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1、机、电类 传感器与检测技术项目教程 模块八、光学量检测 课件 统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0 课程配套网站 www.sensor- 或 2015年2月第1版,（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,本模块介绍“光学量” 的基本概念、各种光电元件，例如：紫外光电管、光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管、光电池，介绍各种光电元件的应用。还介绍了光导纤维传感器及其应用。,内容简介,今天是：2019年6月21日星期五,模块八、光学量检测（上） 目录,知识链接 光学量的基本概念 项目一、光电元件及应用电路 （中、下）项目二、光电传感器的应用 （下）拓展阅读 光导纤维传感器及应用,現在
2、時間是：09:42,知识链接 光学量的基本概念,图8-1 广义电磁波谱,光学常用的度量,表8-1 常用光度学的名称、符号、单位及说明,光学量名词解释,（1）光通量：光源在单位时间内向周围空间辐射出去的并使人眼产生光感的能量大小，用符号表示，单位为流明（lm），是人眼感受到的555nm光辐射功率。在较明亮的环境中，人的视觉对波长为555nm左右的绿色光最敏感。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。对于人眼最敏感的555nm的绿光。,1W=683lm（绿色），而1W的650nm光（红色） ,人的感觉仅为73 lm。,光通量（续）,40W白炽灯发射的
3、光通量为350 lm；40W荧光灯发射的光通量为2000 lm；单只高亮度LED的光通量与消耗的功率有关，常见范围为20100 lm。,明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数,光学量名词解释（续）,（2）发光强度：简称光强，表示发光强弱，用符号I表示，单位是坎德拉（cd）。曾经使用过的单位有烛光、支光。 发光强度定义为：频率为5401012Hz（即波长555nm）的单色光源每单位立体角（1个球面度）辐射能为1/683W时的光通量。若光源发出的波长为555nm单色辐射是均匀的，则发光体在某给定方向上的发光强度就等于发光体在该方向的立体角内传输的光通量除以该立体角所得的值，即：I=/。,（2）发光强
4、度（续）,若点光源各向同性，且 I=1cd时，=4I=12.56 lm 与力学的单位比较，“光通量”相当于“压力”，而“发光强度”相当于“压强”。,太阳的发光强度为31027cd；高亮度LED的发光强度为10cd；普通蜡烛的发光强度约为1cd。,晴天太阳,1坎德拉（1cd）： 单色光源每单位立体角 （1个球面度）辐射能为1/683W时的光通量。曾经使用过的单位有烛光、支光。,1“烛光”,发光强度（续）,LED的发光强度分布示意图,要使被照射点看起来更亮，不仅要提高光通量，而且要增大会聚的手段，实际上就是减少发光的立体角，就能得到更大的发光强度。,LED的发光强度 可以达到几十cd,光学量名词解
5、释（续）,（3）照度：描述物体被照亮的程度，用符号E表示，单位为勒克斯（lx），相当于1m2面积上受到1个lm光通量的照射。若受照面积为A，所接收的光通量为，则照度被定义为E=/A，1 lx=1 lm/m2。,倾斜照亮被照物时的照度变小。,光学量名词解释（续）,照度平方反比定律：点光源照射在物体上，物体的照度（均匀时）与从光源到物体的距离的平方成反比。,表8-2 日常生活环境的照度,教室课桌的照度测量,光学量名词解释（续）,（4）亮度：描述人对发光体或被照射物体表面的发光或反射光强度所感受到的明亮程度，用符号L表示，单位为坎德拉每平米（cd/m2），过去使用过的单位有尼特（nt）。亮度是针对面
6、光源而言的。 人眼能够感觉的亮度范围极宽，从千分之几cd/m2直到几百万cd/m2。,人眼对380780纳米内不同波长的光具有不同的敏感程度，称为人眼的视敏特性。人眼感觉到的红、绿、蓝三者亮度之和决定了物体的总亮度。,表8-3 常见物体的亮度,直视红色激光将对眼睛造成损害,太阳耀斑,晴天天空的亮度,乙炔火焰的亮度,满月时的地面,炽热的钨丝亮度,光学量名词解释（续）,光通量、发光强度、亮度、照度之间的关系,项目一 光电元件及应用电路,【项目教学目标】 知识目标 1）了解常用光电元件的基本特性。 2）了解光电池的短路电流测量电路。 技能目标 1）掌握光敏晶体管应用电路的计算。 2）掌握光控电路的分
7、析。,現在時間是：09:42,光电效应,用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf 的光子的轰击，组成这物体的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。 1）在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。 2）在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，也称为光电导效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管及光敏晶闸管等。,光电效应（续）,3）在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。 第一类光电元件属于玻璃真空管元件，第二
8、、三类属于半导体元件。,1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。,任务一 紫外光电管的特性及应用电路,图8-2 光电管及 外光电效应 a）光电管 b）外光电效应示意图,1阳极A 2阴极K 3石英玻璃外壳 4抽气管蒂 5阳极引脚 6阴极引脚 7金属表面 8光子 9光致发射电子,任务一 紫外光电管的特性及应用电路,图8-3 光电管的 图形符号及 测量电路,紫外光电管,当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。可见光较难引起光电子的发射。 火焰的辐射光中包
9、含了较大比例的紫外光。,紫外线,玻壳用石英材料制造，对紫外线透光率较好的,任务二 光敏电阻的特性及应用电路,光敏电阻是基于内光电效应的光电元件，具有结构简单、价格低廉等特点。但其线性度较差，温漂较大。 一、光敏电阻的的结构及工作原理 材料：金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。半导体的导电能力取决于半导体载流子数目的多少。 当光敏电阻受到光照时,产生自由电子和空穴。光照越强,阻值就越低。入射光消失,电子-空穴对逐渐复合。,光敏电阻外形及结构,当光敏电阻受到光照时， 两个电极之间的阻值减小。,光敏电阻原理演示,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。,无光照时的电流称为暗
10、电流 （温度升高，暗电流增大）,光照产生的电流 称为亮电流,二、光敏电阻的特性和参数,（1）暗电阻：置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于1M。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一大缺点。 （2）光电特性：在光敏电阻两极电压固定不变时，照度与电阻及电流间的关系称为光电特性。,图8-6 光敏电阻特性,二、光敏电阻的特性和参数（续）,（3）光谱特性：对波长为500700nm的入射光有较大的响应。 （4）响应时间：受光照后，光电流需要经过一段时间（上升响应时间）才能达到其稳定值。,光敏电阻的特性和参数（续）,同样，在停止光照后，光电
11、流也需要经过一段时间（下降响应时间）才能恢复到其暗电流值。上升响应时间和下降响应时间为30ms左右，不能用于要求快速响应的场合。 （5）工作温度：通常为-30+70，大于工作温度上限时，温漂严重；小于工作温度下限时，灵敏度下降较多。,GL系列光敏电阻的特性参数,三、光敏电阻的测量电路,光敏电阻R与负载电阻RL串联后，接到电源Ei上。当无光照时，光敏电阻R很大，I在RL上的压降Uo1很小。随着照度增大，R减小，a图中的Uo随之增大。 b图与图a图相反。照度增大，Uo2反而减小。Uo可以接到CMOS数字集成电路的输入端，在某一照度时，数字电路的输出电平翻转。,图8-7 光敏电阻的 基本应用电路 a
12、）Uo与照度变化趋势相同的电路 b）Uo与照度变化趋势相反的电路,任务三 光敏二极管的特性及应用电路,一、光敏二极管的结构及工作原理 光敏二极管的工作原理是基于内光电效应。PN结被设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射。在电路中必须处于反向偏置状态。,a）外形图 b）封装结构 c）管芯结构 d）图形符号,1负极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5正极引脚 6N型衬底 7SiO2保护圈 8SiO2透明保护层 9铝引出电极 10P型扩散层 11耗尽层 12金丝引出线,图8-8 光敏二极管,部分光敏二极管特性参数,.,金属封装光敏二极管,将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，
13、光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。,透镜,+,-,各种光敏二极管,光敏二极管阵列,包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光光谱仪。,红外发射、接收对管,红外发射管 （调制器）,红外接收管,解调器 解调后的波形,二、特殊光敏二极管（PIN二极管）,PIN光敏二极管是在P区和N区之间插入一层较厚的I本征半导体层，从而使PN结的间距加宽，结电容变小(几个pF)。因此，PIN光敏二极管的频带较宽，可达GHz数量级。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）只需十几伏，光电转换效率较高，灵敏度比普通的光敏二极管高得多。特殊结构的PIN二极管可用
14、于测量紫外线、X射线或射线。PIN光敏二极管的缺点是I层电阻较大，输出电流较小，一般多为微安数量级，没有倍增效应。目前已将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上，并封装于一个管壳内，用于光纤通信。,PIN二极管外形,.,PIN二极管的PN结与内部电场,特殊光敏二极管（续：APD二极管）,APD光敏二极管(雪崩光敏二极管)是一种具有内部倍增放大作用的光敏二极管,灵敏度比PIN大几百倍。当有一个光子从外部射入到其PN结上时,将产生一个电子空穴对。由于PN结上施加了较高的工作电压(约100V),接近于反向击穿电压，因此能将光子所产生的光电子加速到具有很高的动能,撞击其他原子,产生新的电子空穴对,如
15、此多次碰撞,以致最终造成载流子按几何级数剧增的“雪崩”效应,形成对原始光电流的放大作用,增益可达几千倍,而雪崩产生和恢复所需的时间可小于10ns,适用于微光信号检测以及长距离光纤通信,可以取代“光电倍增管”。 APD光敏二极管的主要缺点：噪声大。若有用光电信号只有几个毫微瓦(nW),就会被噪声淹没。,APD光敏二极管的PN结、内部电场分布 及电子倍增,APD载流子雪崩式倍增示意图,APD光敏二极管的 外形及用途,APD二极管适用于微光测量和光纤通信。,GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数,InGaAs-PIN 及InGaAs-APD近红外二极管特性,三、光敏二极管的特性,（1）最高反向工
16、作电压：在无光照的条件下，反向漏电流不大于10A时所能承受的最高反向电压值。 （2）暗电流：在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力就越强。 （3）光电流：在受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流。,图8-9 光敏二极管的伏安特性,（4）伏安特性：光敏二极管工作在第三象限，流过它的电流与照度成正比（曲线的间隔相等），正常使用时应施加1.5V以上的反向偏置电压为宜。,光敏二极管的特性（续）,（5）光电特性：光电流I与照度基本成线性关系。,图8-10 某系列光敏二极管的光电特性 1光敏二极管光电特性 2光敏晶体管光电特性,光敏二极管的特性（续）,（6）光谱特性：不同材料的光敏二极管对不同波长入射光的灵敏度不同。控制PN结的制造工艺，也能得到不同的光谱特性。 硅光敏元件的峰值波长为0.8m左右。 现在已分别制出对红外
