第10章 光電測量技術(shù)

1.了解光電測量的基本知識及光電器件的特性2.了解常用的光電器件及其應(yīng)用3.掌握光纖傳感器的檢測原理及其簡單應(yīng)用學(xué)習(xí)要求光電式傳感器：將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光量的變化，再通過光電元件把光量變化轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。

光電傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。

10.1光電測量基礎(chǔ)知識x1光源光通路光電器件測量電路光量光量電量x2輸出X1——被測量直接引起光源光量的變化X2——被測量在光傳播過程中調(diào)制光量對光量的調(diào)制方法：

物體在光的照射下產(chǎn)生電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng)。

E=h·fh普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J·S；f是光的頻率。光子的能量E與它的頻率成正比(愛因斯坦光量子理論)光電效應(yīng)分兩大類型：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)10.2外光電效應(yīng)物體表面受光照射，表面內(nèi)的電子與光子碰撞，光子把全部能量轉(zhuǎn)移給電子。如電子的能量超過逸出功A0時(shí)，電子就逸出物體表面產(chǎn)生光電發(fā)射。如果不考慮電子熱運(yùn)動(dòng)的能量，產(chǎn)生光電發(fā)射的條件是：光子能量h·f超過表面逸出功A0。mv2/2=hf-A0v-電子逸出時(shí)的速度；m-電子的質(zhì)量。愛因斯坦光電方程說明光電發(fā)生服從以下定律：1）物體表面發(fā)射的電子數(shù)(光電流)與光強(qiáng)成正比；2）光電子的動(dòng)能隨光的頻率成正比的增加，而與光強(qiáng)無關(guān)；3）光電子逸出物體表面，h·f>A0。對于每種物體都存在一個(gè)極限頻率（紅限頻率f0）否則不會(huì)有光電子發(fā)射出來。在真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：光電陰極和陽極。(1)結(jié)構(gòu)和工作原理

(真空光電管)光電管光電陰極貼附在玻璃泡內(nèi)壁或涂在半圓筒形的金屬片上，當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極所吸引，這樣在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。

充氣光電管在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體，如氬或氖。光電子在趨向陽極的途中撞擊惰性氣體的原子，使其電離，使陽極電流急劇增加，提高了光電管的靈敏度。缺點(diǎn):靈敏度隨電壓顯著變化、穩(wěn)定性、頻率特性等比真空光電管差。

光電倍增管

在入射光極為微弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的光電流很小，在這種情況下即使光電流能被放大，但信號和噪聲同時(shí)被放大了，為克服這個(gè)缺點(diǎn)，要采用光電倍增管。(1)光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理由光電陰極、若干個(gè)倍增極和陽極三部分組成。光電倍增極上涂有電子轟擊下能夠發(fā)射更多電子的材料。倍增極數(shù)目在4~14個(gè)不等。光照半導(dǎo)體

電子在物體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)：入射光子的能量如果大于禁帶寬度，即hf≥Eg,電子受光子的激發(fā)由價(jià)帶越過禁帶躍遷到導(dǎo)帶，載流子數(shù)增多使其電阻下降。10.3內(nèi)光電效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)--光敏電阻(1)結(jié)構(gòu)和原理又稱光導(dǎo)管。在玻璃底板上均勻地涂上薄薄的一層半導(dǎo)體，半導(dǎo)體的兩端裝上金屬電極，使電極與半導(dǎo)體層可靠地電接觸，然后，將它們壓入塑料封裝體內(nèi)。為了防止周圍介質(zhì)的污染，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應(yīng)該使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。

光敏電阻利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成，一般選用禁帶寬度較寬的半導(dǎo)體材料。

原理：光敏電阻在受到光的照射時(shí)，由于內(nèi)光電效應(yīng)使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，電阻RG值下降，流過負(fù)載電阻RL的電流及其兩端電壓也隨之變化。光線越強(qiáng)，電流越大。當(dāng)光照停止時(shí)，光電效應(yīng)消失，電阻恢復(fù)原值。1:硫化鎘、2:硫化鉈、3:硫化鉛。光敏電阻的光電特性

在一定電壓作用下，光電流I與照射光通量Φ的關(guān)系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性具有非線性。光敏電阻的光譜特性2光電池---光生伏特效應(yīng)

光電池基于阻擋層的光電效應(yīng)工作的。在光線照射下，直接將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢的光電元件。實(shí)質(zhì)上它就是電壓源。光電池的種類很多，有硒光電池、氧化亞銅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。其中硅光電池和硒光電池用途廣泛。

本課程介紹硅和硒兩種光電池.(1)結(jié)構(gòu)原理硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)（例如硼）形成PN結(jié)。

入射光照射在PN結(jié)上時(shí)，若光子能量hf大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，則在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，在內(nèi)電場的作用下，空穴移向P型區(qū)，電子移向N型區(qū)，使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負(fù)電，因而PN結(jié)產(chǎn)生電勢。硒光電池是在鋁片上涂硒，再用濺射的工藝，在硒層上形成一層半透明的氧化硒。在正反兩面噴上低溶合金作為電極。在光線照射下，鎘材料帶負(fù)電，硒材料上帶正電，形成光電流或光電勢。(2)主要特性①光電池的光譜特性不同光電池的光譜峰值位置不同。如硅光電池在8000附近，硒光電池在5400附近。硒光電池的結(jié)構(gòu)

0.2

0.40.60.81.01.210080

60

4020

0

硅光電池的光譜范圍廣，即為4500~11000之間，硒光電池的光譜范圍為3400~7500。因此硒光電池適用于可見光，常用于照度計(jì)測定光的強(qiáng)度。②光電池的光照特性光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動(dòng)勢。短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。開路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)就趨于飽和了。因此把光電池作為測量元件時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用，不宜用作電壓源。

光電池的短路電流：是反映外接負(fù)載電阻相對于光電池內(nèi)阻很小時(shí)的光電流。而光電池的內(nèi)阻是隨著照度增加而減小的，所以在不同照度下可用大小不同的負(fù)載電阻為近似“短路”條件。從實(shí)驗(yàn)中知道，負(fù)載電阻越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。

對于不同的負(fù)載電阻，可在不同的照度范圍內(nèi)，使光電流與光強(qiáng)保持線性關(guān)系，所以應(yīng)用光電池作測量元件時(shí)，所用負(fù)載電阻的大小，應(yīng)根據(jù)光強(qiáng)的具體情況而定?？傊?fù)載電阻越小越好。③光電池的頻率特性光電池在作為測量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)，常用交變光照。光電池的頻率特性：反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。硅光電池可以有很高的頻率響應(yīng)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緩慢增加。當(dāng)用光電池作測量元件時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮到溫度的漂移，采取相應(yīng)的措施來進(jìn)行補(bǔ)償。④光電池的溫度特性

3光敏二極管光敏二極管又稱光電二極管。管芯是一個(gè)具有光敏特性的PN結(jié)，它被封裝在管殼內(nèi)。發(fā)光二極管管芯的光敏面是通過擴(kuò)散工藝在N型單晶硅上形成的一層薄膜。

光敏二極管在電路中處于反向偏置，在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流(暗電流)很小。當(dāng)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)生光生電子及光生空穴，因此使PN結(jié)的反向電流增大。4光敏三極管光敏三極管:PNP型和NPN型。當(dāng)集電極加上正電壓，基極開路時(shí)，集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí)，會(huì)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，使基極和發(fā)射極間的電壓升高，便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。(2)光敏三極管的主要特性光敏三極管的光譜特性光敏三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長。當(dāng)入射光的波長增加時(shí)，相對靈敏度要下降。

光敏三極管的伏安特性光敏三極管的光照特性光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系，它們之間呈近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大（幾千勒克斯）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)轉(zhuǎn)換元件。光敏三極管的頻率特性光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。

光纖：光導(dǎo)纖維，70年代發(fā)展新興光電材料—光電子學(xué)領(lǐng)域光纖傳感技術(shù)：光通信，受外界環(huán)境因素影響外界因素光纖傳輸光波量外界因素：壓力、溫度、電場、磁場、光波量：光強(qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)——可測量70多個(gè)物理量10.4光纖傳感器特點(diǎn)：靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、抗電磁干擾、耐腐蝕、絕緣性好、光路可彎曲、遙測——多學(xué)科性：纖維光學(xué)、光電技術(shù)、彈性力學(xué)、電磁學(xué)、電子技術(shù)、微機(jī)應(yīng)用光纖傳感器

光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為2~12μm，很細(xì)的纖芯半徑接近于光源波長的長度，僅能維持一種模式傳播，一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強(qiáng)調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。

1、光纖的結(jié)構(gòu)涂敷層：硅銅、丙烯酸鹽——增加機(jī)械強(qiáng)度塑料套管：保護(hù)、不同顏色——區(qū)分纖芯：、摻雜包層：、摻雜（）

——降低光折射率、100~200um多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對稱圓柱體ˉ2n2、光纖波導(dǎo)原理臨界角全反射光折射與反射的snell定律數(shù)值孔徑NA:描述集光的能力(反映纖芯接受光量的多少)NA意義：無論光源發(fā)射功率多大，只有入射光處于2θc的光角內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。NA是光纖的一個(gè)重要參數(shù)。一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于耦合效率的提高，但數(shù)值孔徑過大，會(huì)造成光信號畸變，所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值。一般光線所處環(huán)境為空氣，n0=1。光纖產(chǎn)品一般只給NA，石英光纖0.2—0.4。3、光纖傳感器基本原理及類型組成：光纖、光源、光探測器傳光型：非功能型、多模光纖（傳輸更多光量）傳感型：功能型、單模光纖（被測對象調(diào)制光纖特性）1）、傳光型光纖傳感器調(diào)制器光纖：傳輸光波、不連續(xù)（入射、出射光纖）、多模光纖調(diào)制器：敏感元件、被測量作用下使光路遮斷、光穿透率變化光纖：“傳”—傳輸光波“感”—外界作用下光學(xué)特性變化光纖連續(xù)2）、傳感型光纖傳感器特點(diǎn)：（1）傳光性好、損耗小（2）頻帶寬、超高速測量（3）靈敏度、線性好（4）非接觸、非破壞性、遠(yuǎn)距測量（5）體積小、重量輕幾種常用的光纖傳感器1光纖加速度傳感器

2光纖位移傳感器

光纖位移傳感器是利用光導(dǎo)纖維傳輸光信號的功能，根據(jù)探測到的反射光的強(qiáng)度來測量被測反射表面的距離。光電轉(zhuǎn)換放大器A/D單片機(jī)顯示利用光導(dǎo)纖維傳輸光信號的功能，根據(jù)探測到的反射光的強(qiáng)度來測量被測反射表面的距離。1.光纖探頭端部緊貼被測部件時(shí)，發(fā)射光纖中的光不能反射到接收光纖中去，因而就不能產(chǎn)生光電流信號；2.被測表面逐漸遠(yuǎn)離光纖探頭時(shí)，發(fā)射光纖照亮被測表面的面積A越來越大，因而相應(yīng)的發(fā)射光錐和接收光錐重合面積B1越來越大，因而接收光纖端面上被照亮的區(qū)B2也越來越大，有一個(gè)線性增長的輸出信號；3.當(dāng)整個(gè)接收光纖的端面被全部照亮?xí)r，輸出信號就達(dá)到了位移-輸出信號曲線上的“光峰點(diǎn)”，光峰點(diǎn)以前的這段曲線叫前坡區(qū)；4.當(dāng)被測表面繼續(xù)遠(yuǎn)離時(shí)，由于被反射光照亮的面積B2大于C，即有部分反射光沒有反射進(jìn)接收光纖，且由于接收光纖更加遠(yuǎn)離被測表面，接收到的光強(qiáng)逐漸減小，光敏檢測器的輸出信號逐漸減弱，便進(jìn)入曲線的后坡區(qū)。工作原理

在后坡區(qū)，信號的減弱與探頭和被測表面之間的距離平方成反比。在位移-輸出曲線的“前坡”區(qū)中，輸出信號的強(qiáng)度增加得非?？欤赃@一區(qū)域可以用來進(jìn)行微米級的位移測量。“后坡”區(qū)可用于距離較遠(yuǎn)而靈敏度、線性度和精度要求不高的測量。光峰區(qū):輸出信號對于光強(qiáng)度變化的靈敏度要比對于位移變化的靈敏度大得多，所以這個(gè)區(qū)域可用于對表面狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)測量。3光纖