光電式傳感器及其應用

1、光電式傳感器及其應用第1頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一按工作原理分類：光電效應傳感器紅外熱釋電傳感器固體圖像傳感器光纖傳感器 第2頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一第5章 光電式傳感器及其應用 光電傳感器:將光信號（紅外、可見光及紫外光）轉變成為電信號的器件。被測量的變化光信號的變化電信號的變化對于不同波長的光有不同的光學傳感器遠紫外近紫外可見光近紅外遠紅外極遠紫外0.010.11100.050.55波長/m第3頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一光電效應：光照射某一物體，可以看作是一連串能量為E的光子轟擊在這個物體上，

2、此時光子能量就傳遞給電子，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產生相應的電效應，稱這種物理效應為光電效應。光子能量正比于光的頻率。外光電效應內光電效應5.1 光電效應和熱釋電效應第4頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一一、 外光電效應外光電效應：在光線作用下，物體內的電子獲得光子的能量從而脫離正電荷的束縛，逸出物體表面向外發(fā)射的現象。條件：光子能量大于該物體的表面逸出功基于外光電效應的光電器件：光電管、光電倍增管、光電攝像管等光電效應方程： 結論：1光電子能否產生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0；2逸出的光電子具有動能； 3

3、、 一定時，產生的光電流和光強成正比克服逸出功；轉化為電子的動能第5頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一二、內光電效應當光照在物體上，使物體的電導率發(fā)生變化，或產生光生電動勢的現象。當光照射在物體上，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)而使物體的電導率發(fā)生變化的現象常見器件：光敏電阻1. 光電導效應光半導體電子吸收能量（ ）躍遷電子-空穴對阻值降低，導電性能增強，電導率增大原理：Eg第6頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一2、光生伏特效應原理：光生伏特效應：在光作用下能使物體產生一定方向電動勢的現象。常見器件：光敏二極管、三極管、光電池等。光PN

4、結電子N, 空穴P電動勢光線照射PN結時，設光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導帶，產生電子空穴對，在阻擋層內電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，形成光電動勢。第7頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一三、 熱釋電效應（紅外檢測）熱釋電效應：當一些晶體溫度變化時，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化，在晶體兩表面產生電荷的現象。包含光-熱、熱-電兩個階段的變換過程。熱釋電材料:熱釋電晶體(鈮酸鋰、鉭酸鋰)、熱釋電陶瓷(鈦酸鋇（BaTiO3）、鋯鈦酸鉛（PZT）)和熱釋電塑料(聚偏二氟乙烯（PVDF）)

5、等。應用：紅外探測器、溫度傳感器、熱成像器件等 第8頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一5.2 光電器件(光電傳感器) 光電管:光電倍增管：光敏電阻:光電二極管：光電三極管 :光電池:第9頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一一、光電管結構：在真空玻璃管內裝有光電陰極(逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃管內壁)和陽極，感光面對準光的照射孔。當光線照射到光敏材料，便有電子逸出，并被正電位的陽極吸引，在光電管內形成空間電子流，在外電路就產生電流。1. 光電管結構和工作原理原理：基于外光電效應；光陰極光電子陽極空間電子流外接電阻壓降U=f(I)（實現光電轉換）特點

6、：簡單，靈敏度低 第10頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一2、光電管的特性 光電管的伏安特性曲線 當入射光的頻率和通量確定時，陽極電壓與電流之間的關系稱為伏安特性 陽極電壓較低：陰極發(fā)射的電子部分到達陽極，其余受光電子在真空中運動時所形成的負電場作用，回到陰極。陽極電壓增高：光電流隨之增大。當陰極發(fā)射的電子能全部到達陽極時，陽極電流便很穩(wěn)定，稱為飽和狀態(tài)。 150100502020lm40lm60lm80lm100lm120lm4681012陰極電壓/VIA/A陽極電壓較低：陰極發(fā)射的電子部分到達陽極，其余受光電子在真空中運動時所形成的負電場作用，回到陰極。 真空光電管

7、 第11頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一2、光電管的特性 光電管的光照特性光照特性：當光電管陽極與陰極間所加電壓和入射光頻譜一定時，陽極電流I與入射光在陰極上的光通量之間的關系。1-氧銫陰極2-銻銫陰極光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。第12頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一2、光電管的特性 光電管的光譜特性 同一光電管對于不同頻率的光，具有不同的靈敏度例：對GD-4型光電管，陰極采用銻銫材料，對可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應用于各種光電式自動檢測儀表中。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構成紅外探測器。對紫外光源，常用銻銫

8、陰極和鎂鎘陰極。第13頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一2、光電管的特性 光電管的頻率響應 光電管在從光子射入陰極到在陽極上獲得光電子的時間間隔僅有幾納秒，但由于電極間的分布電容和負載電阻構成RC回路關系，使光電管工作響應時間延長至10-4量級，在使用時，可以通過降低負載電阻和減少分布電容方法，提高頻率響應。 第14頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一二、 光電倍增管原理：利用二次電子釋放效應,將光電流在管內部進行放大。二次電子釋放效應：高速電子撞擊固體表面,再發(fā)射出二次電子的現象。1.結構與原理光電管缺點：靈敏度較低改進：光電倍增管光電陰極倍增極

9、陽極 設第一倍增極有個二次電子發(fā)出，經過n次加速和轟擊加速后，產生的電子數為 n稱為二次電子發(fā)射比第15頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一 幾種常見光電倍增管的結構 幾種常見的光電倍增管結構：第16頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一幾種光電倍增管的外形 第17頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一2. 光電倍增管的基本特性 光電特性 光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間關系 在入射光通最小于10-4 lm時，有較好的線性關系,當光通量再增大時，呈現非線性特性 第18頁，共77頁，2022年，5月20日，17點

10、38分，星期一三、 光敏電阻1.光敏電阻的結構及原理光敏電阻的電極構造與封裝光敏電阻的結構如圖：由一塊兩邊帶有金屬電極的均質光電半導體組成。第19頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一光敏電阻工作過程RGRLEI原理：基于光電導效應無光照：光敏電阻阻值很大;有光照：光子能量大于材料禁帶寬度,價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶,激發(fā)出電子-空穴對,使電阻降低;光線愈強,激發(fā)出的電子-空穴對越多,電阻值越低;光照停止：自由電子與空穴復合,導電性能下降,電阻恢復原值。第20頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一2、光敏電阻的特性及特點：光敏電阻對光敏感,當改

11、變光照強度時,電阻的大小也隨著改變。一般會隨著光照強度的增大而電阻值減小。） 暗電阻光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻, 此時流過的電流稱為暗電流。 ） 亮電阻光敏電阻在光照射時的電阻稱亮電阻, 此時流過的電流稱亮電流。光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。 ） 光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。暗電流越小，光電流越大，光敏電阻的靈敏度越高。 暗電阻一般超過1M,甚至高達100M，亮電阻則在幾k以下，暗電阻與亮電阻之比在102106之間，靈敏度很高。第21頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一4) 光照特性 光敏電阻的光電流與光強之間的關系,稱為光敏電阻的光照特性

12、。不同類型的光敏電阻,光照特性不同。光敏電阻的光照特性 多數是非線性的。不宜做線性測量元件，一般用做開關式的光電轉換器。第22頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一5)光譜特性 光敏電阻對不同波長的光,光譜靈敏度不同,而且不同種類光敏電阻峰值波長也不同。光敏電阻的光譜靈敏度 不同材料，其峰值波長不同。同一種材料，對不同波長的入射光，其相對靈敏度不同，響應電流不同。應根據光源的性質，選擇合適的光電元件（匹配）使光電元件得到較高得相對靈敏度。第23頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一6) 伏安特性 在一定照度下,光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關系,稱

13、為伏安特性。光敏電阻的伏安特性 一定光照，R一定，I正比于U。一定電壓，I隨著光照E增強而增大。 ERI。第24頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一7) 響應時間和頻率特性當光敏電阻受到脈沖光作用時，光電流需要經歷一段時間才上升到最大值。這種響應時間用時間常數來表示。多數光敏電阻時間常數在10-210-6s數量級。響應時間長短與照度有關不同材料的光敏電阻具有不同的時間常數及頻率特性1-硫化鉛2-硫化鉈。相對靈敏度隨光照頻率的變化第25頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一8) 溫度特性 溫度變化影響暗電阻和靈敏度，也影響光敏電阻的光譜響應。 溫度升高，

14、暗阻和靈敏度都下降。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。第26頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一常用材料光敏電阻的典型參數常見光敏電阻第27頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一四、光電二極管和光電三極管1.光電二極管和光電三極管的結構及原理光電二極管:利用PN結單向導電性的結型光電器件,結構與一般二極管類似。PN結安裝在管的頂部,便于接受光照。外殼上面有一透鏡制成的窗口以使光線集中在敏感面上。為了獲得盡可能大的光生電流,PN結的面積比一般二極管要大。為了光電轉換效率高,PN結的深度較一般二極管淺。第28頁，共77頁

15、，2022年，5月20日，17點38分，星期一光電二極管大多數情況下工作在反向偏壓狀態(tài)。當光照射時，光敏二極管處于導通狀態(tài)。當光不照射時，光敏二極管處于截止狀態(tài)。第29頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一 光電三極管：當光照射到PN結附近，使PN結附近產生光生電子-空穴對，它們在pn結處的內電場作用下，作定向運動形成光電流，因此，pn結的反向電流大大增加，由于光照射發(fā)射結產生的光電流相當于三極管的基極電流。因此，集電極電流是光電流的倍，所以光電三極管比光電二極管具有更高的靈敏度。第30頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一2.光敏管的特性1)光譜特性光

16、電三極管的光譜特性曲線與光電二極管的相似。由圖可見,當入射光的波長增加時,相對靈敏度要下降,這是因為光子的能量h太小,不足以激發(fā)出電子-空穴對。當入射光波長太短時相對靈敏度也下降,這是因為光子在半導體表面附近激發(fā)的電子空穴在半導體表面附近便被吸收,不能達到PN結。材料不同, 峰值波長也不同,應根據光譜特性來確定光源和光電器件的最佳匹配。第31頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一 2) 伏安特性硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲線，（a）圖為硅光敏二極管，（b）圖為硅光敏三極管。光敏三極管的光電流比相同管型的光敏二極管的光電流大上百倍。在零偏壓時，二極管仍有光電流輸出，三極管

17、則沒有第32頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一3) 光照特性 光照特性反映集電極輸出電流IC和照度EC之間的關系。三極管的光照特性曲線線性不太好,在大電流時有飽和現象。光電二極管在反向偏壓的作用下,光照特性曲線有良好的線性。 硅光敏管的光照特性（a）硅光敏二極管；（b）硅光敏三極管 第33頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一4) 溫度特性 溫度對光電管暗電流和光電流的影響,如圖所示。從圖可見,溫度變化對光電流的影響很小,而對暗電流影響很大。第34頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一5) 頻率響應(特性)和時間常數 光電管的頻率

18、響應是指一定頻率的調制光照射時,光電管輸出的光電流(或負載上的電壓)隨頻率的變化關系。光電管的頻率響應與其物理結構、工作狀態(tài)、負載以及入射光波長等因素有關。硅光電三極管的頻率響應曲線第35頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一 光電管的時間常數:在10-1010-4 s之間,硅管時間常數較小,響應頻率高。有些特殊用途的光電管,如硅PIN光電二極管其響應頻率高達幾百兆赫茲,暗電流小到1nA。 P-Si N-Si I-Si硅PIN管光電二極管:特點：頻帶寬，可達10GHz。在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。不足：I層電阻很大，輸出電流小，一般多為零點幾微安至數

19、微安。第36頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一硅PIN光電二極管硅光電二極管第37頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一幾種硅（鍺）光電三極管的特性參數 第38頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一五、光電池1.光電池的結構及原理原理：基于光生伏特效應光電池有較大面積的PN結，當光照到PN結區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現光生電動勢。+光PNSiO2RL光電池可把太陽能直接變電能，又稱為太陽能電池,是發(fā)電式有源元件.下電極梳狀電極SiO2抗反射膜PN

20、第39頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一種類：硒光電池、氧化亞銅光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等硅光電池價格便宜，轉換效率高，壽命長，適于接受紅外光。硒光電池光電轉換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光(響應峰值波長0.56m)，最適宜制造照度計，常用于分析儀器、測量儀表。砷化鎵光電池轉換效率比硅光電池稍高，光譜響應特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應用是有發(fā)展前途的。第40頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一2、光電池特性 硒光電池適用于可見光，常用于分析

21、儀器、測量儀表。如用照度計測定光的強度。硅光電池的光譜峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。1）光譜特性： 第41頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一 2)光照特性不同光照射下有不同光電流和光生電動勢。短路電流(2)在很大范圍內與光強成線性關系。開路電壓(1)與光強是非線性的，且在2000 lx時趨于飽和。光電池作為測量元件時，應把它作為電流源的形式來使用，不宜用作電壓源，且負載電阻越小越好。第42頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一硅光電池光照特性與負載的關系光電池負載越小，光電流與照度之間的線性關系越好，而且線性范圍越寬。負載在100 以下

22、，線性還是比較好的，負載電阻太大，則線性變壞 第43頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一3) 頻率特性光電池的頻率特性是指輸出電流隨調制光頻率變化的關系, 反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關系。硅光電池有很高的頻率響應，可用于高速記數、有聲電影等方面硅光電池硒光電池第44頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一4) 溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快。短路電流隨溫度升高而變化緩慢,。因此作測量元件時應考慮進行溫補。第45頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一幾種硅光電池的性

23、能參數 第46頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一光電池外形第47頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一3、應用太陽能電池：衛(wèi)星、燈塔、高空偵察氣球（幾萬米）第48頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一六、其他光電器件光電耦合器：發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內。它以光為媒介，實現輸入電信號耦合到輸出端。 應用:電路中的強弱電隔離。發(fā)光二極管光敏三極管強弱電隔離。 輸入輸出之間絕緣電阻很高。耐壓達2000V以上。能避免輸出端對輸入端的干擾。對系統(tǒng)內部噪聲有很強的抑制作用。發(fā)光二極管為電流驅動元件，動態(tài)電阻很小，對系統(tǒng)內部的噪聲有旁路

24、作用。（濾除噪聲）特點：第49頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一光電開關：光電開關在制造業(yè)自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置?？蓪崿F限位控制、產品計數, 料位檢測，越限安全報警及計算機輸入接口等用途。透射式 反射式第50頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一光電開關與光電耦合器件比較光電開關和光電耦合器都是由發(fā)光端和受光端組成的組合件。區(qū)別：光電開關不封閉，發(fā)光端與受光端之間可以插入調制板。光電耦合器則是把發(fā)光元件與受光元件都封閉在一個不透光的管殼內。應用：光電開關多用于光電計數、報警、安全保護、非接觸開關，及各種光電控制等方面。光電耦合器

25、多用于抗干擾電路、電平轉換、長線傳輸、過流保護及高壓控制等方面。光電開關與光電耦合器共同點：第51頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一熱釋電傳感器：利用熱釋電效應來檢測受光面的溫度升高值,得知光的輻射強度,在紅外檢測中得到廣泛的應用，可用于能產生紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動門、自動燈的控制等。 第52頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一熱釋電感應燈熱釋電傳感器第53頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一光電角度編碼器 用光電方法把被測角位移轉換成以數字代碼形式表示的電信號的轉換部件。1-光源，2-透鏡，3-碼盤，4-

26、狹縫，5-光電組件第54頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一絕對接觸式編碼器演示4個光電元件 4位二進制碼盤 最小分辨角度為 =360/2n 第55頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一5.3、光電傳感器應用按被測物與光電元件和光源之間的關系，光電式傳感器的應用有以下四種：1、光源本身就是被測物。 如：光電比色溫度計、光照度計等被測物光電元件2、恒定光源發(fā)出的光通量透過被測物，由被測物吸收一部分后到達光電元件上。 如：測液體透明度、煙塵濃度等 被測物光電元件恒光源第56頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一 3、恒定光源發(fā)出的光通量

27、經過被測物遮擋一部分后照射到光電元件上。 如：測元件尺寸、運動狀態(tài)等 被測物光電元件恒光源4、恒定光源發(fā)出的光通量經被測物反射后到達光電元件上。 如：測紙張白度、零件表面粗糙度、光電轉速表等第57頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一應用實例1.紅外線輻射溫度計： 紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可用于冰點以下的溫度測量，所以是輻射溫度計的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從-303000，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據需要選擇適合的型號。食品溫度測量集成IC 溫度測量第58頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一光、 機、電一體化的紅外測溫

28、系統(tǒng)814 m第59頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一2.反射式煙霧報警器 在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂直，煙霧室內又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達紅外光敏三極管。 當煙霧進入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產生漫反射（圖中只畫出幾個微粒的反射示意），使部分紅外光到達光敏三極管，有光電流輸出。第60頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一3.光電自動門自動門光電傳感器放大圖有效檢測區(qū)域第61頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一5、熱釋電傳感器在智能空調中的應用 智能空調能檢測出屋內是否有人，微處理器據此自

29、動調節(jié)空調的出風量，以達到節(jié)能的目的。 空調中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動著。上下范圍左右范圍第62頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一5.產品計數第63頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一6、光電數字式轉速表光電轉換電路n =60( f /z ) 第64頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一第65頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一1. 光電效應有哪些？這些光電效應對應哪些光電元件？2. 這些光電元件有哪些特點？分別適用哪些場合？小結：第66頁，共77頁，2022年，5月20日，17點38分，星期一8.4 光電數字式傳感器 一、數字式傳感器分類和特點 1. 數字式傳感器分類及工作原理數字式傳感器：把輸入量轉換成數字量輸出的傳感器（1） 代碼型數字式傳感器