传感器与检测技术 第七章教材

1、下页下页返回返回第第7 7章章 光电式传感器光电式传感器7.1光电效应光电效应7.2光电元件及其特性光电元件及其特性7.3光电式传感器的测量电路光电式传感器的测量电路7.4光电传感器及其应用光电传感器及其应用7.5光纤传感器光纤传感器7.6电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）本章要点本章要点 光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。下页下页上页上页返回返回7.1 光电效应光电效应 光可认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每个光光可认为是由具有一定能量的粒子

2、所组成，而每个光子所具有的能量子所具有的能量E与其频率大小成正比。光照射在物体上与其频率大小成正比。光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为就可看成是一连串的具有能量为E（ E=hv）的粒子轰击的粒子轰击在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的的光后产生的电效应。光电效应可分为：光后产生的电效应。光电效应可分为：7.1.1 外光电效应外光电效应 指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。 光电管及光电倍增管均属这一类。光电管及光电倍增管均属这一类。 AmvE221下页下页上页上页返回返回7.

3、1.2 内光电效应（光电导效应）内光电效应（光电导效应） 指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属此类。象。光敏电阻即属此类。gEhc07.1.3 光生伏特效应（阻挡层光电效应）光生伏特效应（阻挡层光电效应） 利用光势垒效应，即在光的照射下，物体内部产生利用光势垒效应，即在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势。光电池、光电晶体管即属此类。一定方向的电势。光电池、光电晶体管即属此类。下页下页上页上页返回返回7.2 光电器件及其特性光电器件及其特性| 光电管与光电倍增管光电管与光电倍增管| 光敏电阻光敏电阻| 光敏二极管和光敏三极管光敏二极

4、管和光敏三极管| 光电池光电池| 半导体光电元件的特性半导体光电元件的特性下页下页上页上页返回返回7.2.1 光电管与光电倍增管光电管与光电倍增管|一、一、构造构造图7-2 光电管的结构图图7-3 光电倍增管的结构图下页下页上页上页返回返回二、二、特性特性 1光电特性光电特性 表示当光电管的阳极电压一定时，阳极电流表示当光电管的阳极电压一定时，阳极电流I I与与入射在阴极上光通量入射在阴极上光通量之间的关系。之间的关系。 下页下页上页上页返回返回2伏安特性伏安特性 当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同光电流的关系叫伏安特性。间的电压同光

5、电流的关系叫伏安特性。 下页下页上页上页返回返回3光谱特性光谱特性 光电管对光谱有选择性：保持光通量和阳极电光电管对光谱有选择性：保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。光谱特性。 下页下页上页上页返回返回| 采用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元采用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。件，其阻值随光照增强而减小。7.2.2 光敏电阻光敏电阻图7-5 光敏电阻的结构及表示符号下页下页上页上页返回返回| 优点：灵敏度高，体积小、重量轻，光谱优点：灵敏度高，体积小、重量轻，光谱响应

6、范围宽，机械强度高、耐冲击和振动，响应范围宽，机械强度高、耐冲击和振动，寿命长，性能稳定。寿命长，性能稳定。| 缺点：使用时需要有外部电源，同时当有缺点：使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。电流通过它时，会产生热的问题。| 材料：硫化物材料：硫化物（C Cd dS S、P Pb bS S、T Tl lS S） 硒化物（硒化物（C Cd dSeSe、P Pb bSeSe） 碲化物（碲化物（P Pb bTeTe）等）等| 应用：照相机自动嚗光、电视机亮度自动应用：照相机自动嚗光、电视机亮度自动调节、灯光（航标灯）自动控制等。调节、灯光（航标灯）自动控制等。下页下页上页上页返

7、回返回下页下页上页上页返回返回7.2.3 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管光敏二极管：光敏二极管： 结构与一般二极管相似，通常工作于反向工作结构与一般二极管相似，通常工作于反向工作状态，当不受光线照射时，处于截止状态，当受光状态，当不受光线照射时，处于截止状态，当受光线照射时，处于导通状态。线照射时，处于导通状态。下页下页上页上页返回返回光敏三极管：光敏三极管： 光电流相当于三极管的基极，集电极电流是光电光电流相当于三极管的基极，集电极电流是光电流的流的 倍，比光敏二极管具有更高的灵敏度。倍，比光敏二极管具有更高的灵敏度。7.2.4 光电池光电池下页下页上页上页返回返回 光电池是基

8、于光生伏特效应制成的，是自发电式有光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。它有较大面积的源器件。它有较大面积的PN结，当光照射在结，当光照射在PN结上时，结上时，在结的两端出现电动势。在结的两端出现电动势。硅光电池硒光电池下页下页上页上页返回返回一、光电（照）特性一、光电（照）特性 光电特性是指这些半导体光电元件产生的光电流光电特性是指这些半导体光电元件产生的光电流与光照之间的关系。与光照之间的关系。 7.2.5 半导体光电元件的特性半导体光电元件的特性图7-9 半导体光电元件的光电特性硒光敏电阻光敏晶体管硅光电池下页下页上页上页返回返回二、伏安特性二、伏安特性 伏安特性是指光照一

9、定时，这些光电元件的伏安特性是指光照一定时，这些光电元件的端电压端电压U与电流与电流I之间的关系。之间的关系。图7-10 半导体光电元件的伏安特性下页下页上页上页返回返回 半导体光电元件对不同波长的光，其灵敏度是不同的，半导体光电元件对不同波长的光，其灵敏度是不同的，因为只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发因为只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子出光生电子空穴对。而光子能量的大小与光的波长有关。空穴对。而光子能量的大小与光的波长有关。三、光谱特性三、光谱特性 图7-11 半导体光电元件的光谱特性下页下页上页上页返回返回四、频率特性四、频率特性 半导体光电元件的

10、频率特性是指它们的输出半导体光电元件的频率特性是指它们的输出电信号与调制光频率变化的关系。电信号与调制光频率变化的关系。图7-12 半导体光电元件的频率特性下页下页上页上页返回返回五、温度特性五、温度特性 半导体材料易受温度的影响，它直接影响光电半导体材料易受温度的影响，它直接影响光电流的值。因此需要讨论这些光电元件的温度特性，流的值。因此需要讨论这些光电元件的温度特性，以便选用合适的工作温度。以便选用合适的工作温度。图7-13 半导体光电元件的温度特性下页下页上页上页返回返回7.3 光电式传感器的测量电路光电式传感器的测量电路 要使光电式传感器能很好地工作。除了合理选要使光电式传感器能很好地

11、工作。除了合理选用光电转换元件外，还必须配备合适的光源、可靠用光电转换元件外，还必须配备合适的光源、可靠的光学通路和合理的测量电路。的光学通路和合理的测量电路。被测量被测量X X1 1直接对光源作用直接对光源作用被测量被测量X X2 2 作用于光学通路，对光通量进行解调作用于光学通路，对光通量进行解调7.3.1 光源及光学通路光源及光学通路 光源光源上页上页返回返回下页下页 热辐射光源：利用发热物体向空间发出一定的光辐射热辐射光源：利用发热物体向空间发出一定的光辐射 （如白炽灯、卤钨灯等）。（如白炽灯、卤钨灯等）。 气体放电光源：利用电流通过气体放电的现象（发光）气体放电光源：利用电流通过气体

12、放电的现象（发光） （如日光灯、低压汞灯、氙灯、氦灯等）。（如日光灯、低压汞灯、氙灯、氦灯等）。 电致发光器件：利用固体发光材料在电场激发下产生电致发光器件：利用固体发光材料在电场激发下产生 发光现象（如发光二极管）。发光现象（如发光二极管）。 激光器：即光受激辐射放大，分为固体激光器、气体激激光器：即光受激辐射放大，分为固体激光器、气体激 光器、半导体激光器和液体激光器等。光器、半导体激光器和液体激光器等。 光学通路光学通路 包括透镜、滤光片、棱镜、光通量包括透镜、滤光片、棱镜、光通量调制器、光栅等。调制器、光栅等。 上页上页返回返回下页下页下页下页上页上页返回返回7.3.2 测量电路测量电

13、路图7-14 真空光电管的差接测量电路1.1.光源光源 2.2.小镜小镜 3.6.3.6.透镜透镜 4.4.光阑光阑 5.5.被测物被测物 7.8.7.8.真空光电管真空光电管下页下页上页上页返回返回图7-15 路灯控制电路下页下页上页上页返回返回光控闪烁安全警示灯下页下页上页上页返回返回图7-17 光敏三极管应用电路下页下页上页上页返回返回 7.4 光电传感器及其应用光电传感器及其应用 光电传感器按其接收状态可分为模拟和脉冲式光电传感器按其接收状态可分为模拟和脉冲式光电传感器两大类。光电传感器两大类。下页下页上页上页返回返回7.4.1 模拟式光电传感器模拟式光电传感器 模拟式光电传感器的工作

14、原理是基于光电元件模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性，其光通量是随被测量而变，光电流就成的光电特性，其光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。为被测量的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和辐射式等它的形式有吸收式、反射式、遮光式和辐射式等。图7-20 光电元件的测量方式下页下页上页上页返回返回图7-21 光电测微装置示意图下页下页上页上页返回返回 7.4.2 脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器 脉冲式光电传感器的作用方式是光电脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态，即元件的输出仅有两种

15、稳定状态，即“通通”与与“断断”的开关状态，所以也称为光电元的开关状态，所以也称为光电元件的开关状态。件的开关状态。下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回图7-24 天幕靶下页下页上页上页返回返回光电耦合器结构图下页下页上页上页返回返回光电耦合器组合形式光电耦合器特性曲线下页下页上页上页返回返回作用：作用： 脉冲及直流电平转换脉冲及直流电平转换 开关信号传输开关信号传输 不同逻辑电路接口不同逻辑电路接口 抗干扰抗干扰 高低压隔离等。高低压隔离等。下页下页上页上页返回返回 一、一、光导纤维的结构和传输原理光导纤维的结构和传输原理 7.5 光纤传感器光纤传感器7.

16、5.1光导纤维光导纤维 光导纤维光导纤维( (简称光纤简称光纤) )是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，每一根光导纤维由一个圆柱形纤芯和包层组成，而且纤芯的折射率每一根光导纤维由一个圆柱形纤芯和包层组成，而且纤芯的折射率略大于包层的折射率。略大于包层的折射率。二、光导纤维的种类二、光导纤维的种类 1. 光导纤维按其折射变化情况分为：光导纤维按其折射变化情况分为： 阶跃型阶跃型 渐变型渐变型 2. 按其传输模式多少来分：按其传输模式多少来分： 上页上页返回返回下页下页单模光纤多模光纤图7-26 光导纤维的种类上页上页返回返回下页下页下页下页上页上页返回返回7.

17、5.2 光纤传感器的工作原理光纤传感器的工作原理2211sinnsinn12n/narcsinc02221nnnsinNAc数值孔径 抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，耐高压，本质安全，抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，耐高压，本质安全，在易燃环境下安全可靠。在易燃环境下安全可靠。 灵敏度高。灵敏度高。 重量轻，体积小，外形可变。重量轻，体积小，外形可变。 测量对象广泛。测量对象广泛。 频带宽，测量动态范围大。频带宽，测量动态范围大。 对被测介质影响小，这对于医药生物领域的应用极为对被测介质影响小，这对于医药生物领域的应用极为有利。有利。 便于复用，便于成网。便于复用，便于成网。 成本低。成本低。 下页下

18、页上页上页返回返回性能特点性能特点 功能型功能型( (或称物性型、传感型或称物性型、传感型) ) 其光纤不仅作为光传播的波导而且具有测其光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。可分为振幅调制界因素进行测量和数据传输。可分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型。型、相位调制型及偏振态调制型。分类分类下页下页上页上页返回返回图7-27 微弯光纤传感器上页上页返回返回下页下页下页下页上页上页返回返回非功能型非功能型( (或

19、称结构型、传光型或称结构型、传光型) ) 其光纤只是作为传光的媒介，还需加其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元件才能组成传感器。上其他敏感元件才能组成传感器。 光纤位移传感器光纤位移传感器 光纤温度传感器光纤温度传感器 光纤图像传感器光纤图像传感器图7-29 光纤位移传感器原理图上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回下页下页光纤温度传感器（二）光纤温度传感器（二）光纤图像传感器下页下页上页上页返回返回下页下页上页上页返回返回7.6 电荷耦合器件电荷耦合器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCDCharge-Coupled DevicesCharge-Coupled Devices）是典型的固体图象传感器，它是是典型的固体图象传感器，它是19701970年贝尔实验室的年贝尔实验室的W WS SBoyleBo