第8章--光电传感器

第八章光电传感器光是什么？光既是一种波，同时又是由一个个光子所构成。也就是具有波粒二象性。众所周知，光的量子学说最初是由A．Einstein于1905年在研究光电效应现象时提出来的。在爱因斯坦之前M·普朗克提出了能量子假设光----以光速运动的粒子流。单个光子能量：hE普郎克常数光波频率第八章光电传感器测量原理：利用光电效应实现测量。爱因斯坦是光电检测的先驱采用光电元件作为检测元件的传感器被称为光电传感器。光电传感器由光源、光学通路和光电元件组成。主要特点：精度高、反应快、非直接接触、结构简单、形式多样、应用广泛。第一节光电效应与光电器件1.外光电效应：在光线作用下电子从物体表面逸出。爱因斯坦则是因为研究外光电效应现象并从理论上对其做出了正确的量子解释而获得了诺贝尔物理学奖。光电效应的定义及光电效应的分类2.内光电效应：在光线作用下物体的电阻率改变。3.光生伏特效应：在光线作用下物体具有发电能力。一、光电管、光电倍增管紫外线光电管一、光电管、光电倍增管利用外光电效应制成的光电器件。（一）光电管光输入阳极阴极电子逸出电输出光----以光速运动的粒子流。单个光子能量：hE普郎克常数光波频率0212Ahmv光电管中的自由电子逸出条件：电子质量逸出初速度逸出功光波频率AhhAAhcc即光波频率光波波长或光速光电管测量电路：Ahcm可见，要使光电管中的自由电子逸出，频率不能太低，波长也不能太长。为入射光波长上限，也被称为“红限”。光电管阴极阳极电压输出光输入（二）光电倍增管光电倍增管具有放大光电子电流的能力。光电倍增管具有10---15级倍增电极，电位依次升高，使得阴极因接受光能而发射的电子逐级加速，且受光电子的数量逐级增多，形成较大的光电流。可用于微光测量。设单级的信号倍增率为，则多级的倍增率为。光输入阳极阴极-++++---+-++-+--n光电倍增管测量电路：直流电源光线输出电压阴极阳极二、光敏电阻光敏电阻二、光敏电阻（一）工作原理：由半导体材料构成，利用内光电效应而工作。光敏电阻当光线照射时，因材料中的电子—空穴对增加，其电阻值会变小，当光照消失时，电阻会恢复原值。这种现象被称为光导效应。光敏电阻没有极性，纯粹是电阻器件，即可以加直流电压，也可以加交流电压工作。光照电路符号（二）特性参数1.暗电阻与亮电阻暗电阻-----在室温且全暗条件下测得的稳定电阻。例如MG41-42型光敏电阻的暗阻大于等于0.1兆欧。亮电阻-----在室温且一定光照条件下测得的稳定电阻。例如MG41-42型光敏电阻的亮阻小于等于1000欧。光敏电阻接在电路上，亮电流（大）与暗电流（小）之差被称为光电流。光敏电阻的亮电阻越小，暗电阻越大，灵敏度越高。光照度小光照度大2.伏安特性曲线正常工作电压受耗散功率的限制。3.光电特性曲线----光照度与光电流之间的关系。光电特性曲线光照度光电流光电特性为非线性，不宜做检测元件，一般做光电开关。1勒克斯＝1流明每平方米常见发光的大致效率（流明/瓦）白炽灯15日光灯50太阳灯94钠灯120节能灯60-80白色LED80-200LED80-130光照度，单位：lx光通量，单位：lm光谱特性灵敏度光波波长硫化镉硫化铊硫化铅（紫外---紫----红----红外）4.光谱特性曲线----入射光频率与灵敏度之间的关系。选光敏电阻时应当把元件和光源结合起来考虑5.频率特性曲线----光频率与灵敏度之间的关系。光敏电阻具有时延性，不能用在要求快速响应的场合。6.温度特性曲线----温度对光谱特性的影响。三、光敏晶体管光敏二极管红外发射、接收对管红外发射管红外接收管光敏三极管三、光敏晶体管——基于内光电效应（一）工作原理1.光敏二极管：正常情况下，PN结反向是不导通的。当被光线照射时，PN结反向导通，可以感测光信号。NP电路符号结构示意基本电路2.光敏三极管：正常情况下，给PNP型三极管的集电极和发射极之间加正向电压，一个PN结（集电结）不导通，另一个PN结（发射结）导通。但当集电结被光线照射时，集电结会反向导通，造成三极管中出现放大电流，集电极和发射极之间导通。也可以感测光信号。无光照无输出有光照有输出+-（二）基本特性1.光谱特性：一定照度下,光波波长与光敏管灵敏度的关系。2.伏安特性:不同照度下,输出电压—电流关系。硅管锗管光谱特性（紫外---紫----红----红外）伏安特性光照度小光照度大3.光电特性：光照度--输出电流关系。一般光照加强电流增大。光敏二极管的线性度较好，光敏三极管会饱和。4.温度特性:一定照度下温度--电流关系。对亮电流、暗电流、输出电流影响程度不同。温度对亮电流小，对暗电流影响显著。5.频率特性:输入的调制光频率与输出灵敏度的关系。温度特性输出电流暗电流频率特性输出灵敏度四、光电池光敏面四、光电池（一）工作原理光生伏特效应。结构特点：大面积的PN结。光线照射发电电路符号（二）基本特性1.光谱特性：即在一定照度下,光波波长与光电池灵敏度的关系曲线。光谱峰值的位置与光电池材料、制造工艺和使用温度有关。（紫外---紫----红----红外）硅光电池硒光电池受光范围宽受光范围窄2.光电特性:光照度与光生电动势的关系是非线性的，光照度与光电流之间的关系是线性的。开路电压短路电流开路电压短路电流3.温度特性指开路电压、短路电流与温度变化的关系。温度升高，开路电压降低，短路电流增大。4.频率特性:指输入的调制光频率与输出电流的关系。硅光电池的频率特性较好，频率上限约几万Hz。当调制频率较高时，可选择面积较小的硅光电池和较小的负载电阻，以进一步减小响应时间，改善频率特性。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太阳能硅光电池板第二节光电传感器与光电检测光电传感器组成：被测量一、光电传感器的类型被测量使得光通亮连续变化，输出光电流也连续变化。包含以下四种形式：（一）模拟式光电传感器按照光电元件输出信号的形式可分为模拟式和脉冲式。1、光源本身就是被测物。如：光电比色温度计、光照度计等被测物光电元件光照度计比色式温度传感器2、恒定光源发出的光通量透过被测物，由被测物吸收一部分后到达光电元件上。如：测液体透明度、烟尘浓度等被测物光电元件恒光源3、恒定光源发出的光通量经被测物反射后到达光电元件上。如：测纸张白度、零件表面粗糙度、光电转速表等被测物光电元件恒光源4、恒定光源发出的光通量经过被测物遮挡一部分后照射到光电元件上。如：测元件尺寸、运动状态等被测物光电元件恒光源（二）脉冲式光电传感器光信号断续变化，光电元件输出的也断续变化。只有两种状态。常用于计数或测速。二、光电传感器的常用光源（一）发光二极管：电能光能。（二）钨丝灯泡：发射红光和红外光。（三）激光：集中三、光电转换电路1.光敏电阻测量电路2.光敏晶体管测量电路3.光电池测量电路4.使用运算放大器的光敏元件测量电路。光敏电阻测量电路光敏晶体管测量电路光线增强电阻减小基极电压输出电压感光感温不感光感温输出与光通亮成比例光线增强电压变小光电池测量电路光线增强电压变大光线增强电压变大光线增强电压变大使用运算放大器的光敏元件测量电路光线增强PN导通负电压输入光线增强短路电流增大光线强弱影响放大倍数IFRIU20二、光电检测实例（一）WDS型光电比色高温计：通过辐射体在两个不同波长上的辐射能量之比，测定辐射体的温度。非接触式，测温范围：800—2000℃。辐射体物镜瞄准反射镜光导棒不可见光可见光光阑分光镜比例计算人工观测反射镜目镜棱镜变送器记录仪光电比色温度计电路原理框图硅光电池1RfRf运算电路显示器I1I2U1U2硅光电池2而I1正比于Iλ1所以U1正比于Iλ1fRIU11－TKeKIIUU/121212（二）光电比色计用于溶液的颜色、成分、浑浊度等化学分析。标准样品受检样品光源凸透镜凸透镜滤色滤色光电池光电池差值差动放大器显示仪表光电式烟尘浓度检测动画演示（三）光电式带材测厚跑偏检测仪检测带材加工过程中偏离正确位置的情况。不反射带材光源凸透镜凸透镜反射镜半透膜反射镜光敏三极管正确位置电桥平衡U0=0左或右偏UO都会改变。电桥（四）光电式转速仪1）反射式光电转速仪电信号光信号凸透镜半透膜片聚焦透镜凸透镜光源测量电路计数器不反光位置电桥平衡U0=0反光位置输出电脉冲。光电式转速测量动画演示2）直射式光电转速仪测量电路计数器光信号电信号凸透镜指示透镜光源旋转盘不透光位置电桥平衡U0=0透光位置输出电脉冲。（五）光电检测的其他应用举例布料宽度检测、有无检测两台行车的安全距离检测空箱检测及推出处理长距传送的金属板检测光纤1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。人们曾经发现，光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输；人们还发现，光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。1880-AlexandraGrahamBell发明光束通话传输1960-电射及光纤之发明1966-华裔科学家“光纤之父”高锟预言光纤将用于通信。1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。1977-首次实际安装电话光纤网路1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国光纤之父”1990-区域网路及其他短距离传输应用之光纤2000-到屋边光纤=到桌边光纤2005FTTH(FiberToTheHome)光纤直接到家庭第三节光导纤维传感器一、光纤传感器工作原理（利用光的完全内反射原理）象电路传输电信号一样，光导纤维可以传输光信号。主要应用于通讯领域。使用光导纤维的传感器被称为光纤传感器。光纤传感器传光型：作为光学通路传输光信号。功能型：被测信号光纤及传输特性变化。包层2.光导纤维低折射率高折射率1.光源3.光探测器光纤传感器的优点:1)性能好、耐腐蚀、不受电磁干扰，环境适应性强。2）检测灵敏度高、精度高，便于利用光通信电路进行远距离测量。3）光纤细、可挠曲，可以进入设备内部或人体内脏进行测量。二、光纤传感器的应用1.光纤位移传感器(传光型)光源接受光缆发射光缆输出特性感光元件距离决定反射光强度2.光纤压力传感器(功能型)光纤微量弯曲时传输光的强度衰减，被称为微弯损耗效应。激光光探测器光源固定板活动板压力光纤光纤