第6章光学量传感器及应用双语

1、第第6章光学量传感器及应用章光学量传感器及应用Optical sensors and applicationv知识目标知识目标Teaching aimsv1.通过本课题的学习，要求掌握光电效应通过本课题的学习，要求掌握光电效应The photoelectric effect概念，概念，v2.熟悉常见光电器件熟悉常见光电器件Photoelectric device的的工作原理、结构形式、类型、性能特征和转换电工作原理、结构形式、类型、性能特征和转换电路路switching circuit；v3.了解光纤了解光纤fiber-optic的结构、光传输原理和的结构、光传输原理和光纤传感器特性；光纤传感

2、器特性；v4.了解红外线辐射了解红外线辐射infrared radiation机理和机理和红外探测器红外探测器Infrared detector特性。特性。v技能目标技能目标skill goalsv1.要求掌握光电器件的典型应用要求掌握光电器件的典型应用applications；v2能根据现场情况选合适的光电器件；能根据现场情况选合适的光电器件；v3.能分析和设计基本光电检测系统能分析和设计基本光电检测系统带着任务去学习带着任务去学习v任务一：为了实现节能目标，马路上路灯要求实任务一：为了实现节能目标，马路上路灯要求实现自动点熄功能，如何实现？现自动点熄功能，如何实现？v任务二：如何用胶片记录

3、声音信息并将其放映出任务二：如何用胶片记录声音信息并将其放映出来？来？v任务三：有一可调转速电机，当其转动起来后怎任务三：有一可调转速电机，当其转动起来后怎样实时测量其转速？样实时测量其转速？6.1光电效应及光电器件光电效应及光电器件 v6.1.1光电效应及分类光电效应及分类 classificationv三类光电效应及定义：三类光电效应及定义：v1.外光电效应外光电效应 External photoelectric effectv在光线作用下能使电子在光线作用下能使电子逸出物体表面逸出物体表面的现象称为的现象称为外光电效应。（光电流）外光电效应。（光电流）vemission of elect

4、rons by substances, especially metals, when light falls on their surfaces .v光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管The photoelectric effect and the photoelectric devices 2.内光电效应内光电效应internal photoelectric effect the resistivity of object changes Under the effect of light v课本定义：在光线作用下能使物体的课本定义：在光线作用下能使物体的电阻率电阻率改变改变的现象称为内

5、光电效应。的现象称为内光电效应。v光敏电阻（光导管）光敏电阻（光导管） 、光敏晶体管、光敏晶体管3.光生伏特效应光生伏特效应 photovoltaic effectv 在光线作用下，在光线作用下，物体物体产生一定方向产生一定方向电动势电动势的现象称为光生的现象称为光生伏特效应。伏特效应。v The photovoltaic effect is the creation of voltage or electric current in a material upon exposure to lightv 分类：分类：v 势垒光电效应：势垒光电效应：P区带正电，区带正电，N区带负电区带负电v 侧

6、向光电效应：光照部分与未被光照部分之间产生电势差侧向光电效应：光照部分与未被光照部分之间产生电势差6.1.2光电效应对应器件及其特点光电效应对应器件及其特点Photoelectric devices v1.结构与工作原理结构与工作原理一、外光电效应器件一、外光电效应器件A.光电管光电管phototube及基本测量电路及基本测量电路2.光电管特性光电管特性v 光电特性光电特性 伏安特性 光谱特性光电管的特性和适用场合光电管的特性和适用场合v当入射光的频率大于金属的极限频率时，当入射光的频率大于金属的极限频率时，光电流光电流的强度与入射光的强度成正比的强度与入射光的强度成正比，所以光电管常用，所以

7、光电管常用作把光信号转换成电信号，可用于测量。作把光信号转换成电信号，可用于测量。v主要用于主要用于自动化装置及有声电影、无线电传真。自动化装置及有声电影、无线电传真。B. 光电倍增管光电倍增管Photomultiplier tubes及基本测量及基本测量电路电路v1.结构与工作原理结构与工作原理109以上以上光电倍增管的适用场合光电倍增管的适用场合v光电倍增管具有极高的灵敏度、快速响应和极低光电倍增管具有极高的灵敏度、快速响应和极低的暗电流等特点，还能够在很大范围内调整内增的暗电流等特点，还能够在很大范围内调整内增益。益。v它在它在微光探测、快速光子计数微光探测、快速光子计数和和微光时域分析

8、微光时域分析等等领域得到广泛的应用。领域得到广泛的应用。二、内光电效应器件：二、内光电效应器件：A光敏电阻及基本测量电路光敏电阻及基本测量电路v1.光敏电阻光敏电阻Photoresistor的工作原理和结构的工作原理和结构2.光敏电阻的基本特性和主要参数光敏电阻的基本特性和主要参数v 暗电阻和暗电流暗电阻和暗电流 v置于置于室温、全暗室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为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。电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。v 亮电阻和亮电流亮电阻和亮电流 v置于室温、在置于室温、在一定光照条件下测得一定光照条件下测得的稳定电阻值的稳定电阻值称为亮

9、电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。v伏安特性伏安特性 v超过额定值可能导致光敏电阻的永久性损坏。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光敏电阻的光电特性呈非线性光敏电阻的光电特性呈非线性non-linear，这，这是光敏电阻的主要缺点之一。是光敏电阻的主要缺点之一。v非线性较重，一般不用作测量元件非线性较重，一般不用作测量元件! !（5）光谱特性）光谱特性在选用光敏电阻时，把元件和入射光的光谱特性结在选用光敏电阻时，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。合起来考虑，才能得到比较满意的效果。v 响应时间

10、响应时间 v约为（约为（10-110-3）s，v不能适用于要求快速响应的场合。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，受温度影响较光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大。大。 B.光敏晶体管光敏晶体管Photo sensitive transistorsv1.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photodiodev非线性、单向导通非线性、单向导通v工作原理：工作原理：v1.暗电流和光电流暗电流和光电流v2.雪崩式光敏二极管雪崩式光敏二极管 光敏三极管photosensitive triode两个两个PN结，更

11、高的灵敏度结，更高的灵敏度光电二极管和光电三极管特点和适用范围光电二极管和光电三极管特点和适用范围v特点：灵敏度高，响应快特点：灵敏度高，响应快应用：广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、控制应用：广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、控制伺服电机转速的检测等。伺服电机转速的检测等。光敏晶闸管光敏晶闸管Photo sensitive thyristor光敏晶闸管（光敏晶闸管（LCR）也称为光控晶闸管（）也称为光控晶闸管（LTT），），是一种采用光信号控制的是一种采用光信号控制的无触点开关器件。无触点开关器件。特点和适用范围v特点：工作电压很高，有的可达数百伏，输出功特点：工作电压很高，有的可达数百伏，

12、输出功率很大率很大v在自动检测和日常生活中应用前景好在自动检测和日常生活中应用前景好光敏电阻与光敏晶体管的比较光敏电阻与光敏晶体管的比较：v1） 产生光电变换的部位不同。产生光电变换的部位不同。光敏电阻不管那光敏电阻不管那一部份受到光照，受光部份的电导率就增大。而一部份受到光照，受光部份的电导率就增大。而结型器件，只有照射到结型器件，只有照射到 p-n 结区附近的光，才结区附近的光，才能产生光电效能产生光电效应。应。v2）光敏电阻光敏电阻没有极没有极性，性，工工作时必须外加电作时必须外加电压压。而而结型光电器件结型光电器件有确定的正负极性，有确定的正负极性，在没有外加在没有外加电压下也可把光信

13、号转换为电信号电压下也可把光信号转换为电信号。v3） 光敏电阻光敏电阻的光电导效应弛豫过程的时间常数的光电导效应弛豫过程的时间常数较大，较大，频率响应较差频率响应较差；结型器件结型器件弛豫过程的时间弛豫过程的时间常数相应较小，因此常数相应较小，因此响应速度较快响应速度较快。v4）有些结型光电器件，如光电三极管、雪崩光）有些结型光电器件，如光电三极管、雪崩光电二极管等有较大的内增益作用，因此灵敏度较电二极管等有较大的内增益作用，因此灵敏度较高，也可通过较大的电流。高，也可通过较大的电流。三、光生伏特效应器件三、光生伏特效应器件光电池光电池photocell及基本测量电路及基本测量电路v1.光电池

14、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v针对性选择合适的材料针对性选择合适的材料1.硅光电池硅光电池 2.硒光电池硒光电池 光电特性光电特性作为电压源使用时，电压值较小。硅光电池作为电压源使用时，电压值较小。硅光电池0.5-0.6v1.开路电压特征曲线开路电压特征曲线 2.短路电流特征曲线短路电流特征曲线主要用于电阳能发电、仪表，自动化遥测和遥控主要用于电阳能发电、仪表，自动化遥测和遥控方面。方面。v任务解答：任务解答：v一、选用灵敏度较大的光敏电阻作为光电转换器一、选用灵敏度较大的光敏电阻作为光电转换器件，光照较强时电路截至，而光照较弱使电路导件，光照较强时电路截至，而光照较弱使电路导通。通