查 系 统 原 理 图S&M CH77.7 光栅式传感器|基本工作原理和计量光栅的种类|莫尔条纹|辨向原理及细分电
14、路S&M CH77.7.1 基本工作原理和计量光栅的种 类 一、基本工作原理 光栅传感器的构成原理图S&M CH77.7.1 基本工作原理和计量光栅的种 类 二、计量光栅的种类： v若按工作原理分，有物理光栅和计量光栅 两种，前者用于光谱仪器，作色散元件， 后者主要用于精密测量和精密机械的自动 控制中。 v而计量光栅按其用途可分为长光栅和圆光 栅两类。S&M CH77.7.2 莫尔条纹v横向莫尔条纹 相邻的两明暗条纹之间的距离B称为莫尔条纹间距。 从图中不难看出。当光栅副间的夹角很小，且两光栅 的栅距相等，都为W时，莫尔条纹间距B为 由于值很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为横 向莫尔条纹。
15、当0、B时，莫尔条纹随着主光栅 明暗交替变化。这时的指示光栅相当于一个闸门的作 用，故将这种条纹称为光闸莫尔条纹。 S&M CH77.7.3 辨向原理和细分电路 一、辨向原理 v在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不是 单向的，既有正向运动，也可能有反向运动。单 个光电元件接收一固定的莫尔条纹信号，只能判 别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向， 因而就不能判别光栅的运动方向，以致不能正确 测量位移。如果能够在物体正向移动时，并将得 到的脉冲数累加，而物体反向移动时就从已累加 的脉冲数中减去反向移动所得的脉冲数，这样就 能得到正确的测量结果。完成这样一个辨向任务 的电路就是辨向电路。S&M
16、 CH77.7.3 辨向原理和细分电路 二、细分电路 v上述辨向逻辑电路的分辨力为一个光栅极距W， 为了提高分辨力，可以增大刻线密度来减小栅距 ，但这种办法受到制造工艺的限制。另一种方法 是采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出 均匀分布的几个脉冲，从而使分辨率提高到W n。细分的方法有多种。S&M CH77.8 激光式传感器v激光式传感器按工作原理不同可分为三类 ：激光干涉传感器、激光衍射传感器和激 光扫描传感器，其中以激光干涉传感器的 应用居多。 v这种传感器是以光的干涉现象为基础的。 从物理学可知，波长(频率)相同、相位相关 的两束光具有相干性，也就是说，当它们 互相交叠时，会出现光强增强或减弱的现 象，产生干涉条纹，利用干涉条纹随被测 长度的变化而变化的原理可实现长度计量 。S&M CH7第7章 本章要点|光电效应光电效应 外光
