《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,