第6章光学量传感器及应用

1、第第6章光学量传感器及应用章光学量传感器及应用v知识目标知识目标v通过本课题的学习，要求掌握光电效应概念，熟通过本课题的学习，要求掌握光电效应概念，熟悉常见光电器件的工作原理、结构形式、类型、悉常见光电器件的工作原理、结构形式、类型、性能特征和转换电路；了解光纤的结构、光传输性能特征和转换电路；了解光纤的结构、光传输原理和光纤传感器特性；了解红外线辐射机理和原理和光纤传感器特性；了解红外线辐射机理和红外探测器特性。红外探测器特性。v技能目标技能目标v通过本课题的学习，要求掌握光电器件的典型应通过本课题的学习，要求掌握光电器件的典型应用，能根据现场情况选择合适的光电器件，能分用，能根据现场情况选

2、择合适的光电器件，能分析和设计基本光电检测系统；能维护光纤传感器、析和设计基本光电检测系统；能维护光纤传感器、红外探测器。红外探测器。6.1光电效应及光电元器件光电效应及光电元器件 v6.1.1光电效应及分类光电效应及分类 v1.外光电效应外光电效应 v在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为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。当物体在光线照射作用下，一个电外光电效应。当物体在光线照射作用下，一个电子吸收了一个光子的能量后，其中的一部分能量子吸收了一个光子的能量后，其中的一部分能量消耗于电子由物体内逸出表面时所作的逸出功，消耗于电子由物体内逸出表面时所作的逸出功，另一部分则

3、转化为逸出电子的动能。另一部分则转化为逸出电子的动能。 2.内光电效应内光电效应v在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。用光照射半导体时，若光子能量大内光电效应。用光照射半导体时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度于半导体材料的禁带宽度Eg，则禁带中的电子吸，则禁带中的电子吸收一个光子就足以跃迁到导带，使被激发出来的收一个光子就足以跃迁到导带，使被激发出来的电子成为一个自由电子，同时也产生一个空穴，电子成为一个自由电子，同时也产生一个空穴，从而增强了材料的导电性能，使材料的电阻值降从而增强了材料的导电性能，使材料的电阻值降低。低。 3.

4、光生伏特效应光生伏特效应 v 势垒光电效应（结光电效应）势垒光电效应（结光电效应） 以以PN结为例，当光照结为例，当光照射射PN结时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度结时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则使价带的电子跃迁到导带，产生自由电子则使价带的电子跃迁到导带，产生自由电子空穴对。在空穴对。在PN结阻挡层内电场的作用下，被激发的电子移向结阻挡层内电场的作用下，被激发的电子移向N区的区的外侧，被激发的空穴移向外侧，被激发的空穴移向P区的外侧，从而使区的外侧，从而使P区带正电，区带正电，N区带负电，形成光电动势。区带负电，形成光电动势。v 侧向光电效应侧向光电效应 当半导体光电器件

5、受光照不均匀时，有当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照

6、部成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于光生伏特效应的光分与未被光照部分产生光电动势。基于光生伏特效应的光电元件有光电池、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管电元件有光电池、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。等。6.1.2 光电管及基本测量光电管及基本测量电路电路v1.结构与工作原理结构与工作原理2.光电管特性光电管特性v 光电特性光电特性 伏安特性 光谱特性6.1.3 光电倍增管及基本光电倍增管及基本测量电路测量电路v1.结构与工作原理结构与工作原理2.光电倍增管的主要参数光电倍增管的主要参数和特性和特性v光电倍增管的倍增系数光电倍增管的倍增系

7、数M与工作电压的关系与工作电压的关系光电倍增管的伏安特性光电倍增管的光电特性6.1.4 光敏电阻及基本测光敏电阻及基本测量电路量电路v1.光敏电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构2.光敏电阻的基本特性和光敏电阻的基本特性和主要参数主要参数v 暗电阻和暗电流暗电阻和暗电流 v 置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。这些是光敏电阻的重要特性指标。的电流称为暗电流。这些是光敏电阻的重要特性指标。v 亮电阻和亮电流亮电阻和亮电流 v 置于室温、在一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，此时流置

8、于室温、在一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。过电阻的电流称为亮电流。v 伏安特性伏安特性 v 伏安特性光照度不变时，光敏电阻两端所加电压与流过电阻的光电流伏安特性光照度不变时，光敏电阻两端所加电压与流过电阻的光电流关系称为光敏电阻的伏安特性。如图关系称为光敏电阻的伏安特性。如图6-12所示。从图中可知，伏安所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。因为光敏电阻都有最大额定功率、最高工作电压和最所示的功耗区。因为光敏电阻都有最大额定功率、最高工作

9、电压和最大额定电流，超过额定值可能导致光敏电阻的永久性损坏。大额定电流，超过额定值可能导致光敏电阻的永久性损坏。v 光电特性光电特性 v 在光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光在光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性，如图电特性，如图 6-13所示。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏所示。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。电阻的主要缺点之一。图6-12 光敏电阻的伏安特性 图6-13 硒光敏电阻的光电特性 图6-14 光敏电阻的光谱特性v 光谱特性光谱特性v 如图如图6-14所示，光敏电阻对不同波长的入射光，其对应所示，光

10、敏电阻对不同波长的入射光，其对应光谱灵敏度不相同，而且各种光敏电阻的光谱响应峰值波光谱灵敏度不相同，而且各种光敏电阻的光谱响应峰值波长也不相同，所以在选用光敏电阻时，把元件和入射光的长也不相同，所以在选用光敏电阻时，把元件和入射光的光谱特性结合起来考虑，才能得到比较满意的效果。光谱特性结合起来考虑，才能得到比较满意的效果。v 响应时间响应时间 v 光敏电阻受光照后光敏电阻受光照后,光电流并不立刻升到最大值，而要经光电流并不立刻升到最大值，而要经历一段时间（上升时间）才能达到最大值。同样，光照停历一段时间（上升时间）才能达到最大值。同样，光照停止后，光电流也需要经过一段时间（下降时间）才能恢复止

11、后，光电流也需要经过一段时间（下降时间）才能恢复到其暗电流值，这段时间称为响应时间。光敏电阻的上升到其暗电流值，这段时间称为响应时间。光敏电阻的上升响应时间和下降响应时间约为（响应时间和下降响应时间约为（10-110-3）s，故光，故光敏电阻不能适用于要求快速响应的场合。敏电阻不能适用于要求快速响应的场合。v 温度特性温度特性 v 光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大。光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大。 6.1.5 光敏晶体管及基本光敏晶体管及基本测量电路测量电路v1.光敏晶体管结构与工作原理光敏晶体管结构与工作原理v光敏二极管光敏二极管 光敏三极管光敏晶闸管2.光敏晶体管

12、的基本特性光敏晶体管的基本特性v光谱特性光谱特性v伏安特性伏安特性v光电特性光电特性温度特性v频率特性频率特性v光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性，如图频率的关系称为频率特性，如图6-22所示。减所示。减少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。一般少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差得来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差得多，锗光敏三极管的频率响应比硅管小一个数量多，锗光敏三极管的频率响应比硅管小一个数量级。级。v响应时间响应时间v工业用的硅光敏二极管的响应时间为（工业用的硅

13、光敏二极管的响应时间为（10-510-7）s左右，光敏三极管的响应时间比相应的左右，光敏三极管的响应时间比相应的二极管约慢一个数量级，因此在要求快速响应或二极管约慢一个数量级，因此在要求快速响应或入射光调制频率比较高时应选用硅光敏二极管。入射光调制频率比较高时应选用硅光敏二极管。图6-21光敏晶体管的温度特性 图6-22 光敏晶体管频率特性6.1.6 光电池及基本测量光电池及基本测量电路电路v1.光电池的结构及工作原理光电池的结构及工作原理2.光电池的基本特性光电池的基本特性v光谱特性光谱特性 光电特性温度特性 频率特性3.短路电流的测量短路电流的测量 图6-28 光电池短路电流测量电路6.1

14、.7 光电耦合器件及基光电耦合器件及基本测量电路本测量电路 v1. 光电耦合器光电耦合器 图6-30 4N28光电耦合器 2.光电开关光电开关光电开关的基本电路6.2 光电式传感器的的应光电式传感器的的应用用v6.2.1光电式传感器应用类型光电式传感器应用类型6.2.2光电式传感器应用实光电式传感器应用实例例v1. 光电路灯控制电路光电路灯控制电路2. 邮政信函过戳装置邮政信函过戳装置3光电比色计光电比色计4光电式带材跑偏检测装光电式带材跑偏检测装置置6.3 光纤传感器光纤传感器v6.3.1 光纤传感器概述光纤传感器概述v光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列优光纤传感器与传统的各类传感器相

15、比有一系列优点，如不受电磁干扰点，如不受电磁干扰, 体积小体积小, 重量轻重量轻, 可挠曲可挠曲, 灵敏度高灵敏度高, 耐腐蚀耐腐蚀,电绝缘、电绝缘、 防爆性好防爆性好, 易与微机易与微机连接连接, 便于遥测等。便于遥测等。 它能用于温度、压力、应变、它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等各值等各种物理量的测量种物理量的测量, 具有极为广泛的应用前景。具有极为广泛的应用前景。 6.3.2 光纤的结构和传输光纤的结构和传输原理原理 v1.光纤的结构光纤的结构 2.光纤传光原理光纤传光原理 2ciin0n2n1纤 芯包 层设有一段圆柱形光

16、纤，如图6-39所示，它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成i角时，在端面发生折射进入光纤后, 又以i角入射至纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。但当入射角i小于临界入射角c时，光线就不会透射界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出，这就是光纤的传光原理。 3.光纤基本特性光纤基本特性 v 数值孔径（数值孔径（NA）v 数值孔径（数值孔径（NA）定义为）定义为 v (6-11)v 数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映

17、光纤接收光量的多少。其意义是：无论光源发射功率有光纤接收光量的多少。其意义是：无论光源发射功率有多大，只有入射角处于多大，只有入射角处于2c的光椎角内，光纤才能导光。的光椎角内，光纤才能导光。如入射角过大，如入射角过大， 光线便从包层逸出而产生漏光。光纤光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的的NA越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的越大，表明它的集光能力越强，一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率；但数值孔径过大，数值孔径，这有利于提高耦合效率；但数值孔径过大，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，会造成光信号畸变。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为如石英

18、光纤数值孔径一般为0.20.4。 222101sinnnnNcA光纤模式v光纤模式是指光波传播的途径和方式。对于不同光纤模式是指光波传播的途径和方式。对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。在光纤中传播是不同的，这就是传播模式不同。在光纤中传播模式很多不利于光信号的传播，因为同一种光信模式很多不利于光信号的传播，因为同一种光信号采取很多模式传播将使一部分光信号分为多个号采取很多模式传播将使一部分光信号分为多个不同时间到达接收端的小

19、信号，从而导致合成信不同时间到达接收端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量要少。号的畸变，因此希望光纤信号模式数量要少。 光纤传输损耗v光纤传输损耗主要来源于材料吸收损耗、散射损光纤传输损耗主要来源于材料吸收损耗、散射损耗和光波导弯曲损耗。目前常用的光纤材料有石耗和光波导弯曲损耗。目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等，在这些材料英玻璃、多成分玻璃、复合材料等，在这些材料中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料吸收损耗；散射损耗主要是由光，从而造成材料吸收损耗；散射损耗主要是由于材料密度及浓度不均匀

20、引起的；光波导弯曲会于材料密度及浓度不均匀引起的；光波导弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。当弯曲半径大于损耗。当弯曲半径大于10cm时，损耗可忽略不时，损耗可忽略不计。计。 6.3.3光纤传感器光纤传感器被测对象光纤敏感元件光源光探测器至信号处理系统光纤光源光探测器至信号处理系统光纤被测对象光敏感元件(a)(b) 光纤传感器由光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光探测器、信号处理系统以及光纤等组成，如图6-40所示。 6.3.4光纤传感器的应用光纤传感器的应用 v1.光纤加速度传感器光纤加速度传感器 2.液位的检测技术液位的检测技术v

21、球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器 单光纤液位传感器6.4 红外传感器红外传感器 v6.4.1 红外辐射基础红外辐射基础v红外辐射俗称红外线红外辐射俗称红外线, 它是一种不可见光它是一种不可见光, 由于是由于是位于可见光中红色光以外的光线位于可见光中红色光以外的光线, 故称红外线。故称红外线。 它的波长范围大致在它的波长范围大致在0.761000 m, 红外线红外线在电磁波谱中的位置如图在电磁波谱中的位置如图6-44所示。工程上又所示。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分把红外线所占据的波段分为四部分, 即近红外、即近红外、 中红外、中红外、 远红外和极远红外。远红外和极远红外。6.4.2

22、红外探测器红外探测器v 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探示系统等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器种类很多测器种类很多, 常见的有两大类：热探测器和光子探测器。常见的有两大类：热探测器和光子探测器。 v 1.热探测器热探测器v 热探测器是利用红外辐射的热效应热探测器是利用红外辐射的热效应, 探测器的敏感元件吸探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高收辐射能后引起温度升高, 进而使有关物理参数发生相应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变化，通过测量

23、物理参数的变化, 便可确定探测器所吸收便可确定探测器所吸收的红外辐射。与光子探测器相比的红外辐射。与光子探测器相比, 热探测器的探测率比光热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低子探测器的峰值探测率低, 响应时间长。但热探测器响应响应时间长。但热探测器响应波段宽波段宽, 响应范围可扩展到整个红外区域响应范围可扩展到整个红外区域, 可以在室温下可以在室温下工作工作, 使用方便使用方便, 应用仍相当广泛。应用仍相当广泛。v 热探测器主要类型有热释电型、热敏电阻型、热探测器主要类型有热释电型、热敏电阻型、 热电偶型热电偶型和气体型探测器。而热释电探测器在热探测器中探测率最和气体型探测器。而热释电探

24、测器在热探测器中探测率最高高, 频率响应最宽频率响应最宽, 所以这种探测器倍受重视所以这种探测器倍受重视, 发展很快。发展很快。这里主要介绍热释电探测器。这里主要介绍热释电探测器。2.光子探测器光子探测器 v光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电子的相互作用材料中电子的相互作用, 改变电子的能量状态改变电子的能量状态, 引引起各种电学现象。起各种电学现象。 这称光子效应。通过测量材料这称光子效应。通过测量材料电子性质的变化电子性质的变化, 可以知道红外辐射的强弱。利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用光子效应制成的红外探测

25、器, 统称光子探测器。统称光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种光子探测器有内光电和外光电探测器两种, 后者后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。v光子探测器的主要特点是灵敏度高光子探测器的主要特点是灵敏度高, 响应速度快响应速度快, 具有较高的响应频率具有较高的响应频率, 但探测波段较窄但探测波段较窄, 一般需在一般需在低温下工作。低温下工作。 6.4.3 红外传感器的应用红外传感器的应用 v1.红外测温仪红外测温仪2.红外线气体分析仪红外线气体分析仪本章小结本章小结 v用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量