《传感器 第4版 教学课件 ppt 作者 唐文彦 第07章 光电式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器 第4版 教学课件 ppt 作者 唐文彦 第07章 光电式传感器（105页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章 光电式传感器,组成 光电传感器一般由辐射源、光学通路、光电器件组成。 工作原理 首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。 被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将待测信息调制到光波上，通过改变光波的强度、相位、空间分布和频谱分布等，由光电器件将光信号转化为电信号。电信号经后续电路解调分离出被测量信息，实现测量。,特点 频谱宽 不受电磁干扰的影响 非接触测量 高精度、高分辨力、高可靠性 反应快 应用 检测、控制领域,第一节 光源,光源是光电式传感器的重要组成部分。 选择光源要考虑哪些因素？ 波长 谱分布 相干性 体积 造价 功率,常见的光源有哪几类？ 自然光
2、源太阳光 天空光 人工光源热辐射光源 气体放电光源 激光器 电致发光器件,一、热辐射光源 什么是热辐射光源？ 热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。 哪些光源属于热辐射光源？ 白炽灯 卤钨灯 热辐射光源的峰值波长与什么有关？ 物体温度越高，辐射能量越大，波长越短。,热辐射光源有哪些特点？ 输出功率大 响应速度慢，调制频率低于1kHz，不能用于快速的正弦和脉冲调制。 白炽灯为可见光源，峰值波长在近红外区域，可用作近红外光源。,二、气体放电光源 什么是气体放电光源？ 电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。 气体放电光源的光谱与什么有关？
3、其光谱是不连续的，光谱与气体的种类几放电条件有关。 哪些光源属于气体放电光源？ 低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯统称为光谱灯，常用作单色光源。还有氙灯。,三、电致发光器件发光二极管 什么是电致发光器件？ 固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件。 哪些器件属于电致发光器件？ 主要有发光二极管、半导体激光器、电致发光屏等。,发光二极管的结构 发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流约在几十毫安之内，太大会引起输出光强饱和，甚至损坏器件，使用时常串连一电阻。,发光二极管有哪些优点？ 体积小 寿命长 工作电压低 响应
4、速度快 发热小,四、激光器 激光器laser，是“光受激辐射放大”的缩写，即light amplification by stimulated emission of radiation. 某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量，从低能级跃迁到高能级上，如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子。由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大。具有这种功能的器件称为激光器。,激光器有哪些优点？ 单色性好、方向性好、亮度高、相干性好 激光器有哪几种？ 固体激
5、光器（红宝石） 气体激光器（He-Ne）,（CO2，远红外光源） 半导体激光器（体积小，能量高，电源简单） 液体激光器,第二节 光电器件,光电器件的作用是将光信号变为电信号。 不同种类的光电传感器，对光电器件在灵敏度、动态特性、频谱接收能力等方面的要求也不相同。 光电器件按探测原理可分为：热探测型和光子探测型。,一、热探测器 热探测型器件首先将光信号的能量变为自身的温度变化，再利用器件某种温度敏感特性将温度变化转变为相应的电信号。它是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器。探测器对波长没有选择性，只与接收到的总能量有关，尤其适用于红外探测。 种类有：测辐射的热电偶、测辐射的热敏电阻、热释
6、电探测器等。 热释电传感器可用于防火、防盗装置，光谱仪，红外测温仪，热象仪，红外遥感技术等中。（查资料）,二、光子探测器 光子探测型器件基于光电效应原理，即利用光子本身能量激发载流子。这类器件有一定的截止波长，但响应速度快，灵敏度高，使用最为广泛。 什么是光电效应？ 光是由光子组成的，其能量和频率关系为 E=hf 光照在物体上可看成是一连串具有能量为E的光子轰击物体，如果光子能量足够大，物质内部电子在吸收光子后就会摆脱内部力的束缚，成为自由电子，自由电子可能从物质表面逸出，也可能参与物质内部的导电过程，这种现象称为光电效应。,是不是光的强度越大激发的导电电子越多，为什么？ 光子探测器有一定的截
7、止波长，只能探测短于这一波长的光，当光的频率低于某一阈值时，光的强度再大也不能激发导电电子。 目前常用的光子探测型器件有哪几种？ 光电发射型探测器 光电导型探测器 光电结型探测器 光生伏特型探测器,（一）光电发射型探测器 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，用这种原理制成的光电器件称为光电发射型探测器。 主要有：真空光电管和光电倍增管 概念 红限 临界波长hc/A0,图7-3 真空光电管的结构及外接电路 a) 结构 b) 外接电路,图7-4 光电倍增管的结构原理图,光电管的特性 包括：光电特性（I-）、伏安特性（I-U）、光谱特性（I-）等,图7-5 光电管的特性 a) 光电
8、倍增管的光电特性 b) 光电倍增管的伏安特性 c) 光电管的光谱特性 -铯氧银阴极 -锑化银阴极 -人的视觉光谱特性,（二）光电导型探测器 半导体材料在光线作用下，其电阻值往往变小，这种现象称为光导效应，基于光导效应的光电器件称为光敏电阻，也叫光导管。 特点：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，寿命长。纯电阻元件，无源器件，有电流通过时，会产生热的问题。电路简单。适用于红外探测。,（三）光电结型探测器 与光电导型工作原理相似，利用光子引起的电子跃迁将光信号转变为电信号，只是光照射在半导体结上而已，。 主要有：光电二极管和光电三极管。,图7-7 光敏管结构及其符号
9、 a) 光敏二极管 b) 光敏三极管 c) 光敏场效应三极管,（四）光生伏特型探测器 是一种自发电式的有源器件。这种半导体器件受到光照射时就产生一定方向的电动势，而不需要外部电源。这种因光照而产生电动势的现象称为光生伏特效应。 用可见光作光源的光电池是最常用的光生伏特型元件，如硅光电池。 太阳能电池优点：轻便、简单、不会产生气体或热污染，易于适应环境。 可用于宇宙飞行器的各种仪表电源。,图7-8 硅光电池构造原理和图示符号,半导体光电器件的特性 包括：光电特性、伏安特性、光谱特性、频率特性、温度特性等,图7-10 半导体光电器件的光电特性 a）硒光敏电阻的光电特性 b）光敏晶体管的光电特性 c
10、）硅光电池的光电特性,图7-11 半导体光电器件的伏安特性 a）光敏电阻的伏安特性 b）锗光敏晶体管的伏安特性 c）硅光电池的伏安特性,图7-12 半导体光电材料的光谱特性 a）光敏电阻的光谱特性 b）光敏管和光电池的光谱特性,图7-13 半导体光电器件的频率特性 a）光敏电阻和光电池的频率特性 b）光敏晶体管的频率特性,图7-14 半导体光电器件的温度特性 a）锗光敏晶体管的温度特性 b）硅光电池的温度特性,第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件,电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices）是70年代发展起来的一种新型器件。它将MOS光敏元阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有
11、自扫描功能的图像传感器。 应用领域：摄像机、广播电视、可视电话、传真、自动检测、控制、军事、医学、天文、遥感。 车身检测、钢管检测、芯片检测、指纹检测、虹膜检测、显微镜改造、工件尺寸及缺陷检测、对刀仪、复杂形貌测量等。,优点 固体化、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长 图像畸变小、尺寸重现性好 光敏元之间几何尺寸精度高，可得到较高的定位精度和测量精度，具有较高分辨力 自扫描，具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围 视频信号便于与微机接口,一、CCD的工作原理 （一）信息电荷的产生和存储,图7-15 MOS光敏元的结构原理图,（二）信息电荷的转移,图7-16 读出移位寄存器与信号电荷的传输,
12、二、CCD的结构 （一）线阵电荷耦合摄像器件,图7-17 线阵CCD结构原理图,（二）面阵电荷 耦合摄像器件,三、CCD应用举例 尺寸测量,物体缺陷检测,图7-21 钞票检查系统原理图,四、位置敏感器(PSD） 位置敏感器件（Position Sensitive Detector）是一种对其感光面上入射光点位置敏感的器件，也称为坐标光电池。 PSD一般为PIN结构。基于横向光电效应而工作。,第四节 光纤传感器（FOS）,背景知识 光纤传感器是利用光在光纤中传播特性的变化来测量它所受环境的变化，即用被测量的变化调制波导中的光波，使光纤中的光波参量随被测量而变化，从而得到被测信号大小。,由光导纤维
13、组成的光纤传感器与常规传感器相比有哪些特点？ 抗电磁干扰能力强（为什么？） 灵敏度高 重量轻、体积小 适于遥测，容易构成分布式测量系统 应用 位移、速度、加速度、液位、应变、力、流量、振动、水声、温度、电流、电压、磁场、核辐射、生物医学量、化学量。应用范围遍布军事、民用、商业、医学、工业控制等领域。,一、光纤导波光学基础 （一）光纤的导波原理 光纤由导光的纤芯、包层、套层构成。 光纤传光的基础是光的全内反射。,图7-25 光纤的结构及传光原理,定义 (n12 - n22) / (2n12) (n1- n2)/n1，称为光纤的相对折射率差。 当光线以入射角入射到光纤的端面时，在端面处发生折射，设
14、折射角为，然后光线以角入射至纤芯与包层的界面。当角大于纤芯与包层间的临界角c时，即 则射入的光线在光纤的界面上发生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。,什么是光纤的数值孔径？ 由图可知 设当达到临界角c时的入射角为c，则 称为光纤的数值孔径，用NA表示。,（二）光纤的种类 按制作材料分 （1）高纯度石英玻璃纤维。这种材料损耗低。 （2）多组分玻璃光纤。通常用更常规的玻璃制成，损耗也很低。 （3）塑料光纤。它与石英光纤相比具有重量轻、成本低、柔软性好、加工方便等优点，但损耗比玻璃光纤大。,按传输模式分 (1) 单模光纤。只能传输一种模式，纤芯直径仅几个微米，接近波长
15、。单模光纤的优点是没有模式色散，可利用波导色散抵消材料色散，以得到零色散。同时，信息容量极大，可进行理论预测，可利用光的相位等。但缺点是，芯径很小，因而使用不便。 (2) 多模光纤。能传输多种模式，甚至几百到几千个模式，纤芯直径远远大于波长。多模光纤由于模式色散的存在，从理论上难以预测其特性，信息容量小，用于传感器时则存在不能利用光的相位等限制。但因为芯径大至100微米左右，所以光纤相互之间的耦合以及与光源之间的耦合比较容易，使用方便。,按光纤折射率的径向分布分 (1) 阶跃光纤。其纤芯和包层的折射率不连续。 (2) 梯度光纤。又称渐变光纤，在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，纤芯和包层交界
16、处n1 = n2。 单模光纤多半是阶跃光纤，多模光纤既有阶跃光纤又有梯度光纤。,26,按用途分 (1) 通信光纤。 (2) 非通信光纤特殊光纤。有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤、激光光纤和红外光纤等。 5按制作方法分 (1) 化学气相沉积法（CVD）或改进化学气相沉积法（MCVD）。用来制作高纯度石英玻璃光纤。 (2) 双坩埚法或三坩埚法。用来制作多组分玻璃光纤,（三）光纤的特性 1光纤的损耗特性 2光纤的色散特性 光纤与金属线路相比，具有重量轻、热绝缘性好、抗拉强度大等优点。 光纤的特性与测量时所应用的范围（见表）,二、光纤传感器 光纤传感技术是伴随着光通讯技术的发展而逐步形成的。在光通讯系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越小越好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振态、波长（颜色）等的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化，就可
