光电式传感器

8.1光电器件

8.2光纤传感器

第8章光电式传感器第8章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：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：8.1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根底：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外光电效应：在光线作用下,物体内的电子逸出物体外表向外发射的现象。向外发射的电子叫光电子。如光电管、光电倍增管。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。1．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。光子具有的能量：E=hυ(8-1)式中：h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s)；

υ——光的频率(s-1)。根据能量守恒定理：(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1．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〕光电子逸出物体外表时具有初始动能，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。2．内光电效应(1)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，假设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，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。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。一、光敏电阻〔光导管〕１．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。

光敏电阻是用半导体材料制成的一个纯电阻元件，无极性。２．光敏电阻的主要参数〔１〕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。〔２〕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。〔３〕光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。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，电阻值减小，电流增大。暗电流〔越小越好〕３．光敏电阻的根本特性〔1〕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〕〔2〕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。一般可表示为：I=F〔E〕〔3〕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〔λ〕称为光谱特性。(光谱响应)〔4〕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(f)或S=F1(f)I——光电流S——灵敏度F——调制频率〔5〕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。4．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。二、光敏二极管和光敏晶体管１．结构原理〔1〕光敏二极管结构:与一般二极管相似

将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。

光敏二极管外形

光敏二极管阵列

包含1024个元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。〔2〕光敏三极管光敏三极管外形２．根本特性〔１〕光谱特性〔２〕伏安特性〔3〕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。(4)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。三、光电池1．结构原理光电池: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

光电池外形光敏面能提供较大电流的大面积光电池外形光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板2．根本特性〔１〕光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。〔２〕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。(3)频率特性

〔4〕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。四、光电耦合器件定义: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1．光电耦合器(1)组成

输出端之间的电的耦合。电→光、光→电两次转换，进行输入端和优点：输出和输入进行电气隔离，输入和输出没有反响。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：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。2.光电开关定义：是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收,并进行光电转换,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：反射式特点：小型、高速、非接触,而且与TTL、MOS等电路容易结合。应用范围：在工业控制、自动化包装线及平安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，平安报警及计算机输入接口等。五、电荷耦合器件〔ChargeCoupleDevice,简称CCD〕功能：进行电荷转换、存储、转移并读出信号电荷。应用范围：应用于航天、遥感、工业、农业、天文、通讯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。1．CCD的结构及工作原理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。２．CCD的应用〔CCD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：由感光局部和移位存放器组成。感光局部——在同一半导体衬底上布设的假设干光敏单元组成的阵列元件,光敏单元简称“像素〞。移位存放器——在电荷耦合中担任电荷耦合传输的单元。原理：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〞,利用移位存放器的移位功能将电信号“图像〞传送→输出放大器输出。单行结构线型CCD图像传感器双行结构类型：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、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。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分为模拟式和脉冲式两大类〔1〕模拟式〔2〕脉冲式2．光电传感器的应用〔1〕火焰探测报警器〔2〕光电式纬线探测器〔3〕燃气热水器中脉冲点火控制器〔4〕CCD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，式中：n——覆盖的光敏像素数；

p——像素间距；

M——倍率。〔5〕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。8.2光纤传感器一、概述光纤传感器的优点：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：测量压力、应变、位移、速度、流量、温度、加速度、PH值等。

二、光纤的结构和传输原理光纤结构〔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。各种装饰性光导纤维

发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的外表。在计算机控制下，可产生动态图案。上海东方明珠光纤传感器外形2.光纤传光原理光纤的传输是基于光的全内反射三、光纤根本特性1．数值孔径〔NA〕说明光纤集光本领的术语叫数值孔径NA,定义为NA=sinθc=数值孔径意义:无论光源发射功率有多大,只有入射角处于2θc的光锥内,光纤才能导光。2．光纤模式光纤模式：就是光波沿光纤传输的途径和方式。单模光纤光纤按传输模式多少分为多模光纤单模光纤：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，原那么上只能传一种模式的光。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。3．光纤传输损耗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。四、光纤传感器1．光纤传感器的工作原理和组成原理：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。功能型传感器(FunctionalFiber,FF)分类

非功能型传感器(NonFunctionalFiber,NFF)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现对光纤