光机电系统及应用

1、 光电传感器 光电器件 光机电应用2022年4月28日 1.光电传感器简介1.1光电传感器定义 光电式传感器：将光信号转换为电信号的一种器件，其物理基础是光电效应。用光电器件测量非电量时，需要将非电量的变化转换为光量的变化，然后通过光电器件的作用，就可以得到电量的变化。2022年4月28日2022年4月28日光电传感器外光电效应内光电效应光电管光电倍增管光敏器件光生伏特器件1.2 光电传感器的分类（根据对入射光响应原理）2.光电传感器结构2022年4月28日 系统构成系统构成 光源光路光电器件信号调理电路 测量原理测量原理 被测量光学量光电器件电量 电流、电压，或电导率 物理基础光电效应，红外

2、技术， 激光干涉原理，激光衍射原理， 激光全息原理2022年4月28日16时47分53.光电器件 作用作用:将光信息转换为电信号 光信息:光强度、光相位、光频率 电信号:电流、电压、电阻 分类分类： 热辐射探测器 光子探测器2022年4月28日16时47分6 3.1 热辐射探测器 热辐射探测原理 任何物质温度大于 0 K 都会辐射红外线； 红外线可以被物质吸收，使其温度升高. 光照射到温度传感器传感器温度升高电信号. 分类： 测辐射热电偶 测辐射热敏电阻 热释电探测器2022年4月28日16时47分73.2 光子探测器 物理基础：光电效应 光具有波粒二象性：粒子说、波动说 光子具有一定的能量

3、布朗克常数 ， f :光的频率 原理： 光照射在物体上，光子的能量传递给电子，电子获得能量动能增加，摆脱内部力的束缚，成为自由电子。 光能电能346.626 10hJ sEhf2022年4月28日16时47分8 特点： 光子探测器响应速度快，可以达到ns级； 对红外光的波长具有选择性； 入射光的频率必须大于材料的“红限”； 光子探测器工作环境要求较严格 类型： 光电发射型(光电管、光电倍增管) 光电导型(光敏电阻) 光电结型(光敏二极管、光敏晶体管) 光生伏特型(光电池)2022年4月28日16时47分9 光电管 结构：光电阴极阳极真空玻璃罩 光电材料：银氧铯锑铯镁化镉 原理： 无光照时，阴极

4、与阳极短路，回路无电流； 光打在阴极上，阴极电子获得能量逸出材料表面外(光电子); 在外加电场作用下，光电子被阳极吸收，阴阳极间形成电子流; 回路中产生电流(光电流)与光得强度成正比. 外光电效应的条件“红限”光光光电光电阴极阴极阳极阳极 (1) 光电发射型0/fAh200/2EhfAmvI2022年4月28日16时47分10 (2) 光电导型(光敏电阻、光导管) 半导体材料在光的作用下，电阻率发生变化的现象称为光导效应 结构与原理mAIn无光照时无光照时,半导体材料载流子半导体材料载流子极少极少,电阻很高电阻很高(暗电阻暗电阻), 电电路中无电流流过；路中无电流流过；n有光照时有光照时,半导

5、体中载流子剧半导体中载流子剧增增,电阻极剧下降电阻极剧下降(亮电阻亮电阻),电路中有对应的电流产生电路中有对应的电流产生.暗电阻暗电阻:10100M亮电阻亮电阻:10k 材料：材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅硫化镉、硫化铊、硫化铅2022年4月28日16时47分11 光电特性 电源电压不变时，电流I与光通量的关系，可做测光元件或光控开关. 伏安特性 光通量不变时，电流I 与电压关系(线性) 在允许功率下，光敏电阻是良好线性器件. 光谱特性 光通量和电压不变时，电流与入射光波长成一定关系. 对波的波长具有选择性. 可探测波长比其他光子探测器宽得多.2022年4月28日16时47分12EuA+ -I(

6、3) 光电结型 (光敏二级管、光敏三极管) 结构： 与普通二极管和三极管相似， 只是其PN结具有光敏特性. 原理 光敏二极管的PN结在电路中反向偏置; 无光照时,结内仅有极少数载流子,回路中只有极小的反向饱和漏电流(暗电流10-810-9A),二极管方向截至; 有光照时,结内激发大量的载流子,反向漏电流显著增加(亮电流,与光照成正比).PN2022年4月28日16时47分13 (4) 光生伏特型(光电池) 光生伏特效应 某些半导体材料受光照时在一定方向产生电动势 具有光生伏特效应的器件被称为光电池 材料： 硅(红外)、硒(可见光) 结构： 由N型半导体(或金属)与P型半导体组成的PN结2022

7、年4月28日16时47分14 硅光电池(太阳能电池) N型单晶硅片+P型薄层+电极PN结; N中电子向P中扩散， P中空穴向N中扩散; 无光照时，载流子扩散形成阻挡层，阻止P中空穴的进一步扩散，动平衡；N型型SiP型层型层PN结结电极电极n有光照时，有光照时，PN结附近结附近P P型层中激发出电子空穴对型层中激发出电子空穴对，电子穿过阻挡，电子穿过阻挡层，积累在层，积累在N型硅，空穴留在型硅，空穴留在P型层中型层中;n两电极间电场逐渐增强，直至电场足以抵制电荷的进一步漂移；两电极间电场逐渐增强，直至电场足以抵制电荷的进一步漂移；n当光强度一定时，电动势达到动态平衡当光强度一定时，电动势达到动态

8、平衡,相当于一个相当于一个电池电池。2022年4月28日16时47分154.1.烟尘浊度检测仪 光源：400nm700nm 光检测器范围：400600nm图2-10 吸收式烟尘浊度检测仪框图4.应用2022年4月28日16时47分164.2.生产线上的自动计数V运输带 产品图2-16 产生线上的自动计数 发光二极管光电三极管4.3.光学定位系统 在丝网印刷中，二次定位较为困难。采用光学系统定位，可以方便快速地实现精确对准定位。主要原理器件：二维PSD位置敏感器2022年4月28日16时47分2022年4月28日16时47分18+ -I0I2I1uAuAuAxAPINL4.3.1位置敏感器件PS

9、D简介 原理 光线照到P层一点时，光点附近产生电子空穴对; 在外加电场的作用下，正电荷进入P层，负电荷进入N层;n空穴沿空穴沿P区表面扩散，形成两路电流区表面扩散，形成两路电流I1和和I2；n由于由于P层电阻率均匀，因此两电流与其电阻成反比：层电阻率均匀，因此两电流与其电阻成反比：11202/2,/2AAILxIIIILx2022年4月28日16时47分19+ -I0I2I1uAuAuAxAPINL 原理：原理：102012(1)212(1)2AAIxILIxIL21211()2AIIxLIIn特性：n光点坐标只与电流的比值有关，与光束强度无关光点坐标只与电流的比值有关，与光束强度无关;n光点坐标与光斑的能量中心有关，与光斑形状无关光点坐标与光斑的能量中心有关，与光斑形状无关.两电流之和与光强度成正比2022年4月28日16时47分20 4.3.2 二维PSD21211()2yyAyyyIIyLIILy: y方向长度方向长度21211()2xxAxxxIIxLIILx: x方向长度方向长度xAyAxyPINIx2Ix1Iy2Iy12022年4月28日16时47分21 4.3.3.位置敏感器件PSD PSD的应用的应用 可连续测量光斑的位置； 坐标测量精度与光斑的形状无关，只与光斑的能量中心有关