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：以光電器件作轉換元件的傳感器。工作原理原理：把被測量的變化轉換成光信號(光 通量或光參數)的變化通過光電轉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：是將光能轉換為電能的一種傳感器件, 它是 構成光電式傳感器最主要的部件。光電器件特點：響應快、結構簡單、 使用方便, 有較高 的可靠性, 因此在自動檢測、計算機和 控制系統(tǒng)中, 應用非常廣泛。 光電器件工作的物理

2、基礎：光電效應。 光生伏特效應光電導效應內光電效應外光電效應光電效應第8章 光電式傳感器外光電效應：外光電效應：在光線作用下, 物體內的電子逸出 物體表面向外發(fā)射的現象。 向外發(fā)射的電子叫光電子光電子。 如光電管、光電倍增管。 內光電效應：內光電效應：在光線作用下, 物體的導電性能發(fā) 生變化或產生光生電動勢的效應。 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外光電效應外光電效應 一束光是由一束以光速運動的粒子流組成的，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=6.62610-34(Js)； 光的頻率(s-1)。根據能量守恒定理：02

3、021Amvh(8-2) 式中：m電子質量； v0電子逸出速度。A0 逸出功 。式(8-2)為愛因斯坦光電效應方程式 第8章 光電式傳感器1外光電效應外光電效應 （1）光子能量必須超過逸出功，才能產生光電子； （2）入射光的頻譜成分不變，產生的光電子與光強成正比； （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器件，即使不加初始陽極電壓，也會有光電流產生，為使光電流為零，必須加負的截止電壓。第8章 光電式傳感器2內光電效應內光電效應(1)光電導效應光電導效應 在光線作用下，半導體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加

4、，半導體的導電性能增加，阻值減低，這種現象稱為光電導效應。 光敏電阻就是基于這種效應的光電器件。(2)光生伏特效應光生伏特效應 在光線的作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象稱為光生伏特效應。光生伏特效應。 基于該效應的光電器件有光電池。光敏二極管、光敏晶體管也是基于內光電效應。第8章 光電式傳感器一、一、 光敏電阻（光導管）光敏電阻（光導管） 光敏電阻的結構與工作原理光敏電阻的結構與工作原理 無光照時, 光敏電阻值（暗電阻）很大, 電路中電流（暗電流）很?。划敼饷綦娮枋艿揭欢úㄩL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光敏電阻的主要參數（）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 當光敏電阻當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的關系 。 I = F（U）第8章 光電式傳感器（2）光照特性光照特性 當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之間的對應關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）與入射波長的對應關系I = F（）稱為光譜特性。光譜特性。(光譜響應光譜響應)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)隨頻率變化的關系。I = F1

7、(f) 或S = F1(f) I光電流S靈敏度F調制頻率 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，光敏元件的光學性質也將隨之變化，這種現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。所以應用 廣泛。缺點：型號相同的光敏電阻參數參差不齊，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 結構原理結構原理（1）光敏二極管 結構: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結設置在透結設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結時，電子結時，電子-空穴對數空穴對數量增加，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結構原理結構原理光電池光電池:一種直接將光能轉換為電能的光電器件?；诠馍匦?連接內光電效應連接光電效應第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用光電池在動力方面的應用太陽能賽車太陽能賽車太陽能電動機模型太陽能電動機模型太陽能太陽能 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。 用于實現電隔離的光電耦合器類型: 用于檢測有無物體的光電開關 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、光電兩次轉換，進行輸入端和第8章 光電式傳感器優(yōu)點優(yōu)點：輸出和輸入進行電氣隔離，輸入和輸出 沒有反饋。具有獨立選擇輸入阻抗和輸 出阻抗，抗干擾能力 強。應用場合應用場合：電路隔離、電平轉換、噪聲抑制、 無觸點開關及固態(tài)繼電器等場合。 第8章 光電式傳感器2. 光電開關光電開關定義定義：是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收,并

12、進行光電轉換, 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”信號的器件。 透射式結構結構： 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 容易結合。應用范圍：應用范圍：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，產品計數, 料位檢測，尺寸控 制，安全報警及計算機輸入接口等。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：進行電荷轉換、存儲、轉移并讀出信號電荷。應用范圍應用范圍：應用于航天、遙感、工業(yè)、農業(yè)、天文、通 訊

13、等領域信息存儲及信息處理方面，尤其適 用于圖像識別技術。1CCD的結構及工作原理的結構及工作原理是一種是一種大規(guī)模金屬氧化物半導體（MOS）集成電路光電器件。以電荷為信號，具有光電信號轉換、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的應用（的應用（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 在同一半導體襯底上布設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換功能將投射到光 敏單元上的光學圖像電信號“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 單行結構 線型CCD圖像傳感器 雙行結構類型類型： 線轉移 面型CCD圖像傳感器 幀轉移 隔列轉移 線型CCD圖像傳感器主要用于測試、 傳真和光學文字識別技術等方面。 面型CCD圖像傳感器主要用于攝像機及測試技術。第8章 光電式傳感器六、光電傳感器的一般形式及應用六、光電傳感器的一般形式及應用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光電傳感器的應用光電傳感器的應用（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）燃氣熱水器中脈沖點火控制器）燃氣熱水器中脈沖點火控制器第8章 光電式傳感器（4）CCD圖像傳感器應用圖像傳感器應用根據幾何光學原理，推導被測物體尺寸計算公式，MnpD 式中：n覆蓋的光敏像素數； p像素間距； M倍率。第8章 光電式傳感器（5）光電轉速傳感器）光電轉速傳感器 n = f / N 式中：n轉速；f脈沖頻率；N圓盤開孔數。 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、 便于與計算機連接等。用途：用途：測量壓力、應變、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、 光纖的結構和傳輸原理光纖的結構和傳輸原理1. 光纖結構 （1）光纖即光導纖維 （2）由纖芯、包層和保護層（外套）組成。纖芯和包層通常由不同摻雜的石英玻璃組成；保護層多為尼龍材料以增加機械強度。第8章 光電式傳感器各種裝飾性光導纖維各種裝飾性光導纖維 第8章 光電式傳感器 發(fā)光二極發(fā)光二極管產生多管

17、產生多種顏色的種顏色的光線，通光線，通過光導纖過光導纖維傳導到維傳導到東方明珠東方明珠球體的表球體的表面。在計面。在計算機控制算機控制下，可產下，可產生動態(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數值孔徑（數值孔徑（NA） 說明光纖集光本領的術語叫數值孔徑數值孔徑NA,定義為NA = sinc= 數值孔徑意義意義: 無論光源發(fā)射功率有多大, 只有 入射角處于2c的光錐內, 光纖才 能導光。 )(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的途徑途徑和方式方式。 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芯尺寸很小，因 而光纖傳輸的模式很少，原則上只能 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 耗及光波導彎曲損耗。 （1）在光纖材料中，由于存在雜質離子、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）光波導彎曲損耗是使用過程中可能產生的一種損耗。光波導彎曲會引起傳輸模式的轉換，激發(fā)高階模進入包層產生損耗。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：研究光被外界參數的調治原理。光調制就 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制光再經光探測 系統(tǒng)解調，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、傳輸光的強度等)隨 被測量而發(fā)生變化來實