传感器技术与应用-课件第七章-光电式传感器

2019/10/141第7章光电式传感器2019/10/142引言光电式传感器是把被测物理量的变化先转换成光信号的变化，然后再通过光电转换元件把光信号变换成电信号的一种传感器。光电式传感器的测量方法灵活多样，并且具有使用方便、非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应快等一系列优点，因而发展十分迅速，而且随着激光、光栅、光导纤维、CCD等器件的相继问世，光电传感器在检测及自动控制领域中得到了更广泛的应用。2019/10/1437.1.1光电效应所谓光电效应是指在光的照射下一些金属、金属氧化物或半导体材料释放电子的现象。光子是具有一定能量的微粒，是以光速运动的粒子流。每一个光子都具有一定的能量，它的能量大小E与其频率成正比。hchE7.1光电传感器2019/10/1447.1.1光电效应光电效应分为内光电效应和外光电效应。当物体在光的作用下所释放的电子没有逸出物体表面，而只在物体的内部运动并使物体的电学特性发生变化的现象叫做内光电效应，内光电效应多产生于半导体材料内。当物体在光的作用下使物体中的电子从物体表面逸出的现象，叫做外光电效应，外光电效应多发生于金属或金属氧化物内。2019/10/145特点光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。不同颜色的光子由于其光波频率不同其能量也是不同的，绿光光子比红光光子具有更多的能量，照射在物体上可看作是一连串具有能量为E的粒子轰击在物体上。光子与物质间的连接体是电子。2019/10/1467.1.2外光电效应器件光电管2019/10/1477.1.2外光电效应器件光电管的伏安特性曲线UA（V）)(AI6010002040801234lm1.00.050.02lmlm2019/10/1487.1.2外光电效应器件光电管的光照特性银氧铯阴极光电管光通量Ф（lm）04812160.20.40.60.81.0)(AI光电流锑铯阴极光电管2019/10/1497.1.2外光电效应器件光电管的光谱特性曲线相对灵敏度（%）)(m银氧铯光电阴极0.20.40.6波长红外线区0.20.30.10.40.50.81.0红光2019/10/14107.1.2外光电效应器件光电倍增管2019/10/14117.1.2外光电效应器件光电倍增管的工作原理基于外光电效应、二次电子发射和电子光学基础上。在光电倍增管的各倍增电极D1、D2、D3…和阳极上，依次有逐渐增高的正电压，即阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高，而且相邻两极之间电压应使二次发射系数大于1。在入射光作用下，光电阴极发射的光电子在D1电场作用下，以高速向倍增电极D1打去，产生二次发射，于是更多的二次发射电子又在D2电场作用下，射向第二倍增电极，激发更多的次发射电子，如此下去，一个光电子将激发更多的二次发射电子，如此不断倍增，最后阳极收集到的电子数将达到阴极发射电子数的105～106倍，即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到几百万倍。因此，在很微弱的光照下，光电倍增管也能产生很大的光电流。2019/10/14127.1.2外光电效应器件光电倍增管的主要参数（1)倍增系数M。（2)光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。极间电压（V）251035075100125150104105106放大倍数2019/10/14137.1.3内光电效应器件光电倍增管的主要参数（1）倍增系数M。（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。极间电压（V）251035075100125150104105106放大倍数2019/10/14141．光敏电阻光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电元件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等特点2019/10/1415（1）光敏电阻的原理和结构。光敏电阻受到光照时，由于内光电效应，因而其导电性能增强而电阻R0值下降，所以流过负载电阻RL的电流及其两端电压会发生变化。一般而言，光线越强，电流越大。当光照停止时，光电效应会立即消失，电阻又恢复原值。电极半导体玻璃底板VCC检流计2019/10/1416光敏电阻当光敏电阻受到光照时，阻值减小。2019/10/1417（2）光敏电阻的基本特性和主要参数。光敏电阻的伏安特性。光敏电阻的伏安特性UVI(mA)050100123456硫化铅硫化铊2019/10/1418光敏电阻的频率特性光敏电阻的光谱特性。0.050.100.150.200.250.300.350.4000.20.40.60.81.01.21.4光电流ImA光照强度(lm)Sr(%)（A）2040608010001.53硫化铅硫化铊硫化镉灵敏度波长2019/10/1419光敏电阻的频率特性暗电阻、亮电阻与光电流。光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。在没有受到光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流被称为暗电流。10080604020010100100010000S(%)（Hz）硫化镉硫化铅频率灵敏度2019/10/1420光敏电阻的温度特性。1.02.03.04.0020406080100(%)-20℃+20℃波长（μm）灵敏度2019/10/14212．光敏晶体管光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管，它们的工作原理是基于内光电效应。光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差，目前广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出装置等场合。光敏晶闸管主要应用于光控开关电路2019/10/1422（1）光敏晶体管结构与工作原理①光敏二极管。通常处于反向偏置状态。当没有光照射时，其反向电阻很大，反向电流很小，这种反向电流称为暗电流。1—负极引脚2—管芯3—外壳4—玻璃聚光镜5—正极引脚6—N型衬底7—SiO2保护圈8—SiO2透明保护层9—铝引出电极10—P型扩散层11—PN结12—金属引出线2019/10/1423光敏二极管外形光敏二极管阵列包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。2019/10/1424红外发射、接收对管外形红外发射管红外接收管2019/10/1425②光敏三极管集电极电流是原始光电电流的β倍。因此，光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高许多倍。光敏三极管2019/10/1426②光敏三极管外形2019/10/1427③光敏晶闸管光敏晶闸管（LCR）又称为光控晶闸管光敏晶闸管的特点是工作电压很高，有的可达数百伏，导通电流比光敏三极管大得多，因此输出功率很大，在自动检测控制和日常生活中应用会越来越广泛。2019/10/1428光敏晶闸管外形光敏面2019/10/1429（2）光敏晶体管的基本特性。①光谱特性。相对灵敏度100806040200入射光锗硅波长（µm）(%)0.421.61.20.82019/10/1430②伏安特性0.100.080.060.040.0212001x10001x8001x6001x4001x2001x0­10­20­30­40­50108642010203040505001x4001x3001x2001x1001xmA(a)(b)反向电压V集电极-发射极电压V电流电流mA2019/10/1431③光敏晶体管的光照特性)(AI照度(lx)321020040060080010002019/10/1432④光敏晶体管的温度特性10025502030405060701020304050607080100200300400mA(a)(b)光电流暗电流温度)(A温度2019/10/1433⑤光敏晶体管的频率特性100806040200110100100k10kRL=1k(%)kHz入射光调制频率相对灵敏度2019/10/1434.电池光电池的工作原理是基于光生伏特效应，当光照射到光电池上时，可以直接输出光电流。常用的光电池有两种，一种是金属—半导体型，另一种是PN结型，如硒光电池、硅光电池、锗光电池等。2019/10/1435硅光电池的结构及工作原理用导线连接P区和N区，电路中就有电流流过2019/10/1436光电池外形光敏面2019/10/1437能提供较大电流的大面积光电池外形2019/10/1438光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用2019/10/1439典型的光电开关结构1—发光元件2—接收元件3—壳体4—导线5—反射物6—窗体2019/10/1440光电开关外形2019/10/1441应用范围用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高—低”之分即可。2019/10/1442光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。2019/10/14437.1.4光电传感器的应用1、烟尘浊度监测仪烟囱里的烟尘浊度是通过光在烟囱里传输时的变化大小来检测的。如果烟尘浊度增加，那么光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射就会增加，使到达接收端的光减少，因而光检测器输出的信号就会减弱；反之，烟尘浊度减少，光检测器输出的信号就会增强。2019/10/14447.1.4光电传感器的应用吸收式烟尘浊度检测仪框图白炽光光源光检测器放大电路显示电路刻度校正报警电路烟囱2019/10/14457.1.4光电传感器的应用2、光电转速传感器如图所示为在待测转速轴上固定一带孔的转盘，在转盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达由光敏晶体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。光敏晶体管放大整形电路白炽灯光敏晶体管转盘放大整形电路白炽灯转盘（a）（b）2019/10/14467.1.4光电传感器的应用光电脉冲转换电路VT1VT2VT3VT4R1R2R3R4R5R6R7R8+VCCUO2019/10/14477.2红外传感器红外传感器是用来检测物体红外辐射的敏感器件。所谓红外辐射就是红外光，红外光是太阳光谱的一部分，其波长范围为0.76～1000μm，红外线在电磁波谱中的位置。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分：近红外、中红外、远红外和极远红外。2019/10/14487.2.1红外辐射的基本定律1、斯忒藩—玻尔兹曼定律物体温度越高，它辐射出来的能量就越大，公式表示为。4TW2019/10/14497.2.1红外辐射的基本定律2、希尔霍夫定律若几个物体处于同一温度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领，这就是希尔霍夫定律。其表示公式为0aEEr2019/10/14507.2.1红外辐射的基本定律3、维恩位移定律热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。物体峰值辐射波长与物体的自身的绝对温度成反比，即aT2019/10/14517.2.2红外传感器的组成及原理红外传感器一般由光学系统、敏感元件（也叫探测器）、前置放大器和信号调制器等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物体相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。2019/10/14527.2.3红外传感器的应用1、红外测温仪透镜滤光片红外探测器步进电机调制盘温度传感器前置放大选频放大同步检波加法器ε调节线性化A/D显示多谐振荡器放大2019/10/14537.2.3红外传感器的应用2、红外线气体分析仪根据红外辐射在气体中的吸收带的不同，可以对气体成分进行分析。100806040200100806040200100806040200透射率(%)2345678910111213141523456789101112131415COCO2CH4C2H4C2H6