第七章光电式传感器教材课件

第七章：光电式传感器主讲人：贾鹤萍第七章：光电式传感器主讲人：贾鹤萍光电式传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光路、电路和光电元件三部分组成。光电元件是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见光及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电式传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器实验锌板铜网弧光灯紫外光照射时电流计指针发生偏转灵敏电流计实验锌板铜网弧光灯紫外光照射时电流计指针发生偏转灵敏电流计1、光电效应光的粒子学说：光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击在物体上。E=hfh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；f—光的频率（s-1）光电效应：物体吸收能量为E的光后，转换为该物体中某些电子的能力，从而产生的电效应。1、光电效应光的粒子学说：光可以认为是由具有一定能量的粒子所光电子：向外发射的电子。1）外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管等爱因斯坦假设：一个光子的能量只能给一个电子结论：一个电子要从物体中逸出表面，必须是光子能量E大于表面逸出功A0。逸出表面的电子就具有动能Ek光电子：向外发射的电子。1）外光电效应在光线的光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的电子表面逸出功。这意味着每种物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率。入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比，光强越强意味着入射的管子数目越多，逸出的电子数目就越多。光电子逸出物体表面具有初始动能。1）外光电效应光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的电子表面逸出光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应。a）光电导效应某些半导体，在黑暗环境中电阻值很高；当光照射在物体上，在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而加强了导电性能，使电阻值降低。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。2）内光电效应光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现b）光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。光线照射PN结时，产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管2）内光电效应b）光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一

构造光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子阳极光电阴极光窗2、光电元件及其特性1）光电管与光电倍增管图7-2光电管的结构图光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。构造光电管有真空光电管和充气光电管或称电子图7-3光电倍增管的结构图光电倍增管的玻璃泡内除装有光电阴极和光电阳极外，还装有若干个光电倍增管极，且在光电倍增管极涂有在电子轰击下可发射更多次级电子的材料。1）光电管与光电倍增管构造图7-3光电倍增管的结构图光电倍增管的玻璃特性----光电管a）光电特性阳极电流与入射在阴极上光通量之间的关系。1）光电管与光电倍增管特性----光电管a）光电特性1）光电管与光电倍增管b）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。当阳极电压比较低时，阴极所发射的电子只有一部分到达阳极，其余部分受光电子在真空中运动时所形成的负电场作用，回到阴极。随阳极电压的增强，光电流随之增大。当阴极发射的电子全部到达阳极时，阳极电流达到饱和状态特性----光电管1）光电管与光电倍增管b）伏安特性当阳极电压比较低时，阴极所发射的电子只有一部分到光电管的光谱特性c）光谱特性保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与波长之间的关系。——铯氧银——锑化铯——人眼的视觉特征红限频率特性----光电管1）光电管与光电倍增管光电管的光谱特性c）光谱特性——铯氧银红限频率特性----光光电阴极的灵敏度：一个光子射在阴极上所能激发的电子数。特性----光电倍增管倍增系数M：暗电流：由于环境温度、热辐射和其他因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流。光电倍增管的灵敏度：一个光子射后，阳极所得到的总电子数。本底电流：光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全屏蔽光的情况下，出现的电流。1）光电管与光电倍增管光电阴极的灵敏度：一个光子射在阴极上所能激发的电子数。特性-光敏电阻用半导体材料制成,没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压构造

图7-5光敏电阻的结构及表示符号光敏电阻优点：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。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。2）光敏电阻光敏电阻用半导体材料制成,没有极性,纯粹是一光敏电阻演示

当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。光敏电阻光敏电阻演示当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴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。+++---PN构造3）光电池光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。它硅光电池的制造原理：在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子—空穴对，光生电子—空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。3）光电池硅光电池的制造原理：在N型衬底上制造一薄层光电池外形光敏面3）光电池光电池外形光敏面3）光电池

图7-6光敏二极管光敏二极管的基本结构也是一个PN结，与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。构造4）光敏二极管及光敏三极管图7-6光敏二极管光敏二极管的基本结构也当光不照射时：光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时：PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。4）光敏二极管及光敏三极管当光不照射时：光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在光敏二极管的反向偏置接线及光电特性演示

在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。

当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。

光敏二极管的反向偏置接法UO+—光照光敏二极管的反向偏置接线及光电特性演示

图7-7光敏三极管4）光敏二极管及光敏三极管图7-7光敏三极管4）光敏二极管及光敏三极管a）光电特性开路电压短路电流硅光电池指半导体光电元件产生的光电流与光照之间的关系。光敏晶体管5）半导体光电元件的特性硒光敏电阻a）光电特性开路电压短路电流硅光电池b）伏安特性光敏电阻硅光电池指光电元件的端电压与电流之间的关系。光敏三极管5）半导体光电元件的特性b）伏安特性光敏电阻硅光电池c）光谱特性光敏电阻光电池光敏三极管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。5）半导体光电元件的特性c）光谱特性光敏电阻光电池光敏三极管

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和测量线路。3、光电式传感器的测量电路及应用光源发光二极管钨丝灯泡电弧灯或石英灯激光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光电式传感器按其接收状态可分为模拟式和脉冲式光电传感器两大类。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。3、光电式传感器的测量电路及应用光电式传感器按其接收状态可分为模拟式和脉冲式光a）

吸收式：恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数。被吸收的光通量与被测物的透明度有关，常用作混浊度计等。1）模拟式光电传感器a）

吸收式：恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸b）反射式：恒光源发出的光通量投射到被测物上，然后从被测物表面反射到光电元件上，光电元件的输出反映了被测物的某些参数。反射光通量取决于反射表面的性质、状态和与光源之间的距离，可制成表面粗糙度测试仪等。1）模拟式光电传感器b）反射式：恒光源发出的光通量投射到被测物上，然后从被测物表c）

遮光式：

恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，照射到光电元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光电元件的输出反映了被测物的尺寸。1）模拟式光电传感器c）

遮光式：

恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被d）

辐射式：光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数。1）模拟式光电传感器d）

辐射式：光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件光电数字式转速表

天幕靶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运用状态。2）脉冲式光电传感器光电数字式转速表脉冲式光电传感器的作用方2312

31(a)(b)光电数字式转速表工作原理图图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。2）脉冲式光电传感器-------光电数字式转速表231231(a)(b)光电数字式转速表工作原理图2）脉冲式光电传感器--------天幕靶2）脉冲式光电传感器--------天幕靶放大器控制机构可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。光控继电器数码相机数码相机使用CCD光敏器件代替胶卷感光成像其原理就是CCD元件的光电效应。光电管2）脉冲式光电传感器--------其它放大器控制机构可以用于自动控制，自动计数、自动光导纤维光纤传感器的工作原理和典型结构5、光纤传感器光导纤维5、光纤传感器1）光导纤维一、光导纤维的结构和传输原理中心圆柱体称为纤芯，由石英玻璃或塑料制成。纤芯外围的圆筒形外壳称为包层，通常也是由玻璃或塑料制成。包层外面有涂敷层，之外是一层塑料保护外套。光纤的结构示意图光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，机械强度取决于塑料保护外套。1）光导纤维一、光导纤维的结构和传输原理一、光导纤维的结构和传输原理光纤的传输原理纤芯的折射率为n1；包层的折射率为n2；光纤传输的基础：光的全反射发生全反射的条件?n1＞n2相对折射率差用Δ表示Δ=1–n2/n1通常Δ为0.005～0.14。由Snell定律:1）光导纤维一、光导纤维的结构和传输原理一、光导纤维的结构和传输原理光纤的传输原理

若要使入射光线在纤芯和包层的界面上发生全反射，入射角应大于等于临界角即：1）光导纤维一、光导纤维的结构和传输原理一、光导纤维的结构和传输原理

能使光线在光纤内全反射的最大入射角θc可由上式求得，即NA称为光纤的数值孔径，它表示当入射光从外部介质射入光纤时，只有入射角小于θc的光才能在光纤中传播。1）光导纤维一、光导纤维的结构和传输原理一、光导纤维的结构和传输原理反映了光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率，只有入射光处于θc的光锥内,光纤才能导光。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。数值孔径：与光纤的几何尺寸无关，仅与纤芯和包层的折射率有关。可将NA值做的很大，但横截面积却很小，使得光纤柔软且可弯曲。1）光导纤维一、光导纤维的结构和传输原理二、光导纤维的种类1.按折射变化：阶跃型：光导纤维的纤芯与包层间的折射率是突变的。渐变型：光纤横截面中心处折射率最大，其值有中心向外逐渐变小，到纤芯边界边时变为包层折射率。

1）光导纤维二、光导纤维的种类1.按折射变化性能较差。容易制造，连接耦合比较方便。这种光纤常用于非功能型光纤传感器。二、光导纤维的种类2.按其传输模式能形成驻波的光线称为“模”。

“模”是离散存在的，某种光纤只能传输特定模数的光。单模光纤：多模光纤：传输性能好，常用于功能型光纤传感器，与多模传感器相比线性更好、灵敏度更高和动态测量范围更大。但纤芯太小使得制造、连接和耦合很困难。1）光导纤维性能较差。容易制造，连接耦

a).功能型光纤传感器

功能型光纤传感器

光纤传感器按其工作原理来分有：功能型和非功能型两大类。

2）光纤传感器的工作原理又称传感型光纤传感器，主要使用单模光纤，基本结构原理如图所示。光纤在这类传感器中不仅是传光元件，而且利用光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化，所以它又是敏感元件。可以分为：强度（振幅）调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等a).功能型光纤传感器光利用被测量直接或间接地改变光纤中传输光的强度，再通过测量光强的变化检测出被测量的方法，称为强度调制。强度调制a).功能型光纤传感器可以分为：强度（振幅）调制、相位调制等2）光纤传感器的工作原理利用被测量直接或间接地改变光纤中传输光的强度，再强度调制-微弯损耗光强调制微弯损耗光强调制根据模态理论，当光纤受力微弯时，一部分纤芯模式能量会转化为包层模式能量，通过测量包层模式能量或纤芯模式能量的变化就能测出被测量。2）光纤传感器的工作原理强度调制-微弯损耗光强调制微弯损耗光强调制强度调制-利用光纤的吸收特性进行光强调制X射线、g射线等辐射会使光纤材料的吸收损耗增加，光纤的输出功率降低，从而形成强度调制。由于不同材料对不同的射线敏感，因此改变光纤材料的