第八章光电式传感器

传感器与检测技术董春利主编潘洪坤执笔大连职业技术学院电气电子工程系2008年3月全国高等职业教育规划教材省级精品课程配套教材第八章光电式传感器技术8.1光电效应与光电传感器8.2光纤传感器8.3激光传感器8.4激光传感器8.5图像传感器光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。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。光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可靠性，因此在自动检测、计算机和控制系统中，应用非常广泛光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。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。被测量的变化引起的光信号的变化可以是光源的变化、也可以是光学通路的变化、或者是光电元件的变化。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。第一节光电效应与光电传感器一、光电效应1．光电效应原理根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运动的“粒子流”，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为：E=h·υ对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看做是一连串能量为hγ的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，我们把这种物体材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。υ—光波频率；h—普朗克常数，h＝6.63*10-34J/Hz2．光电效应的分类通常把光电效应分为三类：外光电效应：光照射于某一物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射。逸出来的电子称为光电子。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管。内光电效应：光照射于某一物体上，使其导电能力发生变化，这种现象称为内光电效应，也称光电导效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，即阻挡层光电效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。3．光电效应的特性光照特性：当光电元件上加上一定电压时，光电流I与光电元件上光照度E之间的对应关系光谱特性：光敏元件上加上一定的电压，这时如有一单色光照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光电流会随入射光波长的不同而变化。伏安特性：在一定照度下，光电流I与光敏元件两端电压V的对应关系，称为伏安特性。伏安特性可以帮助我们确定光敏元件的负载电阻，设计应用电路。频率特性：在相同的电压和同样幅值的光照下，当入射光以不同频率的正弦频率调制时，光敏元件输出的光电流I和灵敏度S会随调制频率f而变化，称为频率特性。温度特性：光电元件的温度特性是指其输出与温度的关系。部分光电元件输出受温度影响较大，应采取相应措施进行温度补偿。响应时间：不同光敏器件的响应时间有所不同。光敏电阻较慢，约为（10-1~10-3）s，一般不能用于要求快速响应的场合。工业用的硅光敏二极管的响应时间为（10-5~10-7）s左右，光敏三极管的响应时间比二极管约慢一个数量级，在要求快速响应或入射光、调制光频率较高时应选用硅光敏二极管。二、光电元件1．光电管和光电倍增管（a）光电管结构外形（b）光电管工作电路（1）光电管1）光电管的结构(如图)2）光电管的原理光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，在入射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。电流和电阻R0上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。即：UL=F（Φ）3）光电管的性质适用于不同的光谱范围同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。（2）光电倍增管光电倍增管结构光电倍增管基本电路光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。多用于微光测量。（3）光电管的特性1）暗电流光电管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。暗电流的存在决定了光电管可测量光信号的最小值。所以要求其暗电流小并且稳定。2）光谱响应特征在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电管的绝对光谱响应率，表示为：3）光电管的伏安特性在一定照度下，光电流与光电管两端电压的对应关系，称为伏安特性。)()()(PIS2．光敏电阻光敏电阻是采用半导体材料制做，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。（1）工作原理光敏电阻没有极性，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。敏度高光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。（2）光敏电阻的结构光敏电阻的原理结构图光敏电阻内部构造图1.玻璃；2.光电导层；3.电极；4.绝缘衬底5.金属壳；6.黑色绝缘玻璃；7.引线（3）光敏电阻的主要参数暗电阻和暗电流：光敏电阻在室温和全暗条条件下，经过一定时间测得的稳定电阻值，称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流，称为暗电流。亮电阻和亮电流：光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值，称为该光照下的亮电阻，或亮阻。此时流过的电流，称为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差，称为光电流。显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏度就高。（4）光敏电阻的基本特性1）伏安特性（I-U曲线）可见：在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积及散热条件等因素有关。电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关，而与电压、电流无关。2）光照特性（光电特性）3）光谱特性光敏电阻的光电特性呈非线性。因此不适宜做连续量的检测元件光敏电阻的光电特性图光敏电阻的光谱特性4)光敏电阻的频率特性光电导的弛豫现象:光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，光敏电阻有时延特性光敏电阻的响应时间特性光敏电阻的频率特性5）温度特性①温度特性曲线：温度变化影响光敏电阻的光谱响应的特性。②温度系数：③温度对光谱特性影响：随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。)%(100)(121212CRTTRR硫化镉光敏电阻的温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性3.光敏二极管和光敏晶体管（1）光敏二极管（2）光敏晶体管（3）基本特性1）光谱特性２）伏安特性3）光照特性4）温度特性5）频率响应（1）光敏二极管定义：是一种利用PN结单向导电性的结型光电器件。结构：原理：不受光照射时，处于截止状态，受光照射时，处于导通状态。光敏二极管的结构与原理电路（2）光敏晶体管结构：一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。原理：光照射在集电结上时，形成光电流，相当于三极管的基极电流。因而集电极电流是光生电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。光敏晶体管的结构与原理电路（3）基本特性1）光谱特性应用：光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测时，锗管较为适宜。２）伏安特性结论：光敏晶体管的光电流比相同管型二极管大上百倍。3）光照特性4）温度特性结论：光敏二极管的光照特性曲线的线性较好。结论：在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。5）频率响应具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流（或负载上的电压）随频率的变化关系。硅光敏晶体管的频率响应4．光电池（1）工作原理能量转换关系：光能转换为电能，电路中有了这种器件就不需要外加电源。原理：种类：有硅、砷化镓、硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能耐高温辐射、价格便宜等。左：光电池工作原理图（2）基本特性1）光谱特性2）光照特性3）频率特性：指输出电流随调制光频率变化的关系。用于高速计数的光电转换。4）温度特性:作为测量器件应用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。5）稳定性:硅光电池的性能比硒光电池更稳定。光谱特性曲线三、光电传感器1．光电传感器的组成2．光电传感器的应用形式按其输出量性质可分为：模拟输出型光电传感器和数字输出型光电传感器两大类。光电传感器的测量形式1一被测量；2一光电元件；3一恒光源光电式传感器的测量应用可分为以下四基本种形式。3．光电转换电路（1）光敏电阻测量电路（2）光敏二极管测量电路a光敏二极管测量电路b光敏三极管测量电路U+UU0U0RV光敏电阻测量电路光敏晶体管测量电路（3）光电池测量电路（4）光电元件集成运放电路+-RF-UU0+-RFU0R=RFa)硅光敏二极管放大电路b)硅光电池放大电路使用运放的光敏元件放大电路a)b)UU0RUU0RUU0c)四、光电传感器的应用1．光电式带材跑偏检测器带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。R3R1R4-+R5R2+VccUo-Vee光源被测带材9090亮暗光敏电阻透镜2透镜1带材跑偏检测器工作原理测量电路2．烟尘源监测系统烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的。光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。白炽平行光源烟筒光检测放大显示刻度校对报警器吸收式烟尘浊度监测系统组成框图3．包装充填物高度检测光电信号放大整形放大执行机构h光电开光利用光电检测技术控制充填高度五、光电耦合器件1．光电耦合器（1）耦合器的组合形式（2）耦合器的结构形式（3）耦合器常见的特性对于光电耦合器的特性，应注意以下各项参数。1）电流传输比2）输入输出间的绝缘电阻3）输入输出间的耐压4）输入输出间的寄生电容5）最高工作频率6）脉冲上升时间和下降时间2．光电开关（1）典型的光电开关结构（2）光电开关的应用第二节光纤传感器光纤传感器FOS（FiberOpticalSensor)用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。与传统的各类传感器相比其优点：不受电磁干扰，体积小，重量轻，可挠曲，灵敏度高，耐腐蚀，传输频带宽，绝缘性能好，耐水抗腐蚀性好，防爆性好，易与微机连接，便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、流量、振动、电压、电流、磁场、核辐射、声和PH值等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前景。一、光纤的结构和传输原理1．光纤的结构多层介质结构：1）纤芯：石英玻璃，直径5～75μm，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素；2）包层：直径100～200μm，折射率略低于纤芯；3）涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光；4）护套：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。2．光纤的传输原理由于纤芯与包层的折射率不等（即n1n2），光线的一部分光被反射（反射角为θk），成为反射光回到纤芯K’；另一部分光被折射（折射角为θr）成为折射光K。θiarcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；θiarcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。θk大，故而将无损地通过光纤纤芯传播。直到端面。3．光纤的主要参数（1）数值孔径：将θi的正弦定义为光纤的数值孔径（NA），决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值，反映了光纤的集光能力（2）光纤模式：就是光波沿光纤传输的途径和方式。希望模式数量越少越好，尽可能在单模方式下工作，即单模光纤。（3）传播损耗：4．光纤的主要类型按折射率变化分按传输模式多少分阶跃型光纤渐变型光纤单模光纤多模光纤二、光纤传