光機(jī)電系統(tǒng)及應(yīng)用

1、 光電傳感器 光電器件 光機(jī)電應(yīng)用2022年4月12日 1.光電傳感器簡(jiǎn)介1.1光電傳感器定義 光電式傳感器：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種器件，其物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。用光電器件測(cè)量非電量時(shí)，需要將非電量的變化轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過(guò)光電器件的作用，就可以得到電量的變化。2022年4月12日2022年4月12日光電傳感器外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電管光電倍增管光敏器件光生伏特器件1.2 光電傳感器的分類（根據(jù)對(duì)入射光響應(yīng)原理）2.光電傳感器結(jié)構(gòu)2022年4月12日 系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成 光源光路光電器件信號(hào)調(diào)理電路 測(cè)量原理測(cè)量原理 被測(cè)量光學(xué)量光電器件電量 電流、電壓，或電導(dǎo)率 物理基礎(chǔ)光電效應(yīng)，紅外

2、技術(shù)， 激光干涉原理，激光衍射原理， 激光全息原理2022年4月12日19時(shí)14分53.光電器件 作用作用:將光信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 光信息:光強(qiáng)度、光相位、光頻率 電信號(hào):電流、電壓、電阻 分類分類： 熱輻射探測(cè)器 光子探測(cè)器2022年4月12日19時(shí)14分6 3.1 熱輻射探測(cè)器 熱輻射探測(cè)原理 任何物質(zhì)溫度大于 0 K 都會(huì)輻射紅外線； 紅外線可以被物質(zhì)吸收，使其溫度升高. 光照射到溫度傳感器傳感器溫度升高電信號(hào). 分類： 測(cè)輻射熱電偶 測(cè)輻射熱敏電阻 熱釋電探測(cè)器2022年4月12日19時(shí)14分73.2 光子探測(cè)器 物理基礎(chǔ)：光電效應(yīng) 光具有波粒二象性：粒子說(shuō)、波動(dòng)說(shuō) 光子具有一定的能量

3、布朗克常數(shù) ， f :光的頻率 原理： 光照射在物體上，光子的能量傳遞給電子，電子獲得能量動(dòng)能增加，擺脫內(nèi)部力的束縛，成為自由電子。 光能電能346.626 10hJ sEhf2022年4月12日19時(shí)14分8 特點(diǎn)： 光子探測(cè)器響應(yīng)速度快，可以達(dá)到ns級(jí)； 對(duì)紅外光的波長(zhǎng)具有選擇性； 入射光的頻率必須大于材料的“紅限”； 光子探測(cè)器工作環(huán)境要求較嚴(yán)格 類型： 光電發(fā)射型(光電管、光電倍增管) 光電導(dǎo)型(光敏電阻) 光電結(jié)型(光敏二極管、光敏晶體管) 光生伏特型(光電池)2022年4月12日19時(shí)14分9 光電管 結(jié)構(gòu)：光電陰極陽(yáng)極真空玻璃罩 光電材料：銀氧銫銻銫鎂化鎘 原理： 無(wú)光照時(shí)，陰極

4、與陽(yáng)極短路，回路無(wú)電流； 光打在陰極上，陰極電子獲得能量逸出材料表面外(光電子); 在外加電場(chǎng)作用下，光電子被陽(yáng)極吸收，陰陽(yáng)極間形成電子流; 回路中產(chǎn)生電流(光電流)與光得強(qiáng)度成正比. 外光電效應(yīng)的條件“紅限”光光光電光電陰極陰極陽(yáng)極陽(yáng)極 (1) 光電發(fā)射型0/fAh200/2EhfAmvI2022年4月12日19時(shí)14分10 (2) 光電導(dǎo)型(光敏電阻、光導(dǎo)管) 半導(dǎo)體材料在光的作用下，電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng) 結(jié)構(gòu)與原理mAIn無(wú)光照時(shí)無(wú)光照時(shí),半導(dǎo)體材料載流子半導(dǎo)體材料載流子極少極少,電阻很高電阻很高(暗電阻暗電阻), 電電路中無(wú)電流流過(guò)；路中無(wú)電流流過(guò)；n有光照時(shí)有光照時(shí),半導(dǎo)

5、體中載流子劇半導(dǎo)體中載流子劇增增,電阻極劇下降電阻極劇下降(亮電阻亮電阻),電路中有對(duì)應(yīng)的電流產(chǎn)生電路中有對(duì)應(yīng)的電流產(chǎn)生.暗電阻暗電阻:10100M亮電阻亮電阻:10k 材料：材料：硫化鎘、硫化鉈、硫化鉛硫化鎘、硫化鉈、硫化鉛2022年4月12日19時(shí)14分11 光電特性 電源電壓不變時(shí)，電流I與光通量的關(guān)系，可做測(cè)光元件或光控開(kāi)關(guān). 伏安特性 光通量不變時(shí)，電流I 與電壓關(guān)系(線性) 在允許功率下，光敏電阻是良好線性器件. 光譜特性 光通量和電壓不變時(shí)，電流與入射光波長(zhǎng)成一定關(guān)系. 對(duì)波的波長(zhǎng)具有選擇性. 可探測(cè)波長(zhǎng)比其他光子探測(cè)器寬得多.2022年4月12日19時(shí)14分12EuA+ -I(

6、3) 光電結(jié)型 (光敏二級(jí)管、光敏三極管) 結(jié)構(gòu)： 與普通二極管和三極管相似， 只是其PN結(jié)具有光敏特性. 原理 光敏二極管的PN結(jié)在電路中反向偏置; 無(wú)光照時(shí),結(jié)內(nèi)僅有極少數(shù)載流子,回路中只有極小的反向飽和漏電流(暗電流10-810-9A),二極管方向截至; 有光照時(shí),結(jié)內(nèi)激發(fā)大量的載流子,反向漏電流顯著增加(亮電流,與光照成正比).PN2022年4月12日19時(shí)14分13 (4) 光生伏特型(光電池) 光生伏特效應(yīng) 某些半導(dǎo)體材料受光照時(shí)在一定方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) 具有光生伏特效應(yīng)的器件被稱為光電池 材料： 硅(紅外)、硒(可見(jiàn)光) 結(jié)構(gòu)： 由N型半導(dǎo)體(或金屬)與P型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)2022

7、年4月12日19時(shí)14分14 硅光電池(太陽(yáng)能電池) N型單晶硅片+P型薄層+電極PN結(jié); N中電子向P中擴(kuò)散， P中空穴向N中擴(kuò)散; 無(wú)光照時(shí)，載流子擴(kuò)散形成阻擋層，阻止P中空穴的進(jìn)一步擴(kuò)散，動(dòng)平衡；N型型SiP型層型層PN結(jié)結(jié)電極電極n有光照時(shí)，有光照時(shí)，PN結(jié)附近結(jié)附近P P型層中激發(fā)出電子空穴對(duì)型層中激發(fā)出電子空穴對(duì)，電子穿過(guò)阻擋，電子穿過(guò)阻擋層，積累在層，積累在N型硅，空穴留在型硅，空穴留在P型層中型層中;n兩電極間電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，直至電場(chǎng)足以抵制電荷的進(jìn)一步漂移；兩電極間電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，直至電場(chǎng)足以抵制電荷的進(jìn)一步漂移；n當(dāng)光強(qiáng)度一定時(shí)，電動(dòng)勢(shì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡當(dāng)光強(qiáng)度一定時(shí)，電動(dòng)勢(shì)達(dá)到動(dòng)態(tài)

8、平衡,相當(dāng)于一個(gè)相當(dāng)于一個(gè)電池電池。2022年4月12日19時(shí)14分154.1.煙塵濁度檢測(cè)儀 光源：400nm700nm 光檢測(cè)器范圍：400600nm圖2-10 吸收式煙塵濁度檢測(cè)儀框圖4.應(yīng)用2022年4月12日19時(shí)14分164.2.生產(chǎn)線上的自動(dòng)計(jì)數(shù)V運(yùn)輸帶 產(chǎn)品圖2-16 產(chǎn)生線上的自動(dòng)計(jì)數(shù) 發(fā)光二極管光電三極管4.3.光學(xué)定位系統(tǒng) 在絲網(wǎng)印刷中，二次定位較為困難。采用光學(xué)系統(tǒng)定位，可以方便快速地實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)定位。主要原理器件：二維PSD位置敏感器2022年4月12日19時(shí)14分2022年4月12日19時(shí)14分18+ -I0I2I1uAuAuAxAPINL4.3.1位置敏感器件PS

9、D簡(jiǎn)介 原理 光線照到P層一點(diǎn)時(shí)，光點(diǎn)附近產(chǎn)生電子空穴對(duì); 在外加電場(chǎng)的作用下，正電荷進(jìn)入P層，負(fù)電荷進(jìn)入N層;n空穴沿空穴沿P區(qū)表面擴(kuò)散，形成兩路電流區(qū)表面擴(kuò)散，形成兩路電流I1和和I2；n由于由于P層電阻率均勻，因此兩電流與其電阻成反比：層電阻率均勻，因此兩電流與其電阻成反比：11202/2,/2AAILxIIIILx2022年4月12日19時(shí)14分19+ -I0I2I1uAuAuAxAPINL 原理：原理：102012(1)212(1)2AAIxILIxIL21211()2AIIxLIIn特性：n光點(diǎn)坐標(biāo)只與電流的比值有關(guān)，與光束強(qiáng)度無(wú)關(guān)光點(diǎn)坐標(biāo)只與電流的比值有關(guān)，與光束強(qiáng)度無(wú)關(guān);n光點(diǎn)坐標(biāo)與光斑的能量中心有關(guān)，與光斑形狀無(wú)關(guān)光點(diǎn)坐標(biāo)與光斑的能量中心有關(guān)，與光斑形狀無(wú)關(guān).兩電流之和與光強(qiáng)度成正比2022年4月12日19時(shí)14分20 4.3.2 二維PSD21211()2yyAyyyIIyLIILy: y方向長(zhǎng)度方向長(zhǎng)度21211()2xxAxxxIIxLIILx: x方向長(zhǎng)度方向長(zhǎng)度xAyAxyPINIx2Ix1Iy2Iy12022年4月12日19時(shí)14分21 4.3.3.位置敏感器件PSD PSD的應(yīng)用的應(yīng)用 可連續(xù)測(cè)量光斑的位置； 坐標(biāo)測(cè)量精度與光斑的形狀無(wú)關(guān)，只與光斑的能量中心有關(guān)