第8章 光電式傳感器

1、第8章 光電式傳感器 8.1 光電器件光電器件 8.2 光纖傳感器光纖傳感器 第第8章光電式傳感器章光電式傳感器第8章 光電式傳感器第第8章章 光電式傳感器光電式傳感器光電傳感器：以光電器件作轉(zhuǎn)換元件的傳感器。工作原理原理：把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(光 通量或光參數(shù))的變化通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。 光電傳感器的組成組成：第8章 光電式傳感器 8.1 光電器件光電器件 光電器件：是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件, 它是 構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。光電器件特點：響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、 使用方便, 有較高 的可靠性, 因此在自動檢測、計算機(jī)和 控制系統(tǒng)中, 應(yīng)用非常廣泛。 光電器件工作的物理

2、基礎(chǔ)：光電效應(yīng)。 光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)光電效應(yīng)第8章 光電式傳感器外光電效應(yīng)：外光電效應(yīng)：在光線作用下, 物體內(nèi)的電子逸出 物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。 向外發(fā)射的電子叫光電子光電子。 如光電管、光電倍增管。 內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下, 物體的導(dǎo)電性能發(fā) 生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)。 如光敏電阻、光電池、光敏二極 管、光敏晶體管。第8章 光電式傳感器1外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 一束光是由一束以光速運(yùn)動的粒子流組成的，這些粒子稱為光子光子。光子具有的能量： E=h (8-1)式中：h普朗克常數(shù)=6.62610-34(Js)； 光的頻率(s-1)。根據(jù)能量守恒定理：02

3、021Amvh(8-2) 式中：m電子質(zhì)量； v0電子逸出速度。A0 逸出功 。式(8-2)為愛因斯坦光電效應(yīng)方程式 第8章 光電式傳感器1外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) （1）光子能量必須超過逸出功，才能產(chǎn)生光電子； （2）入射光的頻譜成分不變，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比； （3）光電子逸出物體表面時具有初始動能，因此對于外光電效應(yīng)器件，即使不加初始陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生，為使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓。第8章 光電式傳感器2內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)(1)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用下，半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加

4、，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。(2)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的光電器件有光電池。光敏二極管、光敏晶體管也是基于內(nèi)光電效應(yīng)。第8章 光電式傳感器一、一、 光敏電阻（光導(dǎo)管）光敏電阻（光導(dǎo)管） 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理 無光照時, 光敏電阻值（暗電阻）很大, 電路中電流（暗電流）很?。划?dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時, 它的阻值（亮電阻）急劇減少, 電路中電流迅速增大。 暗電阻越大越好, 亮電阻越小越好。 光敏電

5、阻是用半導(dǎo)體材料制成的一個純電阻元件，無極性。 第8章 光電式傳感器第8章 光電式傳感器第8章 光電式傳感器光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù)（）暗電阻暗電阻：光敏電阻在不受光時的阻值。 此時流過的電流稱為暗電流暗電流。 （）亮電阻亮電阻：光敏電阻在受光照射時的電阻。 此時流過的電流稱為亮電流。亮電流。（）光電流光電流：亮電流與暗電流之差稱為光電 流。 第8章 光電式傳感器光敏電阻演示光敏電阻演示 當(dāng)光敏電阻當(dāng)光敏電阻受到光照時，受到光照時，光生電子光生電子空空穴對增加，電穴對增加，電阻值減小，電阻值減小，電流增大。流增大。暗電流（越小越好）暗電流（越小越好）第8章 光電式傳感器光敏電阻的基

6、本特性光敏電阻的基本特性（1） 伏安特性伏安特性 光敏電阻的伏安特性：光敏電阻的伏安特性：在一定照度下, 流過光敏電阻的電流I與光敏電阻兩端的電壓U的關(guān)系 。 I = F（U）第8章 光電式傳感器（2）光照特性光照特性 當(dāng)光敏元件加上一定電壓時，光電流I與光敏元件上光照度E之間的對應(yīng)關(guān)系稱為光照特性光照特性。一般可表示為： I = F（E）第8章 光電式傳感器（3） 光譜特性光譜特性 光電流（或相對靈敏度）與入射波長的對應(yīng)關(guān)系I = F（）稱為光譜特性。光譜特性。(光譜響應(yīng)光譜響應(yīng))第8章 光電式傳感器（4）頻率特性）頻率特性 光敏元件輸出的光電流(或相對靈敏度)隨頻率變化的關(guān)系。I = F1

7、(f) 或S = F1(f) I光電流S靈敏度F調(diào)制頻率 第8章 光電式傳感器（5） 溫度特性溫度特性 環(huán)境溫度改變后，光敏元件的光學(xué)性質(zhì)也將隨之變化，這種現(xiàn)象稱為光敏元件的溫度特性溫度特性。第8章 光電式傳感器4光敏電阻特點：光敏電阻特點：優(yōu)點：光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度 高、使用壽命長、體積小等。所以應(yīng)用 廣泛。缺點：型號相同的光敏電阻參數(shù)參差不齊，并 且由于光照特性的非線性，不適宜于測 量要求線性的場合，常用作開關(guān)式光電 信號的傳感元件。第8章 光電式傳感器第8章 光電式傳感器二、二、 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理（1）光敏二極管 結(jié)構(gòu):與一般

8、二極管相似第8章 光電式傳感器 將光敏二極管的將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的敏二極管的PN結(jié)時，電子結(jié)時，電子-空穴對數(shù)空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。量增加，光電流與照度成正比。 第8章 光電式傳感器光敏二極管光敏二極管外形外形 光敏二極管陣列光敏二極管陣列 包含包含1024個元件的線性光個元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。電二極管陣列，可用于分光鏡。第8章 光電式傳感器（2）光敏三極管）光敏三極管第8章 光電式傳感器光敏三極管外形光敏三極管外形第8章 光電式傳感器基本特性基本特性 （）（） 光譜特性光譜

9、特性 第8章 光電式傳感器（）伏安特性（）伏安特性 第8章 光電式傳感器（3）頻率特性）頻率特性 光敏管的頻率特性是指光敏管輸出的光電流(或相對靈敏度)隨頻率變化的關(guān)系。 第8章 光電式傳感器(4)溫度特性溫度特性 光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。第8章 光電式傳感器第8章 光電式傳感器第8章 光電式傳感器三、光電池三、光電池1結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理光電池光電池:一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。基于光生伏特效應(yīng)。 連接內(nèi)光電效應(yīng)連接光電效應(yīng)第8章 光電式傳感器 光電池光電池外形外形光敏面光敏面第8章 光電式傳感器能提供較大電流的大能提供較大電流的大面積光電池面積光電池外形

10、外形第8章 光電式傳感器光電池在動力方面的應(yīng)用光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能賽車太陽能電動機(jī)模型太陽能電動機(jī)模型太陽能太陽能 硅光電池板硅光電池板第8章 光電式傳感器2基本特性基本特性 （） 光譜特性光譜特性 光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。 （） 光照特性光照特性 光電池在不同光照度下, 光電流和光生電動勢是不同的, 它們之間的關(guān)系就是光照特性。 第8章 光電式傳感器(3)頻率特性頻率特性 第8章 光電式傳感器（4） 溫度特性溫度特性 光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。 第8章 光電式傳感器第8章 光電式傳感器四、四、 光電耦合器件光電耦合器件定

11、義:光電耦合器件光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極 管）和光電接收元件合并使用, 以光作為媒 介傳遞信號的光電器件。 用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器類型: 用于檢測有無物體的光電開關(guān) 第8章 光電式傳感器1光電耦合器光電耦合器(1)組成組成 輸出端之間的電的耦合。電光、光電兩次轉(zhuǎn)換，進(jìn)行輸入端和第8章 光電式傳感器優(yōu)點優(yōu)點：輸出和輸入進(jìn)行電氣隔離，輸入和輸出 沒有反饋。具有獨(dú)立選擇輸入阻抗和輸 出阻抗，抗干擾能力 強(qiáng)。應(yīng)用場合應(yīng)用場合：電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、 無觸點開關(guān)及固態(tài)繼電器等場合。 第8章 光電式傳感器2. 光電開關(guān)光電開關(guān)定義定義：是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收,并

12、進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換, 同時加以某種形式的放大和控制, 從而獲得最終的控制輸出“開“、“關(guān)”信號的器件。 透射式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 反射式第8章 光電式傳感器特點：特點：小型、高速、非接觸, 而且與TTL、 MOS等電路 容易結(jié)合。應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：在工業(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。用途：用作物體檢測，產(chǎn)品計數(shù), 料位檢測，尺寸控 制，安全報警及計算機(jī)輸入接口等。第8章 光電式傳感器五五、電荷耦合器件、電荷耦合器件（Charge Couple Device, 簡稱CCD） 功能功能：進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)換、存儲、轉(zhuǎn)移并讀出信號電荷。應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍：應(yīng)用于航天、遙感、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、天文、通 訊

13、等領(lǐng)域信息存儲及信息處理方面，尤其適 用于圖像識別技術(shù)。1CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理的結(jié)構(gòu)及工作原理是一種是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路光電器件。以電荷為信號，具有光電信號轉(zhuǎn)換、存儲、移位并讀出信號電荷的功能。1970年問世。第8章 光電式傳感器第8章 光電式傳感器CCD的應(yīng)用（的應(yīng)用（CCD固態(tài)圖像傳感器）固態(tài)圖像傳感器） 電荷耦合器件用于固態(tài)圖像傳感器中, 作為攝像或像敏的器件。 組成組成：由感光部分和移位寄存器組成。感光部分感光部分 在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干光敏單元組成的陣列元件, 光敏單元簡稱“像素”。移位寄存器移位寄存器在電荷耦合中擔(dān)任電荷耦合傳輸 的單元。原理原理：

14、利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光 敏單元上的光學(xué)圖像電信號“圖像”, 利用移位寄存器的移位功能將電信號“圖像”傳送輸出放大器輸出。 第8章 光電式傳感器 單行結(jié)構(gòu) 線型CCD圖像傳感器 雙行結(jié)構(gòu)類型類型： 線轉(zhuǎn)移 面型CCD圖像傳感器 幀轉(zhuǎn)移 隔列轉(zhuǎn)移 線型CCD圖像傳感器主要用于測試、 傳真和光學(xué)文字識別技術(shù)等方面。 面型CCD圖像傳感器主要用于攝像機(jī)及測試技術(shù)。第8章 光電式傳感器六、光電傳感器的一般形式及應(yīng)用六、光電傳感器的一般形式及應(yīng)用1光電傳感器的一般形式光電傳感器的一般形式 分為模擬式和脈沖式兩大類（1）模擬式）模擬式第8章 光電式傳感器第8章 光電式傳感器第8章 光電式傳感器

15、第8章 光電式傳感器（2）脈沖式）脈沖式第8章 光電式傳感器2光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的應(yīng)用（1）火焰探測報警器）火焰探測報警器第8章 光電式傳感器（2）光電式緯線探測器）光電式緯線探測器第8章 光電式傳感器（3）燃?xì)鉄崴髦忻}沖點火控制器）燃?xì)鉄崴髦忻}沖點火控制器第8章 光電式傳感器（4）CCD圖像傳感器應(yīng)用圖像傳感器應(yīng)用根據(jù)幾何光學(xué)原理，推導(dǎo)被測物體尺寸計算公式，MnpD 式中：n覆蓋的光敏像素數(shù)； p像素間距； M倍率。第8章 光電式傳感器（5）光電轉(zhuǎn)速傳感器）光電轉(zhuǎn)速傳感器 n = f / N 式中：n轉(zhuǎn)速；f脈沖頻率；N圓盤開孔數(shù)。 第8章 光電式傳感器第8章 光電式傳感器8.2

16、 光光 纖纖 傳傳 感感 器器一、一、 概述概述光纖傳感器的優(yōu)點光纖傳感器的優(yōu)點：靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、 可撓曲、體積小、重量輕、電絕緣 性好，以及與光纖傳輸線路相容、 便于與計算機(jī)連接等。用途：用途：測量壓力、應(yīng)變、位移、速度、流量、溫度、 加速度、PH值等。 第8章 光電式傳感器二、二、 光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理1. 光纖結(jié)構(gòu) （1）光纖即光導(dǎo)纖維 （2）由纖芯、包層和保護(hù)層（外套）組成。纖芯和包層通常由不同摻雜的石英玻璃組成；保護(hù)層多為尼龍材料以增加機(jī)械強(qiáng)度。第8章 光電式傳感器各種裝飾性光導(dǎo)纖維各種裝飾性光導(dǎo)纖維 第8章 光電式傳感器 發(fā)光二極發(fā)光二極管產(chǎn)生多管

17、產(chǎn)生多種顏色的種顏色的光線，通光線，通過光導(dǎo)纖過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到維傳導(dǎo)到東方明珠東方明珠球體的表球體的表面。在計面。在計算機(jī)控制算機(jī)控制下，可產(chǎn)下，可產(chǎn)生動態(tài)圖生動態(tài)圖案。案。上海東方明珠上海東方明珠第8章 光電式傳感器光纖傳感器外形光纖傳感器外形第8章 光電式傳感器2.光纖傳光原理光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射第8章 光電式傳感器第8章 光電式傳感器三、光纖基本特性三、光纖基本特性1數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NA） 說明光纖集光本領(lǐng)的術(shù)語叫數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA,定義為NA = sinc= 數(shù)值孔徑意義意義: 無論光源發(fā)射功率有多大, 只有 入射角處于2c的光錐內(nèi), 光纖才 能導(dǎo)光。 )(122210n

18、nn第8章 光電式傳感器2光纖模式光纖模式光纖模式：就是光波沿光纖傳輸?shù)耐緩酵緩胶头绞椒绞健?單模光纖單模光纖光纖按傳輸模式多少分為 多模光纖多模光纖單模光纖：單模光纖：通常指階躍光纖中內(nèi)芯尺寸很小，因 而光纖傳輸?shù)哪Ｊ胶苌伲瓌t上只能 傳一種模式的光。多模光纖多模光纖：指階躍型光纖中，內(nèi)芯尺寸較大，因 而傳輸模式很多的光纖。 第8章 光電式傳感器3光纖傳輸損耗光纖傳輸損耗 光纖傳輸損耗主要來源：光纖傳輸損耗主要來源：材料吸收損耗、散射損 耗及光波導(dǎo)彎曲損耗。 （1）在光纖材料中，由于存在雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會吸收光，從而造成材料吸收損耗。 （2）散射損耗主要是由于材料密度及濃度不均勻引起

19、的，這種散射與波長的四次方成反比。 （3）光波導(dǎo)彎曲損耗是使用過程中可能產(chǎn)生的一種損耗。光波導(dǎo)彎曲會引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進(jìn)入包層產(chǎn)生損耗。第8章 光電式傳感器四、光纖傳感器四、光纖傳感器1光纖傳感器的工作原理和組成光纖傳感器的工作原理和組成原理：原理：研究光被外界參數(shù)的調(diào)治原理。光調(diào)制就 是把某一被測信息加載到傳輸光波上。這 種承載了被測量信息的調(diào)制光再經(jīng)光探測 系統(tǒng)解調(diào)，便可獲得所需檢測的信息。 功能型功能型傳感器(Functional Fiber, FF)分類分類 非功能型非功能型傳感器(Non Functional Fiber,NFF)第8章 光電式傳感器功能型傳感器功能型傳感器：是利用光纖本身的特性(如光纖 的折射率、傳輸光的強(qiáng)度等)隨 被測量而發(fā)生變化來實