第7章 光電式與光纖傳感器

1、第7章 光電式傳感器光電式傳感器（Photoelectric Sensor）：以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，將光信號（光量的變化）轉(zhuǎn)換為電信號（電量的變化）的一種傳感器。7.1 光電效應(yīng)（Photoelectric Effect, Photoeffect）愛因斯坦光子學說：光是由一連串具有一定能量的粒子組成，其能量大小等于。普朗克常數(shù)光的頻率（）不同頻率的光具有不同的能量，光的頻率越高，其光子能量越大。光照射到物體表面后產(chǎn)生光電效應(yīng)，分為兩類：1. 外光電效應(yīng)（光電發(fā)射 Photoeletric Emission）在光線作用下，能使物體內(nèi)的電子逸出物體表面的現(xiàn)象?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件（光敏元件）：光電

2、管、光電倍增管根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程： （能量守恒定律）A0 某物體的電子的逸出功V電子的逸出速度。結(jié)論:（1）當光子能量，即時，才有光電子逸出物體表面，產(chǎn)生外光電效應(yīng)。當，即（紅限頻率）時，光電子的。當時，不論光強度有多大，都不會使物體發(fā)射出光電子，不會產(chǎn)生外光電效應(yīng)。（2）光電子的初動能取決于光的頻率，。2. 內(nèi)光電效應(yīng)（Inner Photoeffect）（1）光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，某些物體（本征半導(dǎo)體）內(nèi)部的原子釋放電子，這些電子并不逸出物體表面，但使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的效應(yīng)被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件：光敏電阻為實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須滿足即：入射光的波長

3、必須（波長限）（2）光生伏特效應(yīng) 在光線作用下，物體（半導(dǎo)體）內(nèi)部的原子釋放電子，這些電子并不逸出物體表面，但使物體產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)被稱為光生伏特效應(yīng)。 基于光生伏特效應(yīng)的光電器件：光電池、光敏二極管、光敏三極管7.2 外光電效應(yīng)的光電器件1. 光電管（真空） 2. 光電倍增管陽極電流I為：i光電陰極的光電流；各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)；n光電倍增管極數(shù)。 光電倍增管的電流放大倍數(shù)為7.3 內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件1. 光敏電阻（光電導(dǎo)管Photoconductor, Photoconductive Tube）（1）工作原理基于光電導(dǎo)效應(yīng)。無光照時，RG很大，I很??；有光照時，RG急劇減小，

4、I迅速增大。（2）光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性 暗電阻、亮電阻、光電流暗電阻在未受到光（某種波長）照射時的阻值稱為暗電阻，流過的電流為暗電流。亮電阻在受到光（某種波長）照射時的阻值稱為亮電阻，流過的電流為亮電流。光電流=亮電流暗電流暗電阻越大，亮電阻越小，則光敏電阻的性能越好。即暗電流要小，亮電流要大。一般，暗電阻>1M, 亮電阻<(110)K。 光敏電阻的伏安特性 光敏電阻的光照特性光敏電阻的伏安特性光敏電阻的光照特性 光敏電阻的光譜特性可見光區(qū)域 紅外區(qū)域 光敏電阻的響應(yīng)時間和頻率特性 光電流的變化相對于光的變化，存在滯后，這是光電導(dǎo)的“弛豫現(xiàn)象”。 光敏電阻的溫度特性隨著溫度

5、的升高，它的暗電阻和靈敏度都下降。2. 光電池（Photocell） 在光線照射下，直接能將光能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿莸墓怆娫妷涸矗?yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是：硅光電池、硒光電池（1）光電池的結(jié)構(gòu)原理（基于光生伏特效應(yīng)） （2）光電池的主要特性（P140） 光電池的光譜特性 光電池的光照特性 光電池的頻率特性 光電池的溫度特性3. 光敏二極管和光敏三極管（1）光敏二極管無光照時，光敏二極管反向電阻很大，反向飽和漏電流（暗電流）很小，處于截止狀態(tài)；受光照時，產(chǎn)生光電流，光的照度越大，光電流越大，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。（2）光敏三極管 1）工作原理 無光照時，集電極反偏，反向飽和漏電流很??； 有

6、光照時，在PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對，在PN結(jié)內(nèi)電場作用下，做定向運動，形成光電流（相當于基極電流），輸出電流2）基本特性 （P143） 光敏三極管的光譜特性 光敏三極管的伏安特性 光敏三極管的光照特性 光敏三極管的溫度特性 光敏三極管的頻率特性7.4 光電耦合器件 光電耦合器件=發(fā)光元件+光電接收元件發(fā)光二極管 光敏電阻、光敏二（三）極管 1. 光電耦合器實現(xiàn)電隔離，具有抗干擾性能和單向信號傳輸功能。廣泛應(yīng)用于電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點開關(guān)及固態(tài)繼電器等。 2. 光電開關(guān) 檢測有無物體。廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置。7.5 光導(dǎo)纖維（光纖 O

7、ptical fiber）傳感器光纖：20世紀70年代的重要發(fā)明光纖傳感器：始于1977年光纖傳感器 光纖 光纖通信技術(shù) 與傳統(tǒng)的以電為基礎(chǔ)的傳感器相比有本質(zhì)的區(qū)別：1 光纖傳感器用光而不是用電來作為敏感信息的載體；2 光纖傳感器用光纖而不是用導(dǎo)線來作為傳遞敏感信息的媒介光纖傳感器的特點：1 電絕緣，特別適用于高壓供電系統(tǒng)及大容量電機的測試。2 抗電磁干擾，特別適用于高壓大電流、強磁場噪聲、強輻射等惡劣環(huán)境。3 高靈敏度。4 容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。7.5.1 光纖結(jié)構(gòu)光纜由多根光纖組成，主要用于光纖通信。7.5.2 斯乃爾定理（Snells Law） 根據(jù)幾何光學理論，當光由光密物質(zhì)

8、（折射率n1大）射至光疏物質(zhì)（折射率n2小），即n1>n2時，一部分入射光折射入光疏物質(zhì)，其余部分反射回光密物質(zhì)。 斯乃爾定理： （ 因為 ，所以 ）始終： 臨界狀態(tài)： 臨界角： 當時，發(fā)生全反射7.5.3 光纖的傳（導(dǎo)）光原理根據(jù)斯乃爾定理 （1） （2） （空氣）由（1）得：由（2）得：臨界狀態(tài)：實現(xiàn)全反射的臨界角： （數(shù)值孔徑）結(jié)論：1 纖芯和包層介質(zhì)的折射率差值越大，數(shù)值孔徑就越大，光纖的集光能力越強。 數(shù)值孔徑反映了光纖的集光能力。2當時，光線會透入包層而消失。3當時，光線在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射而向前傳播，光在光纖內(nèi)經(jīng)過無數(shù)次的全反射，就從光纖的一端以光速傳播到另

9、一端，這就是光纖傳光的基本原理。7.5.4 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類1. 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理傳統(tǒng)傳感器：以機電測量為基礎(chǔ)，把測量的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。導(dǎo)線 被測量 電源 敏感元件 信號接收器 信號處理 導(dǎo)線 光纖傳感器：以光學測量為基礎(chǔ)，把測量的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。光纖 被測量 光發(fā)送器 敏感元件 光接收器 信號處理 光纖 光纖傳感器的基本工作原理：光纖 光纖 被測量 調(diào)制光信號 光信號 光調(diào)制器 光探測器 光解調(diào)器 非電量（被測量） 光： 電磁波 波長 光的電矢量E： A 光波的振幅光波的振動頻率光波的相位將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與光相互作用，導(dǎo)致

10、光的光學性質(zhì)（光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的光信號，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。2. 光纖傳感器的分類（1） 非功能型（傳光型）光纖傳感器光纖 被測量 光發(fā)送器 敏感元件 光接收器 信號處理 光纖：僅起傳（導(dǎo)）光作用敏感元件：非光纖型優(yōu)點：容易實現(xiàn)，成本低，占據(jù)了光纖傳感器的絕大多數(shù)。缺點：靈敏度低（2） 功能型（傳感型）光纖傳感器光纖 被測量 光發(fā)送器 光纖敏感元件 光接收器 信號處理 光纖：不僅起傳光作用，而且作為敏感元件敏感元件：光纖型優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高缺點：成本高（因需用特殊的光纖和先進的檢測技術(shù)）7.5.5 光纖傳感器的調(diào)制原理1. 強度調(diào)制利用被測量的因素改變光纖中光的強度，再通過檢測光強的變化來測量外界物理量，稱為強度調(diào)制。2. 波長和頻率調(diào)制利用外界被測量的因素改變光纖中光的波長或頻率，然后，再通過檢測光纖中光的波長或頻率的變化來測量外界物理量，分別稱為波長調(diào)制和頻率調(diào)制。3. 相位調(diào)制利用被測量的因素改變光纖中光波的相位，再通過檢測光波相位變化來測量