工程测试第三章 传感器

工程测试第三章传感器第1页，共67页，2023年，2月20日，星期四

3.5.1光电效应及其光电器件外光电效应：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。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。

内光电效应是指光照射到半导体材料上，材料中的电子吸收光子能量，成为自由电子，使导体的导电性发生改变的现象。内光电效应又可分为光电导效应、光生伏特效应和光敏晶体管效应，相应元件有光敏电阻、光电池和光敏二、三极管。第2页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.5.1.1外光电效应及其光电器件

根据爱因斯坦光量子理论,光子的能量E与它的频率成正比,即E=h·fh普朗克常数h=6.63×10-34J·S，f是光的频率。第3页，共67页，2023年，2月20日，星期四物体表面受到光的照射时，表面内的电子与光子碰撞，就发生能量转移，光子把全部能量转移给电子，使电子的能量增加。如果电子的能量超过逸出功A时，电子就逸出物体表面产生光电发射。产生光电发射的条件(不考虑电子热运动的能量)：光子能量h·f超过表面逸出功A。

第4页，共67页，2023年，2月20日，星期四光子能量超过表面逸出功的部分，表现为电子的能量，即mv2/2=hf-Av—电子逸出时的速度，m—电子的质量。第5页，共67页，2023年，2月20日，星期四

爱因斯坦光电方程说明光电发生服从以下定律：1）物体表面发射的电子数（光电流）与光强成正比；2）光电子的动能随光的频率成正比的增加，而与光强无关；3）要使光电子逸出物体表面，必须使h·f>A，所以对于每一种物体都存在一个极限频率（红限频率f0），当入射光的频率低于这个频率时，无论光强多强，都不会有光电子发射出来。第6页，共67页，2023年，2月20日，星期四1光电管及其基本特性结构和工作原理在一个真空装有两个电极的玻璃泡内：光电阴极和阳极。光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上，阴极对光敏感的一面是向内的。第7页，共67页，2023年，2月20日，星期四

在阴极前装有单根金属丝或环状的阳极。当阴极受到适当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，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。

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除了真空光电管外还有一种充气光电管，其构造和真空光电管基本相同，所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体，如氩或氖。当光电极被光照射而发射电子时，光电子在趋向阳极的途中将撞击惰性气体的原子，使其电离，从而使阳极电流急剧增加，提高了光电管的灵敏度。充气光电管的优点是灵敏度高，但其灵敏度随电压显著变化，稳定性、频率特性等都比真空光电管差。第9页，共67页，2023年，2月20日，星期四(2)主要性能

①光电管的伏安特性当光通量一定时，光电管的电流与阳极电压的关系。第10页，共67页，2023年，2月20日，星期四②光电管的光电（照）特性

当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系。曲线1表示氧化铯阴极光电管的光电（照）特性，光电流与光通量呈线性关系。曲线2为锑化铯阴极光电管的光电（照）特性，它呈非线性关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。第11页，共67页，2023年，2月20日，星期四③光电管的光谱特性一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率f0，(即h·f=A对应的频率)，因此它们可用于不同的光谱范围。即同一光电管对于不同频率的光的敏感度不同，这就是光电管的光谱特性。所以对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。第12页，共67页，2023年，2月20日，星期四2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，为了克服这个缺点，就要采用光电倍增管。

它由光电阴极、若干个倍增极和阳极三部分组成。光电阴极是由半导体光电材料锑—铯制造的，入射光就在它上面打出光电子。第13页，共67页，2023年，2月20日，星期四倍增极数目在4~14个不等。在各倍增极上加上一定的电压，阳极收集电子，外电路形成电流输出。第14页，共67页，2023年，2月20日，星期四

工作时，各个倍增电极上均加上电压，阴极K电位最低。从阴极开始，各个倍增极E1、E2、E3、E4（或更多）电位依次升高，阳极A电位最高。入射光在光电阴极上激发电子，由于各极间有电场存在，所以阴极激发电子被加速轰击第一倍增极，这些倍增极具有这样的特性，在受到一定数量的电子轰击后，能放出更多的电子，称为“二次电子”。第15页，共67页，2023年，2月20日，星期四

光电倍增管之倍增极的形状设计成每个极都能接受前一极的二次电子，而在各个倍增极上顺序加上越来越高的正电压。这样如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子，这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极，设这时第一倍增极有δ个二次电子发出，这δ个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又增加δ倍，经过n个倍增极后，原先电子将变为δn个电子，这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。第16页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.5.1.2内光电效应的光电器件1光敏电阻(1)结构和原理

光敏电阻又称光导管。光敏电阻利用光电导效应制成，选用半导体材料。光敏电阻的结构较简单。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，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，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。第17页，共67页，2023年，2月20日，星期四光电导的原理：当入射光照到半导体上时，电子受光子的激发，在外加电压作用下，导带中的电子和空穴同时参与导电，即载流子数增多使其电阻下降。第18页，共67页，2023年，2月20日，星期四

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，电阻值下降，所以流过负载电阻RL的电流及其两端电压也随之变化。光线越强，电流越大。当光照停止时，光电效应消失，电阻恢复原值，因而可将光信号转换为电信号。第19页，共67页，2023年，2月20日，星期四(2)光敏电阻的特性①暗电阻，暗电流

暗电阻：将光敏电阻置于无光照条件下，测得光敏电阻的阻值。暗电流：在给定工作电压下测得无光照条件下光敏电阻中的电流。②亮电阻，光电流

亮电阻：光敏电阻在光照条件下，测得的光敏电阻的阻值。亮电阻一般在几千欧姆。亮电流：在给定工作电压下测得有光照条件下的电流。光电流：亮电流和暗电流之差。第20页，共67页，2023年，2月20日，星期四③光敏电阻的光谱特性

使用不同材料制成的光敏电阻，有着不同的光谱特性。第21页，共67页，2023年，2月20日，星期四④光敏电阻的光电(电照)特性

在一定电压作用下，光敏电阻的光电流I与照射光通量Φ的关系称为光电(电照)特性。光敏电阻的光电特性具有非线性。第22页，共67页，2023年，2月20日，星期四⑤时间常数

当光敏电阻受到光照时，光电流要经过一定时间才能到达稳定值。同样，光照停止后，光电流也要经过一定时间才能恢复到暗电流。光敏电阻的光电流随光强度变化的惯性，通常用时间常数τ表示。光照停止后，光电流下降到原值的63%要经过的时间。时间常数反映了光敏电阻对光照响应的快慢程度。不同材料的光敏电阻有着不同的时间常数。

⑥光电管的伏安特性当光通量一定时，光电管的电流与阳极电压的关系。⑦光电管的温度特性光敏电阻的性能随温度变化而改变的特性。如温度升高时，暗电流下降。第23页，共67页，2023年，2月20日，星期四2光电池及光生伏特（伏打）效应光电池是在光线照射下，直接能将光量转变为电动势的光电元件。在光线照射下物体产生一定方向电动势的现象称光生伏特效应。光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、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。其中硅光电池和硒光电池用途广泛。第24页，共67页，2023年，2月20日，星期四

这里着重介绍硅光电池.

结构原理

硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质（例如硼）形成PN结，如图所示。第25页，共67页，2023年，2月20日，星期四

硅光电池的光谱峰值位置在8000附近。硅光电池的光谱范围广，即为4500~11000之间。

入射光照射在PN结上时，则在PN结内产生电子-空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P型区，电子移向N型区，使P型区带正电，N型区带负电，因而PN结产生电势。光电池的光谱特性第26页，共67页，2023年，2月20日，星期四3光敏二、三极管1)光敏二极管(1)结构和工作原理光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体二极管在结构上是类似的。第27页，共67页，2023年，2月20日，星期四在光敏二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜，入射光通过玻璃透镜正好射在管芯上。发光二极管的管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。第28页，共67页，2023年，2月20日，星期四

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，反向电流很小，该反向电流称之为暗电流。当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子及光生空穴，因此使PN结的反向电流增大。第29页，共67页，2023年，2月20日，星期四2）光敏三极管(1)结构和工作原理光敏三极管有PNP型和NPN型两种。第30页，共67页，2023年，2月20日，星期四光敏三极管像普通三极管一样有两个PN结，因此具有电流增益。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-空穴对，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，这样便有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍。第31页，共67页，2023年，2月20日，星期四

(2)光敏三极管的主要特性①光敏三极管的光谱特性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时，相对灵敏度要下降，这是容易理解的。第32页，共67页，2023年，2月20日，星期四②光敏三极管的伏安特性第33页，共67页，2023年，2月20日，星期四光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管，光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。第34页，共67页，2023年，2月20日，星期四

③光敏三极管的光照特性第35页，共67页，2023年，2月20日，星期四④光敏三极管的温度特性

反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。可见，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大，所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。

光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。它们之间呈近似线性关系。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，也可作开关转换元件。第36页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.5.2光电传感器的应用应用光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。辐射式第37页，共67页，2023年，2月20日，星期四遮光式第38页，共67页，2023年，2月20日，星期四反射式第39页，共67页，2023年，2月20日，星期四第40页，共67页，2023年，2月20日，星期四亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。第41页，共67页，2023年，2月20日，星期四烟尘浊度检测仪

烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。

第42页，共67页，2023年，2月20日，星期四灯光亮度自动控制器

灯光亮度控制器可按照环境光照强度自动调节白炽灯或荧光灯的亮度，从而使室内的照明自动保持在最佳状态，避免人们产生视觉疲劳。控制器主要由环境光照检测电桥、放大器、积分器、比较器、过零检测器、锯齿波形成电路、双向晶闸管等组成。过零检测器对50Hz市电电压的每次过零点进行检测，并控制锯齿波形成电路使其产生与市电同步的锯齿波电压，该电压加在比较器的同相输入端。灯光亮度自动控制器原理框图第43页，共67页，2023年，2月20日，星期四另外，由光敏电阻与电阻组成的电桥将环境光照的变化转换成直流电压的变化，该电压经放大并由积分电路积分后加到比较器的反相输入端，其数值随环境光照的变化而缓慢地成正比例变化。

两个电压的比较结果，便可从比较器输出端得到随环境光照强度变化而脉冲宽度发生变化的控制信号，该控制信号的频率与市电频率同步，其脉冲宽度反比于环境光照，利用这个控制信号触发双向晶闸管，改变其导通角，便可使灯光的亮度随环境光照做相反的变化，从而达到自动控制环境光照不变的目的。第44页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.6.光纤传感器光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的，这一新技术的影响目前已十分明显。光纤测量技术---以光波为载体，光纤为媒质来感知和传输外界被测信号用被测量的变化对光波的强度、频率、相位、偏振之一进行调制，常用强度调制。第45页，共67页，2023年，2月20日，星期四

光纤传感器的特点:光纤传感器与传统的传感器相比有一系列的优点，如体积小、形状可塑性强、灵敏度高、重量轻、不受电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、便于遥测等。目前研制的光纤传感器有温度、压力、磁、电、声、应力、应变、位移、速度、加速度、陀螺、电流、PH值等类型，可见光纤传感器具有极为广泛的应用前景。第46页，共67页，2023年，2月20日，星期四光纤传感器分类

功能型(物性型)光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。1）功能型光纤传感器第47页，共67页，2023年，2月20日，星期四光纤流速传感器第48页，共67页，2023年，2月20日，星期四

传光型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为结构型或非功能型光纤传感器。2）传光型光纤传感器第49页，共67页，2023年，2月20日，星期四光纤检测型光电传感器作业件检测颜色检测第50页，共67页，2023年，2月20日，星期四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2~12μm，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。第51页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.6.1光纤的结构和传输原理1光纤的结构

光导纤维简称光纤。

中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层，纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成，纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2，在包层外面还常有一层保护套。第52页，共67页，2023年，2月20日，星期四涂敷层---材料：硅酮或丙烯酸盐---隔离杂光。光纤的基本结构主体----纤芯与包层对称柱体光学纤维光纤---光导纤维纤芯---石英玻璃；直径：5~75μm；材料：二氧化硅（主体），掺杂其他微量元素---提高折射率纤芯、包层、涂敷层、护套---多层介质结构包层---直径：100~200μm；材料：二氧化硅（主体）---折射率略低于纤芯。护套---材料:尼龙/其他有机材料---提高机械强度，保护光纤特殊场合：没有涂敷层和护套---裸纤第53页，共67页，2023年，2月20日，星期四2光纤的传光原理光在空间是直线传播的。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。

当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。

第54页，共67页，2023年，2月20日，星期四设有一段圆柱形光纤，它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θc角时，根据折射定律，在光纤内折射成θ，然后以φ角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射，则纤芯与界面的光线入射角φ应大于临界角φc，即第55页，共67页，2023年，2月20日，星期四

并在光线内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。所以第56页，共67页，2023年，2月20日，星期四

实际工作时光纤会弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是光的全反射形成的。一般光线所处环境为空气，则n0=1。这样在界面上产生全反射，在光纤端面上的光线入射角为第57页，共67页，2023年，2月20日，星期四

描述光线集光本领的术语叫数值孔径NA，即

数值孔径反映纤芯接受光量的多少。其意义是：无论光源发射功率多大，只有入射光处于2θc的光纤内，光纤才能导光。如入射角过大，如图中角θr，经折射后不能满足式的要求，光线便从包层逸出而产生漏光。所以NA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，但数值孔径过大，会造成光信号畸变，所以要适当选择数值孔径的数值。第58页，共67页，2023年，2月20日，星期四3.6.2常用光纤传感器1、光纤加速度传感器第59页，共67页，2023年，2月20日，星期四2、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，根据探测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离。第60页，共67页，2023年，2月20日，星期四工作原理是：当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；当被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤