《检测技术 教学课件 ppt 作者 卜云峰 主编 第6章 光电传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《检测技术 教学课件 ppt 作者 卜云峰 主编 第6章 光电传感器（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第六章 光电传感器,采用光电元件作为检测元件的传感器被称为光电传感器。光电传感器以光电效应为基础，是一种将光信号转换为电信号的传感器由光源、光学通路和光电元件组成。 主要特点：具有反应快、可实现非接触式测量，同时又具有精度高、分辨率高、可靠性高、结构简单、体积小、重量轻、形式多样、应用广泛、便于集成等优点。 广泛用于军事、通信、检测等各个领域。,第一节 光电效应与光电器件,1.外光电效应：在光线作用下电子从物体表面逸出。 2.内光电效应（光电导效应）：在光线作用下物体的电阻率改变。 3.光生伏特效应：在光线作用下物体具有发电能力。,光电效应：当光线照射到某一物体上，此时可以看作是此物体受到一串
2、能量为h的光子的不断轰击，物体由于吸收能量为 的光子后所产生的电效应即称为光电效应,一、光电管、光电倍增管,利用外光电效应制成的光电器件。,（一）光电管,光电管 测量电路：,可见，要使光电管中的自由电子逸出，频率不能太低，波长也不能太长。,为入射光波长上限，也被称为“红限”。,光 电 管,阴极,阳极,电压输出,光输入,（二）光电倍增管,光电倍增管具有放大光电子电流的能力。 光电倍增管具10-15级倍增电极，电位依次升高，使得阴极因接受光能而发射的电子逐级加速，且受光电子的数量逐级增多，形成较大的光电流。可用于微光测量。 设单级的信号倍增率为 ，则多级的倍增率为 。,光电倍增管 测量电路：,二、
3、光敏电阻,（一）工作原理：由半导体材料构成，利用内光电效应而工作。 光敏电阻当光线照射时，因材料中的电子空穴对增加，其电阻值会变小，当光照消失时，电阻会恢复原值。这种现象被称为光电导效应。 光敏电阻没有极性，纯粹是电阻器件，即可以加直流电压，也可以加交流电压工作。,光照,电路符号,（二）特性参数,1.暗电阻与亮电阻 暗电阻-在室温且全暗条件下测得的稳定电阻。例如MG41-42型光敏电阻的暗阻大于等于0.1兆欧。 亮电阻-在室温且一定光照条件下测得的稳定电阻。例如MG41-42型光敏电阻的亮阻小于等于1000欧。,2.伏安特性曲线,光敏电阻接在电路上，亮电流（大）与暗电流（小）之差被称为光电流。
4、 光敏电阻的亮电阻越大，暗电阻越小，灵敏度越高。,光照度小,光照度大,3.光电特性曲线-光照度与光电流之间的关系。 4.光谱特性曲线-入射光频率与灵敏度之间的关系。,光电特性,光谱特性,光照度,光 电 流,灵 敏 度,光波波长,硫化镉,硫化跎,硫化铅,（紫外-紫-红-红外）,5.频率特性曲线-光(强度变化)频率与灵敏度之间的关系。 6.温度特性曲线-温度对光谱特性的影响。,频率特性,（硫化铅）光谱温度特性,硫化铅,硫化跎,温度降低更适合检测波长长的信号,温度高,温度低,（紫外-紫-红-红外）,三、光电池,（一）工作原理,光生伏特效应,（二）基本特性,1.光谱特性： 一定照度下,光波波长与光电池
5、灵敏度的关系。,（紫外-紫-红-红外）,硅 光电池,硒 光电池,光线照射,发电,电路符号,受光范围宽,受光范围窄,2.光电特性: 光照度与输出电动势、输出电流之间的关系。 3.温度特性 指开路电压、短路电流与温度变化的关系。 4.频率特性: 指输入的调制光频率与输出电流的关系。 硅光电池的频率特性较好，频率上限约几万Hz。,开路电压,短路电流,输出电动势,短路输出电流,四、光敏晶体管,（一）工作原理,1.光敏二极管：正常情况下，PN结反向是不导通的。当被光线照射时，PN结反向导通，可以感测光信号。,N,P,电路符号,结构示意,基本电路,2.光敏三极管：正常情况下，给PNP型三极管的集电极和发射
6、极之间加正向电压，一个PN结（集电结）不导通，另一个PN结（发射结）导通。 但当集电结被光线照射时，集电结会反向导通，造成三极管中出现放大电流，集电极和发射极之间导通。也可以感测光信号。,无光照无输出 有光照有输出,+,-,（二）基本特性,1.光谱特性：一定照度下,光波波长与光敏管灵敏度的关系。 2.伏安特性: 不同照度下,输出电压电流关系。,硅 管,锗 管,光谱特性,（紫外-紫-红-红外）,伏安特性,光照度小,光照度大,3.光电特性：光照度-输出电流关系。一般光照加强电流增大。光敏二极管的线性度较好，光敏三极管会饱和。 4.温度特性: 一定照度下温度-电流关系。对亮电流、暗电流、输出电流影响
7、程度不同。温度对亮电流小，对暗电流影响显著。 4.频率特性: 输入的调制光频率与输出灵敏度的关系。,温度特性,输出电流,暗电流,频率特性,输 出 灵 敏 度,第二节 光的产生与常见光源,一、光的产生,（一）光的辐射,光是从实物中发射出来的，是以电磁波形式传播的物质。,发光物质受激发而发光包括两个过程：激励和复合。,激励：在外界作用下，物体内带电粒子吸收能量，电子由低能态跃 迁到高能态的过程常称为受激吸收。此时受激物体处于非平衡状态。,复合：电子由高能态回到低能态，同时释放能量的过程。从不稳定的高能态回到低能态属于自发跃迁，它释放的能量有两种形式，一种是变成粒子热运动的动能；一种是以光的形式辐射
8、出来，产生自发辐射。被激发到高能态的电子也可以在外界作用（如入射光子）下跃迁到低能态，称受激跃迁，此过程发出的光为受激辐射。,一般常见的光源均为自发辐射，而激光属于受激辐射。,（二）光的产生方法 激励可以使发光物质发光，外界所提供的激励有多种形式，常用的光的产生方法,1电致发光 物质中的原子或粒子受到被电场加速的电子的轰击，结果使原子中的电子获得能量，从低能态跃迁到高能态，当它由受激状态回到正常状态时，就会发出辐射，这一过程称为电致发光。（发光二极管）,2光致发光 物体被光直接照射或预先被照射而引起自身的辐射称为光致发光。（荧光灯）,3化学发光 由化学反应提供能量而引起的发光，称为化学发光。（
9、磷光鬼火）,4热发光 物体被加热到一定温度而发光，称为热发光。如钠或钠盐在火焰中发出的黄光（白炽灯）,二、光电传感器的常用光源307,（一）发光二极管：电能 光能（电致发光）,属冷光源,点光源,1）工作电压低（1.52V）,能耗少（10mA即可得到适当的亮度）。 2）可直接通过调节电流（或电压）来调节发光亮度，方便且响应速度快，可直流驱动。 3）单色性比普通光源好。 4）发光的亮度和效率较高 5）方便与其他集成电路配合使用。 6）体积小，重量轻，抗冲击，耐振动，寿命长,发光二极管作为光源器件被广泛应用于光电检测技术中，它具有如下特点：,（二）激光,激光技术兴起于19世纪60年代，激光（Lase
10、r）作为一种比较新兴的光源，由于自身突出的优点，被广泛应用于国防、科研、医疗以及工业等众多领域。,激光具有如下特点： （1）方向性:任何光源总是通过一个发光面向外发光的，而激光器的发光面和发光角很小，如普通氦氖激光器的发光面半径仅为零点几毫米，而其光发散角2=0.180。 （2）高亮度:由于激光在空间方向上集中，并且激光辐射的能量被瞬间发射使其产生无与伦比的高亮度。 （3）单色性：激光具有良好的单色性，是理想的单色光源。 （4）相干性：普通光源所发出的光子彼此是独立的，很难获得良好的相干性。而激光发出的光子是相关的，可以在很长的时间内具有恒定的位相差，因而具有很好的相干性。激光既具有良好的时间
11、相干性，也具有较高的空间相干性，如氦氖激光器的相干长度可达几十公里,（三）白炽灯,白炽灯是可见光谱辐射源，它的发光机理是靠电能加热金属丝，使它在真空或惰性气体中达到白炽状态而发光，故称为白炽灯。金属钨具有熔点高、电阻大、蒸发率小加工容易、高温时仍有足够的硬度等优点，所以目前白炽灯的灯丝都是用钨做的。 白炽灯的优点是价格低，结构简单，操作和维修方便，能得到大的光通量。缺点是发光效率低（可见辐射仅有 6 12），寿命短，机械强度差等,与白炽灯相比有许多优点： 1）体积小（为同功率白炽灯体积的053）-光学系统小型化。 2）光通量稳定，光通量为开始时的9598，而白炽灯仅为60% 3）紫外线较丰富，
12、可用作光谱辐射测量的紫外辐射源。 4）发光效率高，约比白炽灯高23倍 5）寿命长。 缺点是价格较高，并且由于它的管壁温度很高，使用时要注意安全,（四）卤钨灯：发光机理与白炽灯相同,第三节 光电传感器的类型与应用107,一、光电传感器的类型,光电传感器组成：,被测量使得光通亮连续变化，输出光电流也连续变化。,（一）模拟式光电传感器,被测量,模拟式光电传感器的四种形式：,被测量是光源（测光源温度）辐射式,被测量吸收光通量（测厚）吸收式,光源被投射-反射（反射式） （测表面粗糙度等）,光源被运动物体阻挡（遮光式） （测尺寸和位置）,（二）脉冲式光电传感器,光信号断续变化，光电元件输出的也断续变化。只
13、有两种状态。常用于计数或测速。,三、光电转换电路,1.光敏电阻测量电路 2.光敏晶体管测量电路 3.光电池测量电路 4.使用运算放大器的光敏元件测量电路。,光敏电阻 测量电路,光敏晶体管 测量电路,使用运算放大器的光敏元件测量电路,二、光电检测实例,（一）WDS型光电比色高温计： 通过辐射体在两个不同波长上的辐射能量之比，测定辐射体的温度。非接触式，可测量高温。,（二）光电比色计 用于溶液的颜色、成分、浑浊度等化学分析。,（三）光电式带材测厚跑偏检测仪 检测带材加工过程中偏离正确位置的情况。,光源,（四）光电式转速仪,1）反射式光电转速仪,电信号 光信号,凸透镜,半透膜片,聚焦透镜,凸透镜,光
14、源,测 量 电 路,计 数 器,不反光位置电桥平衡U0=0 反光位置输出电脉冲。,2）直射式光电转速仪,（五）光电检测的其他应用举例,第四节 CCD图像传感器,CCD全称电荷耦合器件，它具备光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。 CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。,（一）CCD的基本工作原理,一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。 CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅
15、信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。,MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片,CCD光敏元显微照片,CCD读出移位寄存器的数据面显微照片,彩色CCD显微照片（放大7000倍）,（二）CCD图像传感器的分类,1. 线阵CCD外形,2.面阵CCD,面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。,面阵CCD外形（续）,200万和1600万像素的面阵CCD,面阵CCD外形（续）,面阵CCD外形（续）,（三）CCD的基本
16、特性参数,CCD的基本特性参数有： 光谱响应、动态范围、信噪比、CCD芯片尺寸等。在CCD像素数目相同的条件下，像素点大的CCD芯片可以获得更好的拍摄效果。大的像素点有更好的电荷存储能力，因此可提高动态范围及其他指标。,（四）CCD图像传感器的应用,线阵CCD在扫描仪中的应用,线阵CCD在图像扫描中的应用,线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控,风云一号卫星可以对 地球上空的云层分布进行逐行扫描,线阵CCD用于字符识别,CCD数码照相机,数码相机简称DC，它采用CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。 数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同。,CCD用于图像记录,数码
