第8章 光电式传感器

1、第8章 光电式传感器 8.1 光电器件光电器件 8.2 光纤传感器光纤传感器 第第8章光电式传感器章光电式传感器第8章 光电式传感器第第8章章 光电式传感器光电式传感器光电传感器：以光电器件作转换元件的传感器。工作原理原理：把被测量的变化转换成光信号(光 通量或光参数)的变化通过光电转换元件变换成电信号。 光电传感器的组成组成：第8章 光电式传感器 8.1 光电器件光电器件 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。光电器件特点：响应快、结构简单、 使用方便, 有较高 的可靠性, 因此在自动检测、计算机和 控制系统中, 应用非常广泛。 光电器件工作的物理

2、基础：光电效应。 光生伏特效应光电导效应内光电效应外光电效应光电效应第8章 光电式传感器外光电效应：外光电效应：在光线作用下, 物体内的电子逸出 物体表面向外发射的现象。 向外发射的电子叫光电子光电子。 如光电管、光电倍增管。 内光电效应：内光电效应：在光线作用下, 物体的导电性能发 生变化或产生光生电动势的效应。 如光敏电阻、光电池、光敏二极 管、光敏晶体管。第8章 光电式传感器1外光电效应外光电效应 一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子光子。光子具有的能量： E=h (8-1)式中：h普朗克常数=6.62610-34(Js)； 光的频率(s-1)。根据能量守恒定理：02

3、021Amvh(8-2) 式中：m电子质量； v0电子逸出速度。A0 逸出功 。式(8-2)为爱因斯坦光电效应方程式 第8章 光电式传感器1外光电效应外光电效应 （1）光子能量必须超过逸出功，才能产生光电子； （2）入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比； （3）光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此对于外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。第8章 光电式传感器2内光电效应内光电效应(1)光电导效应光电导效应 在光线作用下，半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加

4、，半导体的导电性能增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。 光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。(2)光生伏特效应光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池。光敏二极管、光敏晶体管也是基于内光电效应。第8章 光电式传感器一、一、 光敏电阻（光导管）光敏电阻（光导管） 光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理 无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小；当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大。 暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好。 光敏电

5、阻是用半导体材料制成的一个纯电阻元件，无极性。 第8章 光电式传感器第8章 光电式传感器第8章 光电式传感器光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数（）暗电阻暗电阻：光敏电阻在不受光时的阻值。 此时流过的电流称为暗电流暗电流。 （）亮电阻亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻。 此时流过的电流称为亮电流。亮电流。（）光电流光电流：亮电流与暗电流之差称为光电 流。 第8章 光电式传感器光敏电阻演示光敏电阻演示 当光敏电阻当光敏电阻受到光照时，受到光照时，光生电子光生电子空空穴对增加，电穴对增加，电阻值减小，电阻值减小，电流增大。流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）第8章 光电式传感器光敏电阻的基

6、本特性光敏电阻的基本特性（1） 伏安特性伏安特性 光敏电阻的伏安特性：光敏电阻的伏安特性：在一定照度下, 流过光敏电阻的电流I与光敏电阻两端的电压U的关系 。 I = F（U）第8章 光电式传感器（2）光照特性光照特性 当光敏元件加上一定电压时，光电流I与光敏元件上光照度E之间的对应关系称为光照特性光照特性。一般可表示为： I = F（E）第8章 光电式传感器（3） 光谱特性光谱特性 光电流（或相对灵敏度）与入射波长的对应关系I = F（）称为光谱特性。光谱特性。(光谱响应光谱响应)第8章 光电式传感器（4）频率特性）频率特性 光敏元件输出的光电流(或相对灵敏度)随频率变化的关系。I = F1

7、(f) 或S = F1(f) I光电流S灵敏度F调制频率 第8章 光电式传感器（5） 温度特性温度特性 环境温度改变后，光敏元件的光学性质也将随之变化，这种现象称为光敏元件的温度特性温度特性。第8章 光电式传感器4光敏电阻特点：光敏电阻特点：优点：光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度 高、使用寿命长、体积小等。所以应用 广泛。缺点：型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并 且由于光照特性的非线性，不适宜于测 量要求线性的场合，常用作开关式光电 信号的传感元件。第8章 光电式传感器第8章 光电式传感器二、二、 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 结构原理结构原理（1）光敏二极管 结构:与一般

8、二极管相似第8章 光电式传感器 将光敏二极管的将光敏二极管的PN结设置在透结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的敏二极管的PN结时，电子结时，电子-空穴对数空穴对数量增加，光电流与照度成正比。量增加，光电流与照度成正比。 第8章 光电式传感器光敏二极管光敏二极管外形外形 光敏二极管阵列光敏二极管阵列 包含包含1024个元件的线性光个元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。电二极管阵列，可用于分光镜。第8章 光电式传感器（2）光敏三极管）光敏三极管第8章 光电式传感器光敏三极管外形光敏三极管外形第8章 光电式传感器基本特性基本特性 （）（） 光谱特性光谱

9、特性 第8章 光电式传感器（）伏安特性（）伏安特性 第8章 光电式传感器（3）频率特性）频率特性 光敏管的频率特性是指光敏管输出的光电流(或相对灵敏度)随频率变化的关系。 第8章 光电式传感器(4)温度特性温度特性 光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。第8章 光电式传感器第8章 光电式传感器第8章 光电式传感器三、光电池三、光电池1结构原理结构原理光电池光电池:一种直接将光能转换为电能的光电器件。基于光生伏特效应。 连接内光电效应连接光电效应第8章 光电式传感器 光电池光电池外形外形光敏面光敏面第8章 光电式传感器能提供较大电流的大能提供较大电流的大面积光电池面积光电池外形

10、外形第8章 光电式传感器光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能太阳能 硅光电池板硅光电池板第8章 光电式传感器2基本特性基本特性 （） 光谱特性光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。 （） 光照特性光照特性 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。 第8章 光电式传感器(3)频率特性频率特性 第8章 光电式传感器（4） 温度特性温度特性 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。 第8章 光电式传感器第8章 光电式传感器四、四、 光电耦合器件光电耦合器件定

11、义:光电耦合器件光电耦合器件是由发光元件（如发光二极 管）和光电接收元件合并使用, 以光作为媒 介传递信号的光电器件。 用于实现电隔离的光电耦合器类型: 用于检测有无物体的光电开关 第8章 光电式传感器1光电耦合器光电耦合器(1)组成组成 输出端之间的电的耦合。电光、光电两次转换，进行输入端和第8章 光电式传感器优点优点：输出和输入进行电气隔离，输入和输出 没有反馈。具有独立选择输入阻抗和输 出阻抗，抗干扰能力 强。应用场合应用场合：电路隔离、电平转换、噪声抑制、 无触点开关及固态继电器等场合。 第8章 光电式传感器2. 光电开关光电开关定义定义：是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收,并

12、进行光电转换, 同时加以某种形式的放大和控制, 从而获得最终的控制输出“开“、“关”信号的器件。 透射式结构结构： 反射式第8章 光电式传感器特点：特点：小型、高速、非接触, 而且与TTL、 MOS等电路 容易结合。应用范围：应用范围：在工业控制、自动化包装线及安全装置中作 光控制和光探测装置。用途：用作物体检测，产品计数, 料位检测，尺寸控 制，安全报警及计算机输入接口等。第8章 光电式传感器五五、电荷耦合器件、电荷耦合器件（Charge Couple Device, 简称CCD） 功能功能：进行电荷转换、存储、转移并读出信号电荷。应用范围应用范围：应用于航天、遥感、工业、农业、天文、通 讯

13、等领域信息存储及信息处理方面，尤其适 用于图像识别技术。1CCD的结构及工作原理的结构及工作原理是一种是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、移位并读出信号电荷的功能。1970年问世。第8章 光电式传感器第8章 光电式传感器CCD的应用（的应用（CCD固态图像传感器）固态图像传感器） 电荷耦合器件用于固态图像传感器中, 作为摄像或像敏的器件。 组成组成：由感光部分和移位寄存器组成。感光部分感光部分 在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元组成的阵列元件, 光敏单元简称“像素”。移位寄存器移位寄存器在电荷耦合中担任电荷耦合传输 的单元。原理原理：

14、利用光敏单元的光电转换功能将投射到光 敏单元上的光学图像电信号“图像”, 利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像”传送输出放大器输出。 第8章 光电式传感器 单行结构 线型CCD图像传感器 双行结构类型类型： 线转移 面型CCD图像传感器 帧转移 隔列转移 线型CCD图像传感器主要用于测试、 传真和光学文字识别技术等方面。 面型CCD图像传感器主要用于摄像机及测试技术。第8章 光电式传感器六、光电传感器的一般形式及应用六、光电传感器的一般形式及应用1光电传感器的一般形式光电传感器的一般形式 分为模拟式和脉冲式两大类（1）模拟式）模拟式第8章 光电式传感器第8章 光电式传感器第8章 光电式传感器

15、第8章 光电式传感器（2）脉冲式）脉冲式第8章 光电式传感器2光电传感器的应用光电传感器的应用（1）火焰探测报警器）火焰探测报警器第8章 光电式传感器（2）光电式纬线探测器）光电式纬线探测器第8章 光电式传感器（3）燃气热水器中脉冲点火控制器）燃气热水器中脉冲点火控制器第8章 光电式传感器（4）CCD图像传感器应用图像传感器应用根据几何光学原理，推导被测物体尺寸计算公式，MnpD 式中：n覆盖的光敏像素数； p像素间距； M倍率。第8章 光电式传感器（5）光电转速传感器）光电转速传感器 n = f / N 式中：n转速；f脉冲频率；N圆盘开孔数。 第8章 光电式传感器第8章 光电式传感器8.2

16、 光光 纤纤 传传 感感 器器一、一、 概述概述光纤传感器的优点光纤传感器的优点：灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、 可挠曲、体积小、重量轻、电绝缘 性好，以及与光纤传输线路相容、 便于与计算机连接等。用途：用途：测量压力、应变、位移、速度、流量、温度、 加速度、PH值等。 第8章 光电式传感器二、二、 光纤的结构和传输原理光纤的结构和传输原理1. 光纤结构 （1）光纤即光导纤维 （2）由纤芯、包层和保护层（外套）组成。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃组成；保护层多为尼龙材料以增加机械强度。第8章 光电式传感器各种装饰性光导纤维各种装饰性光导纤维 第8章 光电式传感器 发光二极发光二极管产生多管

17、产生多种颜色的种颜色的光线，通光线，通过光导纤过光导纤维传导到维传导到东方明珠东方明珠球体的表球体的表面。在计面。在计算机控制算机控制下，可产下，可产生动态图生动态图案。案。上海东方明珠上海东方明珠第8章 光电式传感器光纤传感器外形光纤传感器外形第8章 光电式传感器2.光纤传光原理光纤的传输是基于光的全内反射第8章 光电式传感器第8章 光电式传感器三、光纤基本特性三、光纤基本特性1数值孔径（数值孔径（NA） 说明光纤集光本领的术语叫数值孔径数值孔径NA,定义为NA = sinc= 数值孔径意义意义: 无论光源发射功率有多大, 只有 入射角处于2c的光锥内, 光纤才 能导光。 )(122210n

18、nn第8章 光电式传感器2光纤模式光纤模式光纤模式：就是光波沿光纤传输的途径途径和方式方式。 单模光纤单模光纤光纤按传输模式多少分为 多模光纤多模光纤单模光纤：单模光纤：通常指阶跃光纤中内芯尺寸很小，因 而光纤传输的模式很少，原则上只能 传一种模式的光。多模光纤多模光纤：指阶跃型光纤中，内芯尺寸较大，因 而传输模式很多的光纤。 第8章 光电式传感器3光纤传输损耗光纤传输损耗 光纤传输损耗主要来源：光纤传输损耗主要来源：材料吸收损耗、散射损 耗及光波导弯曲损耗。 （1）在光纤材料中，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。 （2）散射损耗主要是由于材料密度及浓度不均匀引起

19、的，这种散射与波长的四次方成反比。 （3）光波导弯曲损耗是使用过程中可能产生的一种损耗。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损耗。第8章 光电式传感器四、光纤传感器四、光纤传感器1光纤传感器的工作原理和组成光纤传感器的工作原理和组成原理：原理：研究光被外界参数的调治原理。光调制就 是把某一被测信息加载到传输光波上。这 种承载了被测量信息的调制光再经光探测 系统解调，便可获得所需检测的信息。 功能型功能型传感器(Functional Fiber, FF)分类分类 非功能型非功能型传感器(Non Functional Fiber,NFF)第8章 光电式传感器功能型传感器功能型传感器：是利用光纤本身的特性(如光纤 的折射率、传输光的强度等)随 被测量而发生变化来实