传感器与检测技术第七章

传感器与检测技术第七章第一页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回7.1.2内光电效应（光电导效应）

指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属此类。第二页，共五十六页，2022年，8月28日7.1.3光生伏特效应（阻挡层光电效应）

利用光势垒效应，即在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势。光电池、光电晶体管即属此类。第三页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回7.2光电器件及其特性

光电管与光电倍增管光敏电阻光敏二极管和光敏三极管光电池半导体光电元件的特性第四页，共五十六页，2022年，8月28日第五页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回7.2.1光电管与光电倍增管一、构造图7-2光电管的结构图图7-3光电倍增管的结构图第六页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回二、特性

1．光电特性

表示当光电管的阳极电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上光通量φ之间的关系。

第七页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回2．伏安特性

当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同光电流的关系叫伏安特性。

第八页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回3．光谱特性

光电管对光谱有选择性：保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。第九页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回

采用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。7.2.2光敏电阻图7-5光敏电阻的结构及表示符号第十页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回

优点：灵敏度高，体积小、重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高、耐冲击和振动，寿命长，性能稳定。缺点：使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。材料：硫化物（CdS、PbS、TlS）硒化物（CdSe、PbSe）碲化物（PbTe）等应用：照相机自动嚗光、电视机亮度自动调节、灯光（航标灯）自动控制等。第十一页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回第十二页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回7.2.3光敏二极管和光敏三极管光敏二极管：结构与一般二极管相似，通常工作于反向工作状态，当不受光线照射时，处于截止状态，当受光线照射时，处于导通状态。第十三页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回光敏三极管：光电流相当于三极管的基极，集电极电流是光电流的倍，比光敏二极管具有更高的灵敏度。第十四页，共五十六页，2022年，8月28日7.2.4光电池第十五页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回

光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。硅光电池硒光电池第十六页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回一、光电（照）特性光电特性是指这些半导体光电元件产生的光电流与光照之间的关系。

7.2.5半导体光电元件的特性图7-9半导体光电元件的光电特性硒光敏电阻光敏晶体管硅光电池第十七页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回二、伏安特性伏安特性是指光照一定时，这些光电元件的端电压U与电流I之间的关系。图7-10半导体光电元件的伏安特性第十八页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回

半导体光电元件对不同波长的光，其灵敏度是不同的，因为只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子—空穴对。而光子能量的大小与光的波长有关。三、光谱特性

图7-11半导体光电元件的光谱特性第十九页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回四、频率特性半导体光电元件的频率特性是指它们的输出电信号与调制光频率变化的关系。图7-12半导体光电元件的频率特性第二十页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回五、温度特性半导体材料易受温度的影响，它直接影响光电流的值。因此需要讨论这些光电元件的温度特性，以便选用合适的工作温度。图7-13半导体光电元件的温度特性第二十一页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回7.3光电式传感器的测量电路

要使光电式传感器能很好地工作。除了合理选用光电转换元件外，还必须配备合适的光源、可靠的光学通路和合理的测量电路。被测量X1直接对光源作用被测量X2作用于光学通路，对光通量进行解调第二十二页，共五十六页，2022年，8月28日7.3.1光源及光学通路

光源上页返回下页

热辐射光源：利用发热物体向空间发出一定的光辐射（如白炽灯、卤钨灯等）。气体放电光源：利用电流通过气体放电的现象（发光）（如日光灯、低压汞灯、氙灯、氦灯等）。电致发光器件：利用固体发光材料在电场激发下产生发光现象（如发光二极管）。激光器：即光受激辐射放大，分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器和液体激光器等。第二十三页，共五十六页，2022年，8月28日

光学通路包括透镜、滤光片、棱镜、光通量调制器、光栅等。上页返回下页第二十四页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回7.3.2测量电路图7-14真空光电管的差接测量电路1.光源2.小镜3.6.透镜4.光阑5.被测物7.8.真空光电管第二十五页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回图7-15路灯控制电路第二十六页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回光控闪烁安全警示灯第二十七页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回图7-17光敏三极管应用电路第二十八页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回

7.4光电传感器及其应用

光电传感器按其接收状态可分为模拟和脉冲式光电传感器两大类。第二十九页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回7.4.1模拟式光电传感器

模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性，其光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和辐射式等。图7-20光电元件的测量方式第三十页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回图7-21光电测微装置示意图第三十一页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回7.4.2脉冲式光电传感器

脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态，即“通”与“断”的开关状态，所以也称为光电元件的开关状态。第三十二页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回第三十三页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回第三十四页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回图7-24天幕靶第三十五页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回光电耦合器结构图第三十六页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回光电耦合器组合形式光电耦合器特性曲线第三十七页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回作用：脉冲及直流电平转换开关信号传输不同逻辑电路接口抗干扰高低压隔离等。第三十八页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回

一、光导纤维的结构和传输原理

7.5光纤传感器光导纤维

光导纤维(简称光纤)是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，每一根光导纤维由一个圆柱形纤芯和包层组成，而且纤芯的折射率略大于包层的折射率。第三十九页，共五十六页，2022年，8月28日第四十页，共五十六页，2022年，8月28日二、光导纤维的种类

1.光导纤维按其折射变化情况分为：阶跃型渐变型

2.按其传输模式多少来分：上页返回下页单模光纤多模光纤第四十一页，共五十六页，2022年，8月28日图7-26光导纤维的种类上页返回下页第四十二页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回7.5.2光纤传感器的工作原理第四十三页，共五十六页，2022年，8月28日∴∴数值孔径第四十四页，共五十六页，2022年，8月28日①抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，耐高压，本质安全，在易燃环境下安全可靠。②灵敏度高。③重量轻，体积小，外形可变。④测量对象广泛。⑤频带宽，测量动态范围大。⑥对被测介质影响小，这对于医药生物领域的应用极为有利。⑦便于复用，便于成网。⑧成本低。下页上页返回性能特点第四十五页，共五十六页，2022年，8月28日

功能型(或称物性型、传感型)

其光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。可分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型。分类下页上页返回第四十六页，共五十六页，2022年，8月28日图7-27微弯光纤传感器上页返回下页第四十七页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回非功能型(或称结构型、传光型)

其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元件才能组成传感器。光纤位移传感器光纤温度传感器光纤图像传感器第四十八页，共五十六页，2022年，8月28日图7-29光纤位移传感器原理图上页返回下页第四十九页，共五十六页，2022年，8月28日上页返回下页第五十页，共五十六页，2022年，8月28日光纤温度传感器（二）第五十一页，共五十六页，2022年，8月28日光纤图像传感器下页上页返回第五十二页，共五十六页，2022年，8月28日下页上页返回7.6电荷耦合器件

电荷耦合器件（CCD——Charge-CoupledDevices）是典型的固体图象传感器，它是1970年贝尔实验室的W·S·Boyle和G·E·Smith发明的，它与光敏二极管阵列集成为一体，构成具有自扫描功能的CCD图象传感器。它不仅作为高质量固