傳感器教程-光電式傳感器

第一頁，共四十頁，2022年，8月28日19-1光電基礎(chǔ)知識

1半導體價帶、導帶、禁帶2-光電探測器原理二光源和頻譜三常用光源及特性

第二頁，共四十頁，2022年，8月28日29.2光電效應

外光電效應在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應

第三頁，共四十頁，2022年，8月28日3光電器件1充氣光電管2光電倍增管第四頁，共四十頁，2022年，8月28日43光電倍增管的基本特性1。伏安特性2．光照特性3．光譜特性4．頻率特性第五頁，共四十頁，2022年，8月28日5第六頁，共四十頁，2022年，8月28日6內(nèi)光電效應

內(nèi)光電效應按其工作原理可分為兩種：光電導效應和光生伏特效應1光電導效應：光敏電阻2光敏電阻在未受到光照射的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流；在受到光照射時的阻值稱為亮電阻，此時的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。第七頁，共四十頁，2022年，8月28日7第八頁，共四十頁，2022年，8月28日83、光敏電阻的基本特性伏安特性在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系。圖10.9硫化鎘光敏電阻的伏安特性第九頁，共四十頁，2022年，8月28日9光照特性指光敏電阻的光電流I和光照強度之間的關(guān)系光敏電阻的光照特性第十頁，共四十頁，2022年，8月28日10光譜特性光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系。即光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻的光譜特性第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日11頻率特性光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數(shù)表示，對應著不同材料的頻率特性。光敏電阻的頻率特性第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日12溫度特性光敏電阻和其它半導體器件一樣，受溫度影響較大。溫度變化時，影響光敏電阻的光譜響應、靈敏度和暗電阻。硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日13（2）光電池光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。即電源。工作原理：基于“光生伏特效應”。光電池實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié)，當光照射到PN結(jié)的一個面，例如P型面時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴散，在結(jié)電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日14光電池結(jié)構(gòu)、符號第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日15光電池種類

光電池的種類很多，有硅光電池、硒光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池等最受人們重視的是硅光電池。因為它具有性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高、能耐高溫輻射、價格便宜、壽命長等特點。它不僅廣泛應用于人造衛(wèi)星和宇宙飛船作為太陽能電池，而且也廣泛應用于自動檢測和其它測試系統(tǒng)中硒光電池由于其光譜峰值位于人眼的視覺范圍，所以在很多分析儀器、測量儀表中也常常用到。第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日16光電池基本特性光譜特性光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。硅光電池的光譜特性第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日17光照特性光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性硅光電池的光照特性第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日18頻率特性第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日19（3）光敏二極管和光敏三極管第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日20光敏二極管工作原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。光敏二極管在不受光照射時處于截止狀態(tài)，受光照射時處于導通狀態(tài)。第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日21光敏晶體管光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個PN結(jié)，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴大光的照射面積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓，當光照射在集電結(jié)時，就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍，所以光敏晶體管有放大作用。第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日22NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)和基本電路

第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日23光敏管的基本特性光敏晶體管的光譜特性第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日24伏安特性第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日25光照特性第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日26頻率特性第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日27總結(jié)第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日289.4光纖傳感器光纖傳感器的特點：極高的靈敏度和精度固有的安全性好抗電磁干擾高絕緣強度耐腐蝕集傳感與傳輸于一體能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等光纖傳感器受到世界各國的廣泛重視。光纖傳感器已用于位移、振動、轉(zhuǎn)動、壓力、速度、加速度、電流、磁場、電壓、溫度等70多個物理量的測量在生產(chǎn)過程自動控制、在線檢測、故障診斷、安全報警等方面有廣泛的應用前景。第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日291、光纖的結(jié)構(gòu)第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日302、光纖的傳光原理光纖的傳光原理光全反射條件：第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日31光纖模式光波在光纖中的傳播途徑和方式稱為光纖模式。對于不同入射角的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波間的干涉也是不同的，這就是傳播模式不同。一般總希望光纖信號的模式數(shù)量要少，以減小信號畸變的可能。單模光纖直徑較小，只能傳輸一種模式。其優(yōu)點是：信號畸變小、信息容量大、線性好、靈敏度高；缺點：纖芯較小，制造、連接、耦合較困難。多模光纖直徑較大，傳輸模式不只一種，其缺點是：性能較差。優(yōu)點：纖芯面積較大，制造、連接、耦合容易。第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日32光纖傳感器的發(fā)展趨勢①當前應以傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題作為光纖傳感器的主要研究對象。②集成化光纖傳感器。③多功能全光纖控制系統(tǒng)。④充分發(fā)揮光纖的低傳輸損耗特性，發(fā)展遠距離監(jiān)測系統(tǒng)。⑤開辟新領(lǐng)域。第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日33光纖傳感器的應用

一光纖液位傳感器二熱輻射光纖溫度傳感器三光纖角速度傳感器(光纖陀螺)四光纖電流傳感器

五反射式位移傳感器第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日349.5光柵傳感器

9.5.1光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.光柵結(jié)構(gòu)在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細小條紋（又稱為刻線），這就是光柵。圖中a為柵線的寬度（不透光），b為柵線間寬（透光），a+b=W稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光柵每毫米刻成25、50、100、125、250條線條第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28日35第三十六頁，共四十頁，2022年，8月28日369.6.1光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.光柵結(jié)構(gòu)在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細小條紋（又稱為刻線），這就是光柵。圖中a為柵線的寬度（不透光），b為柵線間寬（透光），a+b=W稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光柵每毫米刻成25、50、100、125、250條線條。第三十七頁，共四十頁，2022年，8月28日37光柵莫爾條紋的形式

2.光柵測量原理第三十八頁，共四十頁，2022年，8月28日38

莫爾條紋測位移具有以下三個方面的特點。

(1)位移的放大作用當光柵每移動一個光柵柵距W時，莫爾條紋也跟著移動一個條紋寬度BH。莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角θ之間的關(guān)系為

θ越小，BH越大，這相當于把柵距W放大大了1/θ倍。例如θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍，這相當于把柵距放大了573倍，說明光柵具有位移放大作用，從而提高了測量的靈敏度。第三十九頁，共四十頁，2022年，8月28日39

（2）莫爾條紋移動方向如光柵