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1、检 测 技 术,电子与信息工程学院,主讲人：xxx,检测技术,第9章 光电式传感器,9.1 概述 9.2 光电效应与光电器件 9.3 CCD固体图像传感器 9.4 光纤传感器 9.5 光电式编码器 9.6 习题,第9章 光电式传感器,检测技术,第9章 光电式传感器,工作原理演示,第9章 光电式传感器,检测技术,光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。 光敏器件种类很多， 如： 光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器、 光纤等等。,9.1 概
2、述,9.1 概述,通常按工作原理分为4类: 光电效应传感器 红外热释电探测器 固体图像传感器 光纤传感器,9.1.1 光电传感器的分类,第9章 光电式传感器,检测技术,9.1 概述,1、光电效应传感器,是应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。,第9章 光电式传感器,检测技术,光电效应按原理又分为以下2种：,(1) 外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，在回路中形成光电流的现象。,(2) 内光电效应：光电导效应:在光照作用下，物体导电性能发生改变的现象;光生伏特效应：
3、在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象.,第9章 光电式传感器,检测技术,被测物吸收光通量的应用实例,光电式浊度计和含沙量测量,将装有浊水的试管插入仪器中,第9章 光电式传感器,检测技术,烟雾报警器,无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。,报警,第9章 光电式传感器,检测技术,落料口,遮断式光电开关（计数）,光电开关在流水线上的应用,第9章 光电式传感器,检测技术,光幕应用,9.1 概述,第9章 光电式传感器,检测技术,2、红外热释电探测器,主要是利用辐射的红外光（
4、热）照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。,第9章 光电式传感器,检测技术,热释电传感器在人体检测、报警中的应用,热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。,热释电元件外形,第9章 光电式传感器,检测技术,集成IC 温度测量,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用,耳温仪,第9章 光电式传感器,检测技术,3、固体图像传感器,结构上分为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光电转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器，一类是用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS金属
5、氧化物半导体图像传感器。,9.1 概述,4、光纤传感器,它利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信号。,第9章 光电式传感器,检测技术,第9章 光电式传感器,检测技术,光纤温度报警器,9.1 概述,9.1.2 光电传感器的基本形式,由光路及电路两大部分组成:光路部分实现被测信号对光量的控制和调制;电路部分完成从光信号到电信号的转换.,第9章 光电式传感器,检测技术,1）由被测量控制光电变换器处于“通”或“断”两种状态，如光电式转速表、光电继电器、光电计数器、光电开关、目标探测等。,2）光电变换
6、器输出光电流是输入光通量的函数，如光电位移计、测振计、照度计、光电探测器等。,按其输出量的性质可分为脉冲式光电传感器和模拟式光电传感器。,9.1 概述,9.1.2 光电传感器的基本形式,第9章 光电式传感器,检测技术,脉冲光电传感器： 将被测量转换为断续变化的光电流，光电元件的输出仅有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。 这类传感器要求光电元件灵敏度高,而对光电特性的线性要求不高。 主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。,9.1 概述,第9章 光电式传感器,检测技术,9.1 概述,第9章 光电式
7、传感器,检测技术,模拟式光电传感器：将被测量转换为连续变化的光电流。,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。,9.1 概述,第9章 光电式传感器,检测技术,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。,被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电
8、元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。,9.1 概述,光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量等特点 可以直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、速度、加速度等 其发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力.,9.1.3 光电传感器的特点,第9章 光电式传感器,检测技术,9.2 光电效应与光电器件,光电效应方程,光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为,h普朗克常数：h=6.62610-34 JS v光的频率,m电子的质量 v电子逸出初始速度 A0 表面逸出功,第
9、9章 光电式传感器,检测技术,爱因斯坦光 电效应方程,9.2 光电效应与光电器件,可以根据光电效应制成光电器件光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。 光电器件工件的物理基础：光电效应。 光电效应分为：外光电效应、内光电效应,第9章 光电式传感器,检测技术,9.2 光电效应与光电器件,9.2.1 外光电效应型光电器件,当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。 即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的
10、现象。 根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。,第9章 光电式传感器,检测技术,9.2 光电效应与光电器件,1、光电管及其基本特性,第9章 光电式传感器,检测技术,光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极、阳极，光阴极涂有光敏材料，当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（EA），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻 R上产生正比于电流大小的压降。,入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比,9.2 光电效应与光电器件,1、光电管及其基本特性,第9章 光电式传感器,检测技术,主要用于：分光光度
11、计、光电比色计等分析仪器和各种自动装置。,光电管的结构示意图,光,阳极,光电阴极,光窗,9.2 光电效应与光电器件,1、光电管及其基本特性,光电管分为真空光电管和充气光电管.充气光电管充填氩或氖气，光电作用下使气体电离，增大光电流。,第9章 光电式传感器,检测技术,充气光电管稳定性较差，温度影响大，容易衰老。一般采用真空光电管。,随着半导体器件发展，真空光电管逐渐被半导体器件代替。,光电管主要性能:,伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性。,9.2 光电效应与光电器件,（1）伏安特性,一定光照条件下阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系。,第9章 光电式传感器,检测技术
12、,9.2 光电效应与光电器件,（2）光照特性,第9章 光电式传感器,检测技术,通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。,其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。,光电管的光照特性,25,50,75,100,2,0,0.5,1.5,2.0,/1m,IA/ A,1.0,2.5,1,9.2 光电效应与光电器件,（3）光谱特性,不同光电阴极材料的光电管，对同一波长的光有不同的灵敏度；同一种阴极
13、材料的光电管对于不同波长的光的灵敏度也不同，这就是光电管的 光谱特性。 曲线1、2分别为铯阴极、锑铯阴极对应不同波长光线的灵敏度。 曲线3为多种成分（锑、钾、钠、铯等）阴极的光谱特性曲线 。,第9章 光电式传感器,检测技术,9.2 光电效应与光电器件,2、光电倍增管及其基本特性,（1）结构与工作原理,第9章 光电式传感器,检测技术,光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。 光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。,9.2 光电效应与光电器件,2、光电倍增管及其
14、基本特性,下图是光电倍增管结构示意图。,（1）结构与工作原理,由光阴极，阳极和次阴极（倍增极）组成。,第9章 光电式传感器,检测技术,9.2 光电效应与光电器件,式中：I光电阳极的光电流 i光电阴极发出的初始光电流 倍增电极的电子发射系数 n光电倍增极数（一般9-11个）,（2）主要参数,倍增系数 M：,倍增系数一般105108，与所加电压有关，阴极和阳极间电压一般1000-2500V之间，两相邻倍增电极的电位差为50-100V.,第9章 光电式传感器,检测技术,9.2 光电效应与光电器件,（3）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度,第9章 光电式传感器,检测技术,一个光子在阴极上能够打出的平均
15、电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。,9.2 光电效应与光电器件,（4）暗电流,无光照情况下，加上电压后，阳极仍有电流存在。,暗电流一般为：10-1610-10A,暗电流主要由热电子发射引起，随温度增加而增加。,暗电流大小的影响因素：欧姆漏电、残余气体放电。,欧姆漏电：管座漏电、电极间玻璃漏电、灰尘漏电;,残余气体漏电：高速运动的电子会使管中气体电离产
16、生正离子和光电子。,第9章 光电式传感器,检测技术,9.2 光电效应与光电器件,9.2.2 内光电效应型光电器件,内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象。这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种,与外光电效应的区别是：内光电效应不会产生电子逸出物体现象。,第9章 光电式传感器,检测技术,9.2 光电效应与光电器件,内光电效应分类： 光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。如光敏电阻. 光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池。,第9章 光电式传感器,检测技术,9.
