第10章 光电测量技术

1、第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 1. 1.了解光电测量的基本知识及光电器件的特性了解光电测量的基本知识及光电器件的特性2. 2.了解常用的光电器件及其应用了解常用的光电器件及其应用3. 3.掌握光纤传感器的检测原理及其简单应用掌握光纤传感器的检测原理及其简单应用学学 习习 要要 求求第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电式传感器：光电式传感器：将被测量的变化转换成光量的变化，将被测量的变化转换成光量的变化，再通过光电元件把光量变化转换成电信号的一种装置。再通过光电元件把光量变化转换成电信号的一种装置。 光电传感器的物理基础是光电效应。光电传感器的物理基础是光电效应。 10

2、.1 10.1 光电测量基础知识光电测量基础知识x1光量光量光量光量电量电量x2输出输出第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 物体在光的照射下产生电子发射的现象称为光电物体在光的照射下产生电子发射的现象称为光电发射效应或外光电效应。发射效应或外光电效应。 E=hfh 普朗克常数，普朗克常数，h=6.631010-34-34JSJS；f 是光的频率。是光的频率。光子的能量光子的能量E与它的频率成正比与它的频率成正比(爱因斯坦光量子理论爱因斯坦光量子理论)光电效应分两大类型：光电效应分两大类型：外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应10.2 10.2 外光电效应外光电效应第第1010章

3、章 光电测量技术光电测量技术 物体表面受光照射，表面内的电子与光子碰撞，光子把全物体表面受光照射，表面内的电子与光子碰撞，光子把全部能量转移给电子。如电子的能量超过逸出功部能量转移给电子。如电子的能量超过逸出功A A0 0时，电子就时，电子就逸出物体表面产生光电发射。逸出物体表面产生光电发射。如果不考虑电子热运动的能量，产生光电发射的条件是：如果不考虑电子热运动的能量，产生光电发射的条件是：光子能量光子能量hfhf超过表面逸出功超过表面逸出功A A0 0。mv2/2=hf-A0v-电子逸出时的速度电子逸出时的速度；m-电子的质量。电子的质量。爱因斯坦光电方程说明光电发生服从以下定律爱因斯坦光电

4、方程说明光电发生服从以下定律：1 1）物体表面发射的电子数物体表面发射的电子数( (光电流光电流) )与光强成正比；与光强成正比；2 2）光电子的动能随光的频率成正比的增加，而与光强无关；光电子的动能随光的频率成正比的增加，而与光强无关；3 3）光电子逸出物体表面，光电子逸出物体表面，hfhfAA0 0。对于每种物体都存在一个。对于每种物体都存在一个极限频率（红限频率极限频率（红限频率f f0 0） 否则不会有光电子发射出来。否则不会有光电子发射出来。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 在真空的玻璃泡内装有两个电极：在真空的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极和阳极光电阴极和阳极。(1)(1

5、)结构和工作原理结构和工作原理 ( (真空光电管真空光电管) )光电管光电管光电阴极贴附在玻璃泡内壁或涂在半光电阴极贴附在玻璃泡内壁或涂在半圆筒形的金属片上，当阴极受到适当圆筒形的金属片上，当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这样在光被带正电位的阳极所吸引，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。生了电流。 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 充气光电管充气光电管 在玻璃泡内充以少量的惰性气体，如氩或氖。光电子在趋向阳在玻璃泡内充以少量的惰性气体，如氩或氖。光电子在趋向阳极的途中

6、撞击惰性气体的原子，使其电离，使阳极电流急剧增加，极的途中撞击惰性气体的原子，使其电离，使阳极电流急剧增加，提高了光电管的灵敏度提高了光电管的灵敏度。缺点缺点: :灵敏度随电压显著变化、稳定性、频率特性等比真空光电灵敏度随电压显著变化、稳定性、频率特性等比真空光电管差。管差。 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电倍增管光电倍增管 在入射光极为微弱时，光电管产生的光电流很小，在这种在入射光极为微弱时，光电管产生的光电流很小，在这种情况下即使光电流能被放大，但信号和噪声同时被放大了，情况下即使光电流能被放大，但信号和噪声同时被放大了，为克服这个缺点，要采用光电倍增管。为克服这个缺点，要

7、采用光电倍增管。(1) (1) 光电倍增管的结构和工作原理光电倍增管的结构和工作原理第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 由光电阴极、若干个倍增极和阳由光电阴极、若干个倍增极和阳极三部分组成。极三部分组成。光电倍增极上涂有电子轰击下能光电倍增极上涂有电子轰击下能够发射更多电子的材料。够发射更多电子的材料。倍增极数目在倍增极数目在4 41414个不等。个不等。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电导效应、光生伏特效应光电导效应、光生伏特效应光电导光电导：入射光子的能量如果大于禁带宽度，即：入射光子的能量如果大于禁带宽度，即hfEg,电子受光电子受光子的激发由价带越过禁带跃迁到导带

8、，载流子数增多使其子的激发由价带越过禁带跃迁到导带，载流子数增多使其电阻下电阻下降降。10.3 内光电效应内光电效应第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电导效应光电导效应-光敏电阻光敏电阻(1) 结构和原理结构和原理又称光导管。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体，半又称光导管。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使

9、它在在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。 梳状电极光电导透光窗口外壳绝缘基体玻璃支柱引脚AA第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光敏电阻利用光电导效应制成，一般选用禁带宽度较宽的光敏电阻利用光电导效应制成，一般选用禁带宽度较宽的半导体材料。半导体材料。 原理：原理：光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使其导光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使其导电性能增强，电阻电性能增强，电阻R RG G值下降，流过负载电阻值下降，流过负载电阻R RL L的电流及其两的电流及其两端电压也随之变化。光线越

10、强，电流越大。当端电压也随之变化。光线越强，电流越大。当光照停止时光照停止时，光电效应消失，光电效应消失，电阻恢复原值电阻恢复原值。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 1: 1:硫化镉、硫化镉、2: 2:硫化铊、硫化铊、3: 3:硫化铅。硫化铅。光敏电阻的光电特性光敏电阻的光电特性 在一定电压作用下，光电流在一定电压作用下，光电流I I与照与照射光通量射光通量的关系称为光电特性。的关系称为光电特性。 光敏电阻的光电特性具有非线性。光敏电阻的光电特性具有非线性。光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 2 2 光电池光电池-光生伏特效应光生伏特效应

11、光电池基于阻挡层的光电效应工作的。光电池基于阻挡层的光电效应工作的。 在光线照射下，直接将光量转变为电动势的在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光电元件。实质上它就是电压源。光电元件。实质上它就是电压源。 光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。电池、硅光电池、砷化镓光电池等。 其中硅光电池和硒光电池用途广泛。其中硅光电池和硒光电池用途广泛。 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 本课程介绍硅和硒两种光电池本课程介绍硅和硒两种光电池. (1

12、) (1) 结构原理结构原理 硅光电池是在一块硅光电池是在一块N N型硅片型硅片上，用扩散的方法掺入一些上，用扩散的方法掺入一些P P型型杂质（例如硼）形成杂质（例如硼）形成PNPN结。结。 入射光照射在入射光照射在PNPN结上时，若光子能量结上时，若光子能量hfhf大于半导体材料的禁大于半导体材料的禁带宽度带宽度E Eg g，则在，则在PNPN结内产生电子结内产生电子- -空穴对，在内电场的作用下，空穴对，在内电场的作用下，空穴移向空穴移向P P型区，电子移向型区，电子移向N N型区，使型区，使P P型区带正电，型区带正电，N N型区带负型区带负电，因而电，因而PNPN结产生电势。结产生电势

13、。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 硒光电池是在铝片上涂硒，再硒光电池是在铝片上涂硒，再用溅射的工艺，在硒层上形成用溅射的工艺，在硒层上形成一层半透明的氧化硒。在正反一层半透明的氧化硒。在正反两面喷上低溶合金作为电极。两面喷上低溶合金作为电极。在光线照射下，镉材料带负电，在光线照射下，镉材料带负电，硒材料上带正电，形成光电流硒材料上带正电，形成光电流或光电势。或光电势。 (2) (2) 主要特性主要特性光电池的光谱特性光电池的光谱特性不同光电池的光谱峰值位置不同。不同光电池的光谱峰值位置不同。如硅光电池在如硅光电池在8000 8000 附近，硒附近，硒光电池在光电池在5400 540

14、0 附近。附近。 AA光半透明金属膜硒半导体金属底盘)(um波长%相对灵敏度第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 硅光电池的光谱范围广，即为硅光电池的光谱范围广，即为4500450011000 11000 之间，硒光之间，硒光电池的光谱范围为电池的光谱范围为340034007500 7500 。因此硒光电池适用于可见。因此硒光电池适用于可见光，常用于照度计测定光的强度。光，常用于照度计测定光的强度。AA光电池的光照特性光电池的光照特性 光电池在不同的光强照光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和射下可产生不同的光电流和光生电动势。光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路

15、电压随光短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在强变化是非线性的，并且当照度在2000lx2000lx时就趋于饱和了。时就趋于饱和了。因此把光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式因此把光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。来使用，不宜用作电压源。 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电池的短路电流：是反映外接负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流。而光电池的内阻是随着照度增加而减小的，所以在不同照度下可用大小不同的负载电阻为近似“短路”条件。 从实验中知道，负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系越好，且线性

16、范围越宽。 对于不同的负载电阻，可在不同的照度范围内，使对于不同的负载电阻，可在不同的照度范围内，使光电流与光强保持线性关系，所以应用光电池作测量光电流与光强保持线性关系，所以应用光电池作测量元件时，所用负载电阻的大小，应根据光强的具体情元件时，所用负载电阻的大小，应根据光强的具体情况而定。总之，负载电阻越小越好况而定。总之，负载电阻越小越好。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电池的频率特性光电池的频率特性 光电池在作为测量、计数、接收元件时，常用交变光光电池在作为测量、计数、接收元件时，常用交变光照。照。 光电池的频率特性：反映光的交变频率和光电池输出光电池的频率特性：反映光的交

17、变频率和光电池输出电流的关系。电流的关系。 硅光电池可以有很高的频率响应硅光电池可以有很高的频率响应 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 开路电压随温度升高而下降的速度较快开路电压随温度升高而下降的速度较快; ; 短路电流随温度升高而缓慢增加。短路电流随温度升高而缓慢增加。 当用光电池作测量元件时，在系统设计中应考虑到温度的当用光电池作测量元件时，在系统设计中应考虑到温度的漂移，采取相应的措施来进行补偿。漂移，采取相应的措施来进行补偿。光电池的温度特性光电池的温度特性 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 3光敏二极管光敏二极管光敏二极管又称光电二极光敏二极管又称光电二极管。管。

18、管芯是一个具有光敏特性管芯是一个具有光敏特性的的PNPN结，它被封装在管壳结，它被封装在管壳内。发光二极管管芯的光内。发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在敏面是通过扩散工艺在N N型单晶硅上形成的一层薄型单晶硅上形成的一层薄膜。膜。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光敏二极管在电路中处于反向偏置，在没有光照射时，反光敏二极管在电路中处于反向偏置，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流向电阻很大，反向电流( (暗电流暗电流) )很小。当光照射在很小。当光照射在PNPN结上，结上，光子打在光子打在PNPN结附近，使结附近，使PNPN结附近产生光生电子及光生空结附近产生光生电子及光生空穴

19、，因此使穴，因此使PNPN结的反向电流增大。结的反向电流增大。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 4 4 光敏三极管光敏三极管光敏三极管光敏三极管: :PNPPNP型型和和NPNNPN型型。当集电极加上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏当集电极加上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时，会产生电子置状态。当光线照射在集电结的基区时，会产生电子- -空空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极和发射极间的电压升高，便有大量的电子流向集电极，和发射极间的电压升高，便有大量的电子流向集电极，形成输出电流

20、，且集电极电流为光电流的形成输出电流，且集电极电流为光电流的 倍。倍。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 (2) (2) 光敏三极管的主要特性光敏三极管的主要特性光敏三极管的光谱特性光敏三极管的光谱特性 光敏三极管存在一个最佳灵敏度光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。时，相对灵敏度要下降。 光敏三极管的伏安特性光敏三极管的伏安特性第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光敏三极管的光照特性光敏三极管的光照特性 光敏三极管的输出电流光敏三极管的输出电流I I和照度之间的关系，它们之间呈和照度之间的关系，它们之间

21、呈近似线性关系。当光照足够大（几千勒克斯）时，会出现饱近似线性关系。当光照足够大（几千勒克斯）时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关转换元件。关转换元件。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性 光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。光敏三极管的频率响应载电阻可以提高频率响应。光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。比光敏二极管差。 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 10.4 10.4 光纤传

22、感器光纤传感器第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为单模光纤的纤芯直径通常为2 212m12m，很细的纤芯半径接近于，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强调制型或传和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。光型光纤传感器多采用多模光纤。 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 2SiO522OPOGe、1n2SiO

23、432SiFOB、纤芯包层塑料套管涂敷层mm1外层直径um2001002n第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 2211sinsinnn1n光密介质2n光疏介质aabbccab11CC290212sinnnCC10d1n2n0nABCC1光折射与反射的光折射与反射的snell定律定律第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 数值孔径数值孔径NANA : :描述集光的能力描述集光的能力( (反映纤芯接受光量的多少反映纤芯接受光量的多少) )222101NAnnnsincNANA意义：无论光源发射功率多大，只有入射光处于意义：无论光源发射功率多大，只有入射光处于22c c的光的光角内，光纤

24、才能导光。角内，光纤才能导光。NANA是光纤的一个重要参数。一般希望是光纤的一个重要参数。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，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。大，会造成光信号畸变，所以要适当选择数值孔径的数值。一般光线所处环境为空气，一般光线所处环境为空气，n n0 0=1=1。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 调制器调制器光源入射光纤出射光纤光探测器输出第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光源入射光纤出射光纤光探测器输出调制器第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 几种常用的

25、光纤传感器几种常用的光纤传感器1 光纤加速度传感器光纤加速度传感器 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 2 光纤位移传感器光纤位移传感器 光纤位移传感器是利用光导纤维传输光信号的功能，根据光纤位移传感器是利用光导纤维传输光信号的功能，根据探测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离。探测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 入射光纤接收光纤光源被测物体x位移dd位移光电流输出axmImd0入射光纤接收光纤被测物体dAB利用光导纤维传输光利用光导纤维传输光信号的功能，根据探信号的功能，根据探测到的反射光的强度测到的反射光的强度来测量被测反射

26、表面来测量被测反射表面的距离。的距离。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 1.1.光纤探头端部紧贴被测部件时，发射光纤中的光不能反射到光纤探头端部紧贴被测部件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，因而就不能产生光电流信号；接收光纤中去，因而就不能产生光电流信号；2.2.被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积积A A越来越大，因而相应的发射光锥和接收光锥重合面积越来越大，因而相应的发射光锥和接收光锥重合面积B B1 1越来越来越大，因而接收光纤端面上被照亮的区越大，因而接收光纤端面上被照亮的区B B2 2也越来越大，

27、有一个线也越来越大，有一个线性增长的输出信号；性增长的输出信号；3.3.当整个接收光纤的端面被全部照亮时，输出信号就达到了位当整个接收光纤的端面被全部照亮时，输出信号就达到了位移移- -输出信号曲线上的输出信号曲线上的“光峰点光峰点”，光峰点以前的这段曲线叫前，光峰点以前的这段曲线叫前坡区；坡区；4.4.当被测表面继续远离时，由于被反射光照亮的面积当被测表面继续远离时，由于被反射光照亮的面积B B2 2大于大于C C，即有部分反射光没有反射进接收光纤，且由于接收光纤更加远即有部分反射光没有反射进接收光纤，且由于接收光纤更加远离被测表面，接收到的光强逐渐减小，光敏检测器的输出信号离被测表面，接收

28、到的光强逐渐减小，光敏检测器的输出信号逐渐减弱，便进入曲线的后坡区。逐渐减弱，便进入曲线的后坡区。工作原理工作原理入射光纤接收光纤被测物体dABd位移光电流输出axmImd0第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 在后坡区，信号的减弱与探头在后坡区，信号的减弱与探头和被测表面之间的距离平方成反和被测表面之间的距离平方成反比。比。 在位移在位移- -输出曲线的输出曲线的“前坡前坡”区中，输出信号的强度增加得非区中，输出信号的强度增加得非常快，所以这一区域可以用来进常快，所以这一区域可以用来进行微米级的位移测量。行微米级的位移测量。 “后坡后坡”区可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高区可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。的测量。光峰区光峰区: :输出信号对于光强度变化的灵敏度要比对于位移变化的输出信号对于光强度变化的灵敏度要比对于位移变化的灵敏度大得多，所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量。灵敏度大得多，所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 3 3 光纤温度传感器光纤温度传感器 光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力