《自动检测技术与装置 第二版课件 教学课件 ppt 作者 张宏建 黄志尧 周洪亮 冀海峰 编著2.7 光电式检测元件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动检测技术与装置 第二版课件 教学课件 ppt 作者 张宏建 黄志尧 周洪亮 冀海峰 编著2.7 光电式检测元件（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七节 光电式检测元件,光源,光 学 元 件,光 电 变 换 器,内光电效应,外光电效应,照度要求：足够亮度、光通量，保证信噪比和灵敏度 均匀要求：视场亮度均匀、无阴影，避免测量误差 投影要求：控制光的方向、透射、反射、散射 发热要求：热光源、冷光源，减小发热对测量结果的影响 光谱要求：光波频率、波长 ：紫外 可见光 红外,可见光,紫外光,红外光,可见光：380nm 780nm 红外光：780nm 1m 紫外光：1nm 380nm,光 源,热辐射光源,白炽灯 - 钨丝 卤钨灯 - 钨丝+卤素（碘）,应用：可见光源 - 宽光谱 （滤色片 窄带光谱） 近红外光源 - 红外检测,高温物体 光辐射，温
2、度高 辐射能大,特点：谱线丰富，可见光+红外光，峰值在近红外区；发光效率低，15%在可见光；发热大，80%能量转化为热能；寿命短（1000小时），易碎，电压高，有危险。,气体放电光源,气体分子激发 放电 发光,弧光灯 - 碳弧灯；钠弧灯；氙弧灯；水银弧灯(汞灯)；金卤灯 荧光灯 - 气体放电+荧光粉，波长更长 日光灯：光谱接近日光 节能灯：压缩荧光灯,特点： 效率高，省电；功率大，光色接近日光；紫外线丰富，有辐射；废弃物有汞污染、易碎，对人眼有损害,应用：强光、色温要求接近日光,发光二极管(LED),半导体，电致发光，,特点：体积小，可平面封装，固体光源，无辐射，绿色光源；功耗低（白炽灯1/8
3、，荧光灯1/2）、发热少寿命长（10万小时，是荧光灯的10倍 ） 、耐振动响应快（毫秒级 ）、供电电压低、易于数字控制；价格较白炽灯贵，功率低，亮度小,单色LED：红色、绿色、黄色、橙色、蓝色,白色LED：2001,美国波士顿大学光学研究中心；光谱丰富-（篮+黄）/（篮+绿+红）；亮度高-荧光灯5倍，白炽灯的25倍,应用：指示灯、背光源；仪器光源、室内照明,激光光源,特点： 方向性好：发散角很小(约0.18)，比普通光小23数量； 亮度高：能量高度集中，亮度比普通光高几百万倍 单色性好：光谱范围极小，频率单一； （He-Ne激光:=632.8nm,=10-6nm） 相干性好：受激辐射，传播方向
4、/振动方向/频率/相位一致 时间相干性、空间相干性均好,LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation “受激辐射放大产生的光”,固体激光器：体积小，坚固，功率高,气体激光器：小巧、单色性好、能连续工作、功率小； 高光束质量、高稳定性、长寿命、低噪音、经济；,红外固体激光器,绿色固体激光器,红宝石固体激光器,He-Ne激光器,He-Cd激光器,He-Cd激光器（制冷）,半导体激光器：效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率小、非线性,蓝色/紫色激光,红色激光,近红外小功率,染料激光器,离子激光器,蓝色激光器,光 路,光电
5、效应,光电效应是指因光照而引起物体电学特性改变的现象。电学特性变化是指光照射物体时，物体发射电子、电导率发生变化或产生光电动势等。 光电效应大致可归纳为两大类： 外光电效应物质受到光照后向外发射电子的现象，这种效应多发生于金属和金属氧化物； 内光电效应物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动，而不会逸出物质外部的现象，这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可以分为光电导效应和光生伏特效应。,几个基本概念,辐射能（焦耳）：光源所发出的能量； 辐射通量（瓦）：每秒所发出的辐射能； 光通量（流明）：辐射通量发光效率，影响人眼视觉明暗； 照度（lx）：单位面积上的光通量,光电器件的基本特性, 光谱
6、灵敏度,输出光电流,入射辐射通量,峰值波长 ：,时，, 相对光谱灵敏度, 积分灵敏度,光电器件对连续光通量的反应, 光照特性,入射光照度, 光谱特性, 频率特性, 温度特性,光电效应分类,外光电效应 真空光电管 光电倍增管 内光电效应 光电导效应 光敏电阻 光生伏特效应 光电池 光敏二极管 光敏三极管,1：氧铯阴极 2：锑铯阴极,特点：结构简单，,充入惰性气体气体轰击自由电子 灵敏度,灵敏度较高：20200A/lm,暗电流小，最低可达10-14A,体积比较大、工作电压高达百伏到数千伏、玻壳容易破碎等。,（二）光电倍增管, 光电倍增管,倍增极,阳极,阴极,光电倍增管具有放大光电子电流的能力。 光
7、电倍增管一般有9-11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。,光敏电阻-光电导效应,金属壳光敏电阻,光敏电阻结构,光敏电阻的工作原理,光敏电阻是利用光电导效应的原理工作的 无光照射时，光敏电阻呈高阻态，回路中仅有微弱的暗电流流过(暗电阻 1100M)； 有光照射下，半导体吸收光能，内部载流子增加，回路中有较强的亮电流流过，从而加强了导电性能，其阻值降低（亮电阻 K级）； 光电流：亮电流与暗电流之差。 光照越强，阻值变得越小，亮电流越大； 光照停止后，电阻恢复原值。,光敏电阻的基本特性,光照特性,伏安特性,光
8、照度,光 电 流,温度特性,光谱温度特性,光谱特性,灵 敏 度,光波波长,硫化镉,硫化跎,硫化铅,（紫外-紫-红-红外）,频率特性,硫化铅,硫化跎,应用：工业自动化-开关元件，快速响应 家电-(感应式节能灯：判断照度),特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定；批量生产，价格便宜 ；,光敏元件光电池,光生伏特效应,光电池的工作原理和结构,直接将光能转换为电能 光生伏特效应,硅光电池结构图,光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等 最受人们重视的是硅光电池。因为它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。它不仅
9、广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统中 硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。,光电池的基本特性,光照特性,光谱特性,（紫外-紫-红-红外）,硅 光电池,硒 光电池,受光范围宽,受光范围窄,输出电动势,短路输出电流,频率特性,温度特性,硒光电池,硅光电池,入射光的调制频率,应用：宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表(计算器) 开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）,光敏元件光敏晶体管,1. 光敏二极管 在无光照时，处于截止状态，反向饱和电流极小； 当受到光照时，产生光生载流子，反向饱和电流增加约
10、1000倍； 光生反向饱和电流随入射光照度线性变化,应用：线性转换元件，开关元件,2.光电三极管,入射光在基极与发射极之间的PN结附近产生光电流（相当于三极管的基极电流） 集电极电流是光电流的倍，比光敏二极管具有更高的灵敏度 光电三极管的伏安特性与普通晶体管相似。,应用：光电鼠标接收器、打印机打印头位置传感器、光电耦合器、车速传感器、红外遥控器,3. PIN结光电二极管（PIN-PD）,结构：PN + I I - 高电阻率的本征半导体（厚） PN结双电层的间距加宽，结电容变小,特点：频带宽，可达10GHz，响应速度快， 灵敏度高， 线性输出范围宽，线性好 输出电流小（数微安），电阻很大,应用：
11、用于光通讯，光测量,4. 雪崩光电二极管,雪崩效应：工作电压很高（100200V）， 接近于反向击穿电压。 结区内电场极强， 光生电子得到极大加速， 同时与晶格碰撞， 从而产生电离雪崩反应。,特点：有很高的内增益，可达到几百，灵敏度高 响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前最快的一种光电二极管 噪声大（随机），线性差,应用：用于光通讯、脉冲编码,5. 阵列式结型光电器件,构成：利用集成电路技术, 使几百个光电二极管或光电池排成一行， 集成在一块集成电路片子上， 即成为阵列式的一维光电器件,衬底是共用的，而各光敏元都是独立的， 分别有各自的前极引出线,特点：光敏元密集度大，总尺寸小， 容易
12、作到各单元多数一致，便于信号处理,应用：可用来辨别光点移动的方向,6. 位置敏感器件（PSD-Positional Sensitive Device）,原理：光 光电二极管 空穴由N向P移动 空穴1端I1 空穴2端I2,比值：,应用：位置检测(一维、二维),7. 四象限光电池,原理：集成4光电池 - 四象限 光斑4分量I1 、I2 、I3 、I4 ；,应用：二维位置检测，准直,比值：,8. 固态摄像器件（CCD）,光电式传感器的组成原理,模拟式光电传感器的四种形式：,被测量是光源（测光源温度）,被测量吸收光通亮（测厚）,光源被投射-反射 （测表面粗糙度等）,光源被运动物体阻挡 （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。只有两种状态。常用于计数或测速。,转速传感器,透射式：,反射式：,转速传感器,光源 码盘光电元件,转速越高 脉冲频率越高,码盘转动遮光透光脉冲,频闪式：,光学量：光强、光照度、辐射、气体成分 几何量：形状、尺寸、位移、距离、表面粗糙度、形位误差 力学量：应变、速度、加速度、振动、流量、密度 生化量：离子浓度、荧光、电泳、染色体、分子标记,应用,
