传感器技术第6讲光电式传感器.ppt

第6讲 光电式传感器,内容：一、光电器件的基本概念； 二、光电池； 三、红外传感器； 四、光电传感器应用举例。,目的：1、了解光电式传感原理和结构 ； 2、掌握光电式传器的特点及应用知识 。,第6课 光电式传感器,1、什么是光电式传感器？ 以光电器件作为转换元件的传感器称光电式传感器。,2、用途 主要用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。,第6课 光电式传感器,3、特点 光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点。 因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电式传感器的进一步应用开创了新的一页。,第6课 光电式传感器,4、外形特征,第6课 光电式传感器,4、外形特征,第6课 光电式传感器,4、外形特征,第一节 光电器件的基本概念,光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，它是构成光电式传感器最主要的部件。,光电器件工作的物理基础是光电效应。,什么是光电效应?,在光照射在某些物质上时,物质的电子吸收光子的能量而发生电效应现象，如导电率变化、释放电子和产生电动势等。释放的电子叫光电子，能产生光效应的物质叫电材料。,第一节 光电器件的基本概念,光电效应分为以下三种类型：,1、内光电效应-在光线作用下，物体的电导性能改变的现象称为内光电效应。如光敏电阻,2、外光电效应-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。如光电管、光电倍增管,3、光生伏特效应-在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，即阻挡层光电效应。如光电池、光敏晶体管。,第一节 光电器件的基本概念,一、光敏电阻传感器,(一)光敏电阻的结构与工作原理,结构：它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接人电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。,第一节 光电器件的基本概念,一、光敏电阻传感器,(二)光敏电阻的主要参数(3),1暗电阻 光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。,2亮电阻 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。,3光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。,第一节 光电器件的基本概念,一、光敏电阻传感器,(三)光敏电阻的基本特性（3点）,1伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。,第一节 光电器件的基本概念,一、光敏电阻传感器,(三)光敏电阻的基本特性,2光谱特性 光敏电阻的相对光敏灵敏度与人射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。,0.65um,1.05um,2.3um,第一节 光电器件的基本概念,一、光敏电阻传感器,(三)光敏电阻的基本特性,3温度特性 温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。,第一节 光电器件的基本概念,二、光敏二极管和光敏晶体管,(一)光敏二极的管结构,光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射,第一节 光电器件的基本概念,二、光敏二极管和光敏晶体管,第一节 光电器件的基本概念,二、光敏二极管和光敏三极管,(二)光敏二极管的原理,当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时，处于截止状态，受光照射时，处于导通状态。,第一节 光电器件的基本概念,二、光敏二极管和光敏三极管,(三)光敏三极管的结构与原理,光敏晶体管与一般晶体管相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光敏二极管和光敏三极管的材料几乎都是硅(si),第一节 光电器件的基本概念,二、光敏二极管和光敏三极管,(三)光敏三极管的结构与原理,光照射在发射极e与基极b之间的PN结附近便产生光电流(几微安，相当于三极管的基极电流)，于是在集电极c与基极b之间的PN结能产生几毫安电流(相当于三极管的集电极电流)。光电三极管的通频带较窄，不如光电二极管性能稳定，但灵敏度高。,第一节 光电器件的基本概念,二、光敏二极管和光敏三极管,(四) 基本特性,1光谱特性,从曲线可以看出，硅的峰值波长约为09um，锗的峰值波长约为15um，此时灵敏度最大，而当入要射光的波长增加或缩短时，相对灵敏度也下降。一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测时，则锗管较为适宜。,第一节 光电器件的基本概念,二、光敏二极管和光敏晶体管,(四) 基本特性,2伏安特性,从曲线可以看出，光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。,第一节 光电器件的基本概念,二、光敏二极管和光敏晶体管,(四) 基本特性,3温度特性,暗电流及光电流与温度的关系。称光敏晶体管的温度特性,什么是光敏晶体管的温度特性？,影响较大,影响较小,第一节 光电器件的基本概念,二、光敏二极管和光敏晶体管,(四) 基本特性,几种硅光电二极管的特性参数,第二节 光电池,光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。属有源器件。,第二节 光电池,二、光电池结构：,外型图,第二节 光电池,三、光电池的工作原理,光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。-称光生伏特效应,第二节 光电池,四、光电池的基本特性,（1）光谱特性,光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的,硒光电池在0.5um附近,桂光电池在0.8um附近,第二节 光电池,四、光电池的基本特性,（2）光照特性,光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。,流,第二节 光电池,四、光电池的基本特性,（3）温度特性,光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。,使用时，必须进行温度补偿,第二节 光电池,四、光电池的基本特性,（4）特性参数 国产硅光电池的特性参数,第三节 红外传感器,红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术。它已在科技、国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。,一、红外传感器分类（五类）,（1）红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量； （2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运行进行跟踪； （3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等； （4）红外测距和通信系统； （5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。,第三节 红外传感器,二、红外检测的物理基础,红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0761000m，红外线在电磁波谱中的位置如图所示。,第三节 红外传感器,二、红外检测的物理基础,第三节 红外传感器,二、红外检测的物理基础,红外线辐射的物理本质是热辐射。一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。而且，红外线被物体吸收时，可以显著地转变为热能。,红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如N2、02、Hz等不吸收红外线。,第三节 红外传感器,二、红外检测的物理基础,第三节 红外传感器,三、红外探测器,红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示等组成。红外探测器是红外传感器的核心，红外探测器种类很多，常见的有两大类： 1、热探测器 2、光子探测器。,第三节 红外传感器,三、红外探测器,1、热探测器,热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定控制器所吸收的红外辐射。,热探测器主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在室温下工作，使用方便，应用仍相当广泛。,第三节 红外传感器,三、红外探测器,2、光子探测器。,光子探测器是利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中的电子相互作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，称光子效应。通过测量材料电子性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。利用光子效应制成的红外探测器，统称光子探测器。 光子探测器的主要特点是灵