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1、传感器与检测技术,Sensor and Measurement Technology Ch0; Ch1; Ch2; Ch3; Ch4; Ch5; Ch6; Ch7; Ch8; Ch9,2,第7章 光电式传感器,光电效应,光电元件及其特性,光电式传感器测量电路,光栅式传感器,7,8,6,电荷耦合器件（CCD）,激光式传感器,7.1 光电效应,由光的粒子学说可知，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。 所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后产生的电效应。 从传感器的角度看光电效应可分

2、为三大类型。,7.1 光电效应,7.1.1 外光电效应 指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍增管均属这一类。它们的光电发射极，即光明极就是用具有这种特性的材料制造的。 7.1.2 内光电效应 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。 7.1.3光生伏特效应 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。,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,7.2.1 光电管与光电倍增管,结构,光电倍增管,7.2.1 光电管与光电倍增管,特性 光电特性：表示当光电管的阳级电压一定时

3、，阳极电流I与入射在阴极上光通量之间的关系。,光电管的光照特性,25,50,75,100,2,0,0.5,1.5,2.0,/1m,IA/ A,1.0,2.5,1,7.2.1 光电管与光电倍增管,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。,光电管的伏安特性,50,20lm,40lm,60lm,80lm,100lm,120lm,100,150,200,0,2,4,6,8,10,12,阳极与末级倍增极间的电压/V,IA/ A,7.2.1 光电管与光电倍增管,光谱特性：由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与

4、光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。 光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯性特性、暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和有关手册合理选用。,7.2.2 光敏电阻,光敏电阻是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。 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。,7.2.2 光敏电阻,7.2.2 光敏电阻,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,7.2.3 光敏二极管和光敏三极管,当二极管和三极

5、管的PN接受到光照射时，通过PN结的电流将增大。光敏二极管和光敏三极管则必须使PN结能受到最大的光照射。,P,N,光,光敏二极管符号,RL,光,P,N,光敏二极管接线,7.2.3 光敏二极管和光敏三极管,光敏三极管,P,P,N,N,N,P,e,b,b,c,RL,E,e,c,7.2.3 光敏二极管和光敏三极管,7.2.4 光电池,光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。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。,+,光,P,N,SiO2,RL,(a) 光电池的结构图,I,光,(b) 光电池的工作原理示意图,P,N,光电池的示意图,7.2.4 光电池,光电池外形,光

6、敏面,7.2.4 光电池,其他光电池及在照度测量中的应用,柔光罩下面为圆形光电池,7.2.5 半导体光电元件的特性,一、光电特性 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,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。,7.2.5 半导体光电元件的特性,三、光谱特性 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。,7.2.5 半导体光电元件的特性,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

7、号与调制光频率变化的关系。,20,40,60,80,100,0,I / %,1,2,3,4,5,1,2,f / kHz,1硒光电池 2硅光电池,10000,入射光调制频率 / HZ,7.2.5 半导体光电元件的特性,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。,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和测量线路。 7.3.1光源 发光二极管 钨丝灯泡 电弧灯或石英灯 激光,7.3 光电式传感器的测量电路,7.3.2 测量电路 光敏电阻的基本应用电路

8、,a）U与光照变化趋势相同的电路 b）U与光照变化趋势相反的电路,7.3 光电式传感器的测量电路,光敏二极管应用电路,利用反相器可将光敏二极管的输出电压转换成TTL电平。,7.3 光电式传感器的测量电路,光敏三极管光控继电器电路,7.3 光电式传感器的测量电路,光电池的应用电路,I/U 转换电路的输出电压Uo与光电流I成正比。若光电池用于微光测量时，I可能较小，则应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器RP微调总的放大倍数。,7.4 光电传感器及其应用,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

9、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。 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运用状态。,7.4 光电传感器及其应用,光电元件的测量方式,7.5 光纤传感器,光导纤维 光纤传感器的工作原理和典型结构,7.5.1 光导纤维,一、光导纤维的结构和传输原理 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色层组成，而且纤芯的折射率n1略大于色层的折射率n2，它们的相对折射率差用表示， =1- n2/ n1 通常为0.0050.14。,7.5

10、.1 光导纤维,二、光导纤维的种类 光导纤维按其折射变化情况分为：阶跃型；渐变型 按其传输模式多少来分类，则有单模和多模两种,7.5.2 光纤传感器的工作原理和典型结构,光纤传感器按其工作原理来分有： 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。 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。,7.5.2 光纤传感器的工作原理和典型结构,微弯光纤传感器,7.5.2 光纤传感器的

11、工作原理和典型结构,光纤位移传感器原理图,7.6 电荷耦合器件,CCD的工作原理 CCD应用举例,电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器，它是1970年贝尔实验室的WSBoyle和GESmith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体化的摄象器件成功地应用于广播电视、可视电话和无线电传真，而且在生产过程自动检测和控制等领域已显示出广阔的前景和巨大的潜力。,7.6.1 CCD的工作原理,CCD的结构和基本原理,P型Si,耗尽区,电荷转移方向,1,2,3,输出栅,输入栅,输入二极管,输出二极管,SiO2,7.6.1 CCD的工作原理,P

12、1,P2,P2,P1,P1,P2,P2,P3,P3,P1,P1,P2,P2,P3,P3,P1,P1,P2,P2,P3,P3,(a),1,2,3,t0,t1,t2,t3,t,(b),电荷转移过程,t=t0,t=t1,t=t2,t=t3,0,7.6.2 CCD应用举例,钞票检查系统原理图,7.7 光栅式传感器,基本工作原理和计量光栅的种类 莫尔条纹 辨向原理及细分电路,7.7.1 基本工作原理和计量光栅的种类,一、基本工作原理,光栅传感器的构成原理图,7.7.1 基本工作原理和计量光栅的种类,二、计量光栅的种类： 若按工作原理分，有物理光栅和计量光栅两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，后者主要用于

13、精密测量和精密机械的自动控制中。 而计量光栅按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。,7.7.2 莫尔条纹,横向莫尔条纹 相邻的两明暗条纹之间的距离B称为莫尔条纹间距。 从图中不难看出。当光栅副间的夹角很小，且两光栅的栅距相等，都为W时，莫尔条纹间距B为 由于值很小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为横向莫尔条纹。当0、B时，莫尔条纹随着主光栅明暗交替变化。这时的指示光栅相当于一个闸门的作用，故将这种条纹称为光闸莫尔条纹。,7.7.3 辨向原理和细分电路,一、辨向原理 在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不是单向的，既有正向运动，也可能有反向运动。单个光电元件接收一固定的莫尔条纹信号，只能判别明暗的

14、变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别光栅的运动方向，以致不能正确测量位移。如果能够在物体正向移动时，并将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所得的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。完成这样一个辨向任务的电路就是辨向电路。,7.7.3 辨向原理和细分电路,二、细分电路 上述辨向逻辑电路的分辨力为一个光栅极距W，为了提高分辨力，可以增大刻线密度来减小栅距，但这种办法受到制造工艺的限制。另一种方法是采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的几个脉冲，从而使分辨率提高到Wn。细分的方法有多种。,7.8 激光式传感器,激光式传感器按工作原理不同可分为三

15、类：激光干涉传感器、激光衍射传感器和激光扫描传感器，其中以激光干涉传感器的应用居多。 这种传感器是以光的干涉现象为基础的。从物理学可知，波长(频率)相同、相位相关的两束光具有相干性，也就是说，当它们互相交叠时，会出现光强增强或减弱的现象，产生干涉条纹，利用干涉条纹随被测长度的变化而变化的原理可实现长度计量。,第7章 本章要点,光电效应 外光电效应 内光电效应 光生伏特效应 光电式传感器测量电路 光电式传感器及其应用 模拟式光电传感器 脉冲式光电传感器,第7章 本章要点,光纤传感器 光导纤维 光纤传感器的工作原理 电荷耦合器件(CCD)的工作原理,Diagram,ThemeGallery is

16、a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.,Title Add your text,ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.,Cycle Diagram,Diagram,Diagram,Diagram,Add Your Text,Add Your Text,Add Your Text,Add Your Text,Diagram,Add Your Text,Diagram,Add Your Title,Add Your Title,ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.,ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.,Diagram,Add Your Title,Text,