光電測量技術(shù)最新課件

1、第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 1. 1.了解光電測量的基本知識及光電器件的特性了解光電測量的基本知識及光電器件的特性 2. 2.了解常用的光電器件及其應用了解常用的光電器件及其應用 3. 3.掌握光纖傳感器的檢測原理及其簡單應用掌握光纖傳感器的檢測原理及其簡單應用 學學 習習 要要 求求 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 光電式傳感器：光電式傳感器：將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光量的變化，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。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

2、基礎(chǔ)是光電效應。光電傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應。 10.1 10.1 光電測量基礎(chǔ)知識光電測量基礎(chǔ)知識 x1 光量光量光量光量電量電量 x2 輸出輸出 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 光電效應分兩大類型：光電效應分兩大類型：外光電效應外光電效應和和內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 物體在光的照射下產(chǎn)生電子發(fā)射的現(xiàn)象稱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)射效應或外光電效應。為光電發(fā)射效應或外光電效應。 E=hf h普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，h=6.631010-34 -34JS JS； f是光的頻率。

3、是光的頻率。 光子的能量光子的能量E與它的頻率成正比與它的頻率成正比(愛因斯坦光量子理論愛因斯坦光量子理論) 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 物體表面受到光的照射，表面內(nèi)的電子與光子碰撞，物體表面受到光的照射，表面內(nèi)的電子與光子碰撞， 發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，光子把全部能量轉(zhuǎn)移給電子，使電子發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，光子把全部能量轉(zhuǎn)移給電子，使電子 的能量增加。如果電子的能量超過逸出功的能量增加。如果電子的能量超過逸出功A A0 0時，電子時，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就逸出物體表面產(chǎn)生光電發(fā)射。如果不考慮電子熱運 動的能量，產(chǎn)生光電發(fā)射的條件是：光子能量

4、動的能量，產(chǎn)生光電發(fā)射的條件是：光子能量hfhf超過超過 表面逸出功表面逸出功A A0 0。光子能量超過表面逸出功的部分，表。光子能量超過表面逸出功的部分，表 現(xiàn)為電子的能量?，F(xiàn)為電子的能量。 mv2/2=hf-A0 v-電子逸出時的速度電子逸出時的速度； m-電子的質(zhì)量。電子的質(zhì)量。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 愛因斯坦光電方程說明光電發(fā)生服從以下定律愛因斯坦光電方程說明光電發(fā)生服從以下定律： 1 1）物體表面發(fā)射的電子數(shù)物體表面發(fā)射的電子數(shù)( (光電流光電流) )與光強成正比；與光強成正比； 2 2）光電子的動能隨光的頻率成正比的增加，而與光強無關(guān)；光

5、電子的動能隨光的頻率成正比的增加，而與光強無關(guān)； 3 3）要使光電子逸出物體表面，必須要使光電子逸出物體表面，必須 hfAhfA0 0。對于每種物體。對于每種物體 都存在一個極限頻率（紅限頻率都存在一個極限頻率（紅限頻率f f0 0） ，當入射光的頻率低，當入射光的頻率低 于這個頻率時，無論光強多強，都不會有光電子發(fā)射出來。于這個頻率時，無論光強多強，都不會有光電子發(fā)射出來。 mv2/2=hf-A0 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 在真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個電極：在真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個電極：光電陰極和陽極光電陰極和陽極。m m (1)(1)結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和

6、工作原理 ( (真空光電管真空光電管) ) 10.2 10.2 光電器件的特性光電器件的特性 光電管的分類光電管的分類: :真空光電管、充氣光電管真空光電管、充氣光電管 光電陰極有的是貼附在玻璃泡內(nèi)壁，光電陰極有的是貼附在玻璃泡內(nèi)壁， 有的是涂在半圓筒形的金屬片上，陰有的是涂在半圓筒形的金屬片上，陰 極對光敏感的一面是向內(nèi)的，在陰極極對光敏感的一面是向內(nèi)的，在陰極 前裝有單根金屬絲或環(huán)狀的陽極。當前裝有單根金屬絲或環(huán)狀的陽極。當 陰極受到適當波長的光線照射時便發(fā)陰極受到適當波長的光線照射時便發(fā) 射電子，電子被帶正電位的陽極所吸射電子，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，在引

7、，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。外電路中便產(chǎn)生了電流。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 充氣光電管充氣光電管 構(gòu)造和真空光電管基本相同，所不同的僅是在玻璃泡內(nèi)充以構(gòu)造和真空光電管基本相同，所不同的僅是在玻璃泡內(nèi)充以 少量的惰性氣體，如氬或氖。當光電極被光照射而發(fā)射電子時，少量的惰性氣體，如氬或氖。當光電極被光照射而發(fā)射電子時， 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，極電流急劇增加，提高了光電管的靈敏度提高了光電管的靈敏度。 充氣光電管的優(yōu)點充氣光電

8、管的優(yōu)點: :靈敏度高靈敏度高; ; 缺點缺點: :靈敏度隨電壓顯著變化、穩(wěn)定性、頻率特性等比真空光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。電管差。 (2) (2) 主要性能主要性能 光電管的伏安特性光電管的伏安特性 當光通量一定時，光電管的當光通量一定時，光電管的 電流與陽極電壓的關(guān)系。電流與陽極電壓的關(guān)系。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 光電管的光照特性光電管的光照特性 當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時， 光通量與光光通量與光 電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。電流之間的關(guān)系為光電管的光照特

9、性。 氧化銫氧化銫陰極光電管的光照特性呈陰極光電管的光照特性呈線性線性關(guān)系。關(guān)系。 銻化銫銻化銫陰極光電管的光照特性呈陰極光電管的光照特性呈非線性非線性關(guān)系。關(guān)系。 光電管的靈敏度光電管的靈敏度: :光照特性曲線的斜率。光照特性曲線的斜率。 1:氧化銫陰極光電管氧化銫陰極光電管 2:銻化銫陰極光電管銻化銫陰極光電管 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 光電管的光譜特性光電管的光譜特性 材料不同的光電陰極光電管有不同的紅限頻率材料不同的光電陰極光電管有不同的紅限頻率f f0 0 ，可用于不，可用于不 同的光譜范圍。同的光譜范圍。 光電管的光譜特性光電管的光譜特性:

10、:光電管對不同頻率光的敏感度光電管對不同頻率光的敏感度。 對不同波長區(qū)域的光，應選用不同材料的光電陰極。對不同波長區(qū)域的光，應選用不同材料的光電陰極。 2 2 光電倍增管及基本特性光電倍增管及基本特性 在入射光極為微弱時，光電管產(chǎn)生的光電流很小，在這在入射光極為微弱時，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，但信號和噪聲同時被放大了，種情況下即使光電流能被放大，但信號和噪聲同時被放大了， 為克服這個缺點，要采用光電倍增管。為克服這個缺點，要采用光電倍增管。 (1) (1) 光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測

11、量技術(shù)最新課件 它由光電陰極、若干個倍增它由光電陰極、若干個倍增 極和陽極三部分組成。光電陰極極和陽極三部分組成。光電陰極 是由半導體光電材料銻是由半導體光電材料銻銫制造銫制造 的，入射光就在它上面打出光電的，入射光就在它上面打出光電 子。倍增極數(shù)目在子。倍增極數(shù)目在414414個不等。個不等。 在各倍增極上加上一定的電壓，陽極收集電子，外電路形成在各倍增極上加上一定的電壓，陽極收集電子，外電路形成 電流輸出。工作時，各個倍增極上均加上電壓，電流輸出。工作時，各個倍增極上均加上電壓，陰極陰極K K電位最低。電位最低。 從陰極開始，各個從陰極開始，各個倍增極倍增極E1E1、E2E2、E3E3、E

12、4E4（或更多）電位依次（或更多）電位依次 升高，升高，陽極陽極A A電位最高。入射光在光電陰極上激發(fā)電子，由于各電位最高。入射光在光電陰極上激發(fā)電子，由于各 極間有電場存在，所以陰極激發(fā)電子被加速轟擊第一倍增極，在極間有電場存在，所以陰極激發(fā)電子被加速轟擊第一倍增極，在 受到一定數(shù)量的電子轟擊后，能放出更多的電子，稱為受到一定數(shù)量的電子轟擊后，能放出更多的電子，稱為“二次電二次電 子子”。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 光電倍增管之倍增極的形狀設計光電倍增管之倍增極的形狀設計 成每個極都能接受前一極的二次電子，成每個極都能接受前一極的二次電子， 而在各個倍

13、增極上順序加上越來越高而在各個倍增極上順序加上越來越高 的正電壓。這樣如果在光電陰極上由的正電壓。這樣如果在光電陰極上由 于入射光的作用發(fā)射出一個電子，這于入射光的作用發(fā)射出一個電子，這 個電子將被第一倍增極的正電壓所加個電子將被第一倍增極的正電壓所加 速而轟擊第一倍增極，設這時第一倍速而轟擊第一倍增極，設這時第一倍 增極有增極有 個二次電子發(fā)出，這個二次電子發(fā)出，這 個電子個電子 又轟擊第二倍增極，而其產(chǎn)生的二次又轟擊第二倍增極，而其產(chǎn)生的二次 電子又增加電子又增加 倍，經(jīng)過倍，經(jīng)過n n個倍增極后，個倍增極后， 原先電子將變?yōu)樵入娮訉⒆優(yōu)?n n個電子，這些電子個電子，這些電子 最后被陽

14、極所收集而在光電陰極與陽最后被陽極所收集而在光電陰極與陽 極之間形成電流。極之間形成電流。 1R 2R 3R 4R 5R LR 1D 2D 3D 4D OUTU K AI 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 2) 2) 主要參數(shù)主要參數(shù) 倍增系數(shù)倍增系數(shù)MM M M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)i i的乘積。的乘積。 M=M=i in n (n (n個倍增電極的個倍增電極的i i都一樣都一樣) ) 陽極電流陽極電流I=iI=ii in n ( i ( i光電陰極的光電流光電陰極的光電流) ) 光電倍增管的電流放大倍數(shù)光電倍增管的電

15、流放大倍數(shù)=I/i=I/i=i in n 光電陰極靈敏度和倍增管總靈敏度光電陰極靈敏度和倍增管總靈敏度 光電陰極的靈敏度光電陰極的靈敏度 一個光子在陰極上打出的平均電子數(shù)一個光子在陰極上打出的平均電子數(shù)。 光電倍增管的總靈敏度光電倍增管的總靈敏度 一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)。一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)。 極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太 高反而會使陽極電流不穩(wěn)。由于光電倍增管的靈敏度很高，所以高反而會使陽極電流不穩(wěn)。由于光電倍增管的靈敏度很高，所以 不能受強光照射，否則將會損壞。不能受強光照射，否則將會損壞。 第第

16、1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 暗電流和本底脈沖暗電流和本底脈沖 一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光 使用，使其只對入射光起作用；但由于環(huán)境溫度、熱輻射和使用，使其只對入射光起作用；但由于環(huán)境溫度、熱輻射和 其它因素的影響。即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍其它因素的影響。即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍 有電流，這種電流稱為暗電流。這種暗電流可用補償電路加有電流，這種電流稱為暗電流。這種暗電流可用補償電路加 以消除。以消除。 光電倍增管的陰極前面放一塊閃爍體，就構(gòu)成閃爍計數(shù)器。光電倍增管的陰極前

17、面放一塊閃爍體，就構(gòu)成閃爍計數(shù)器。 在閃爍體受到人眼看不見的宇宙射線的照射后，光電倍增管就在閃爍體受到人眼看不見的宇宙射線的照射后，光電倍增管就 會有電流信號輸出，這種電流稱為閃爍計數(shù)器的暗電流，一般會有電流信號輸出，這種電流稱為閃爍計數(shù)器的暗電流，一般 把它稱為本底脈沖。把它稱為本底脈沖。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 10.3 10.3 常用光電傳感器及其應用常用光電傳感器及其應用 1 光敏電阻光敏電阻 (1) 結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)和原理 光敏電阻又稱光導管。光敏電阻是用半導體材料制成的。光敏電阻又稱光導管。光敏電阻是用半導體材料制成的。 在玻璃底板上均勻地涂

18、上薄薄的一層半導體物質(zhì)，半導體的兩在玻璃底板上均勻地涂上薄薄的一層半導體物質(zhì)，半導體的兩 端裝上金屬電極，使電極與半導體層可靠地電接觸，然后，將端裝上金屬電極，使電極與半導體層可靠地電接觸，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，在半導體它們壓入塑料封裝體內(nèi)。為了防止周圍介質(zhì)的污染，在半導體 光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應該使它在光敏層最光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應該使它在光敏層最 敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。 梳狀電極 光電導 透光窗口 外殼 絕緣基體 玻璃支柱 引腳 AA 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)

19、最新課件 光敏電阻利用光電導效應制成，一般選光敏電阻利用光電導效應制成，一般選 用禁帶寬度較寬的半導體材料。用禁帶寬度較寬的半導體材料。 光電導原理光電導原理：當入射光照到半導體上時，：當入射光照到半導體上時， 光子的能量如果大于禁帶寬度，即光子的能量如果大于禁帶寬度，即hfEhfEg g, , 則電子受光子的激發(fā)由價帶越過禁帶躍遷則電子受光子的激發(fā)由價帶越過禁帶躍遷 到導帶，在價帶中留下帶正電的空穴，在到導帶，在價帶中留下帶正電的空穴，在 外加電壓作用下，導帶中的電子和價帶中外加電壓作用下，導帶中的電子和價帶中 的空穴同時參與導電，即載流子數(shù)增多使的空穴同時參與導電，即載流子數(shù)增多使 其其電

20、阻下降電阻下降。 原理：原理：光敏電阻在受到光的照射時，由于內(nèi)光電效應使其導光敏電阻在受到光的照射時，由于內(nèi)光電效應使其導 電性能增強，電阻電性能增強，電阻R RG G值下降，流過負載電阻值下降，流過負載電阻R RL L的電流及其兩的電流及其兩 端電壓也隨之變化。光線越強，電流越大。當端電壓也隨之變化。光線越強，電流越大。當光照停止時光照停止時， 光電效應消失，光電效應消失，電阻恢復原值電阻恢復原值。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 (2) (2) 光敏電阻的特性光敏電阻的特性 暗電阻暗電阻、暗電流暗電流 暗電阻暗電阻：若將光敏電阻置于無光照條件下，測得的光敏

21、電：若將光敏電阻置于無光照條件下，測得的光敏電 阻的阻值。這時，在給定工作電壓下測得光敏電阻中的電流稱阻的阻值。這時，在給定工作電壓下測得光敏電阻中的電流稱 為為暗電流暗電流。 亮電阻亮電阻、光電流光電流 亮電阻亮電阻：光敏電阻在光照條件下，測得的光敏電阻的阻值：光敏電阻在光照條件下，測得的光敏電阻的阻值 ( (亮電阻一般在幾千歐姆亮電阻一般在幾千歐姆) ) 。這時在工作電壓下測得的電流稱為。這時在工作電壓下測得的電流稱為 亮電流亮電流。 光電流光電流：亮電流和暗電流之差稱為光電流：亮電流和暗電流之差稱為光電流I I。 光敏電阻的光譜特性光敏電阻的光譜特性 使用不同材料制成的光敏電阻，有著不同

22、的光譜特性。使用不同材料制成的光敏電阻，有著不同的光譜特性。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 1: 1:硫化鎘、硫化鎘、 2: 2:硫化鉈、硫化鉈、 3: 3:硫化鉛。硫化鉛。 光敏電阻的光電特性光敏電阻的光電特性 在一定電壓作用下，光敏電阻的在一定電壓作用下，光敏電阻的 光電流光電流I I與照射光通量與照射光通量的關(guān)系稱為光的關(guān)系稱為光 電特性。電特性。 光敏電阻的光電特性具有非線性。光敏電阻的光電特性具有非線性。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 時間常數(shù)時間常數(shù) 當光敏電阻受到光照時，光電流要經(jīng)過一定時間才能到達當光敏電阻

23、受到光照時，光電流要經(jīng)過一定時間才能到達 穩(wěn)定值。同樣，光照停止后，光電流也要經(jīng)過一定時間才能恢穩(wěn)定值。同樣，光照停止后，光電流也要經(jīng)過一定時間才能恢 復到暗電流。復到暗電流。 光敏電阻的光電流隨光強度變化的慣性，通常用時間常數(shù)光敏電阻的光電流隨光強度變化的慣性，通常用時間常數(shù) 表示。時間常數(shù)反映了光敏電阻對光照響應的快慢程度。不表示。時間常數(shù)反映了光敏電阻對光照響應的快慢程度。不 同材料的光敏電阻有著不同的時間常數(shù)。同材料的光敏電阻有著不同的時間常數(shù)。 2 2 光電池光電池 光電池基于阻擋層的光電效應工作的。光電池基于阻擋層的光電效應工作的。 在光線照射下，直接將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿莸墓怆娫诠?/p>

24、線照射下，直接將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿莸墓怆娫?件。實質(zhì)上它就是電壓源。件。實質(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、光電池的種類很多，有硒光電池、氧化亞銅光電池、 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 硫化鉈光電池、硫化鎘光電池、鍺光電池、硅光電池、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。砷化鎵光電池等。 其中硅光電池和硒光電池用途廣泛。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本課程介紹硅和硒兩種光電池. (1) (1) 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理 硅光電池是在一塊硅光電池是在一塊N N型硅片型硅片 上，用擴

25、散的方法摻入一些上，用擴散的方法摻入一些P P型型 雜質(zhì)（例如硼）形成雜質(zhì)（例如硼）形成PNPN結(jié)。結(jié)。 入射光照射在入射光照射在PNPN結(jié)上時，若光子能量結(jié)上時，若光子能量hfhf大于半導體材料的禁大于半導體材料的禁 帶寬度帶寬度E Eg g，則在，則在PNPN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子- -空穴對，在內(nèi)電場的作用下，空穴對，在內(nèi)電場的作用下， 空穴移向空穴移向P P型區(qū)，電子移向型區(qū)，電子移向N N型區(qū)，使型區(qū)，使P P型區(qū)帶正電，型區(qū)帶正電，N N型區(qū)帶負型區(qū)帶負 電，因而電，因而PNPN結(jié)產(chǎn)生電勢。結(jié)產(chǎn)生電勢。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 硒光電池是

26、在鋁片上涂硒，硒光電池是在鋁片上涂硒， 再用濺射的工藝，在硒層上形再用濺射的工藝，在硒層上形 成一層半透明的氧化硒。在正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。反兩面噴上低溶合金作為電極。 在光線照射下，鎘材料帶負電，在光線照射下，鎘材料帶負電， 硒材料上帶正電，形成光電流硒材料上帶正電，形成光電流 或光電勢?；蚬怆妱荨?(2) (2) 主要特性主要特性 光電池的光譜特性光電池的光譜特性 不同光電池的光譜峰值位置不同。不同光電池的光譜峰值位置不同。 如硅光電池在如硅光電池在8000 8000 附近，硒附近，硒 光電池在光電池在5400 5400 附近。附近。 A A 光 半透明

27、金屬膜 硒半導體 金屬底盤 )(um波長 %相對靈敏度 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 硅光電池的光譜范圍廣，即為硅光電池的光譜范圍廣，即為450011000 450011000 之間，硒光之間，硒光 電池的光譜范圍為電池的光譜范圍為34007500 34007500 。因此硒光電池適用于可見。因此硒光電池適用于可見 光，常用于照度計測定光的強度。光，常用于照度計測定光的強度。 A A 光電池的光照特性光電池的光照特性 光電池在不同的光強照光電池在不同的光強照 射下可產(chǎn)生不同的光電流和射下可產(chǎn)生不同的光電流和 光生電動勢。光生電動勢。 短路電流在很大范圍內(nèi)與光

28、強成線性關(guān)系。開路電壓短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關(guān)系。開路電壓 隨光強變化是非線性的，并且當照度在隨光強變化是非線性的，并且當照度在2000lx2000lx時就趨于飽和時就趨于飽和 了。因此把光電池作為測量元件時，應把它當作電流源的了。因此把光電池作為測量元件時，應把它當作電流源的 形式來使用，不宜用作電壓源。形式來使用，不宜用作電壓源。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 光電池的短路電流：是反映外接負載電阻相對于 光電池內(nèi)阻很小時的光電流。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 的負載電阻為近似“短路”條件。 從實驗中知道，

29、負載電阻越小，光電流與照度之 間的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。 對于不同的負載電阻，可在不同的照度范圍內(nèi)，使對于不同的負載電阻，可在不同的照度范圍內(nèi)，使 光電流與光強保持線性關(guān)系，所以應用光電池作測量光電流與光強保持線性關(guān)系，所以應用光電池作測量 元件時，所用負載電阻的大小，應根據(jù)光強的具體情元件時，所用負載電阻的大小，應根據(jù)光強的具體情 況而定?？傊?，負載電阻越小越好況而定。總之，負載電阻越小越好。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 光電池的頻率特性光電池的頻率特性 光電池在作為測量、計數(shù)、接收元件光電池在作為測量、計數(shù)、接收元件 時，常用交變光照。時，常用

30、交變光照。 光電池的頻率特性：反映光的交變頻光電池的頻率特性：反映光的交變頻 率和光電池輸出電流的關(guān)系。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硅光電池可以有很高的頻率響應 光電池的溫度特性光電池的溫度特性 光電池的開路電壓和短路電流隨溫光電池的開路電壓和短路電流隨溫 度變化的情況。度變化的情況。由于它關(guān)系到應用光由于它關(guān)系到應用光 電池設備的溫度漂移，影響到測量精電池設備的溫度漂移，影響到測量精 度或控制精度等主要指標，因此它是度或控制精度等主要指標，因此它是 光電池的重要特征之一。光電池的重要特征之一。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 開路

31、電壓隨溫度升高而下降的速度較快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。短路電流隨溫度升高而緩慢增加。 當用光電池作測量元件時，在系統(tǒng)設計中應考慮到溫度的當用光電池作測量元件時，在系統(tǒng)設計中應考慮到溫度的 漂移，采取相應的措施來進行補償。漂移，采取相應的措施來進行補償。 3 3 光敏二、三極管光敏二、三極管 1) 1)光敏二極管光敏二極管 (1) (1) 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 光敏二極管又稱光電二極管，與普通二極管在結(jié)構(gòu)上是類光敏二極管又稱光電二極管，與普通二極管在結(jié)構(gòu)上是類 似的。似的。 在光敏二極管管殼上有一個能射入光線的玻璃透鏡，入射在光敏二極管管殼

32、上有一個能射入光線的玻璃透鏡，入射 光通過玻璃透鏡正好射在管芯上。發(fā)光二極管的管芯是一個具光通過玻璃透鏡正好射在管芯上。發(fā)光二極管的管芯是一個具 有光敏特性的有光敏特性的PNPN結(jié)，它被封裝在管殼內(nèi)。發(fā)光二極管管芯的光結(jié)，它被封裝在管殼內(nèi)。發(fā)光二極管管芯的光 敏面是通過擴散工藝在敏面是通過擴散工藝在N N型單晶硅上形成的一層薄膜。光敏二型單晶硅上形成的一層薄膜。光敏二 極管的管芯以及管芯上的極管的管芯以及管芯上的PNPN結(jié)面積結(jié)面積 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 做得較大，而管芯上的電做得較大，而管芯上的電 極面積做得較小，極面積做得較小，PNPN結(jié)的結(jié)的

33、結(jié)深比普通半導體二極管結(jié)深比普通半導體二極管 做得淺，這些結(jié)構(gòu)都是為做得淺，這些結(jié)構(gòu)都是為 了提高光電轉(zhuǎn)換的能力。了提高光電轉(zhuǎn)換的能力。 與普通硅半導體二極管一與普通硅半導體二極管一 樣，在硅片上生長了一層樣，在硅片上生長了一層 二氧化硅保護層，它把二氧化硅保護層，它把PNPN 結(jié)的邊緣保護起來，提高結(jié)的邊緣保護起來，提高 了管子的穩(wěn)定性，減小了了管子的穩(wěn)定性，減小了 暗電流。暗電流。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 光敏二極管在電路中處于反向偏光敏二極管在電路中處于反向偏 置，在沒有光照射時，反向電阻很大，置，在沒有光照射時，反向電阻很大， 反向電流反向電流

34、( (暗電流暗電流) )很小。當光照射在很小。當光照射在 PNPN結(jié)上，光子打在結(jié)上，光子打在PNPN結(jié)附近，使結(jié)附近，使PNPN 結(jié)附近產(chǎn)生光生電子及光生空穴，因結(jié)附近產(chǎn)生光生電子及光生空穴，因 此使此使PNPN結(jié)的反向電流增大。結(jié)的反向電流增大。 (2) (2) 主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù) 最高反向工作電壓最高反向工作電壓 最高反向工作電壓：光敏二極管在無光照條件下，反向最高反向工作電壓：光敏二極管在無光照條件下，反向 漏電流不大于漏電流不大于0.1A0.1A時所能承受的最高反向電壓值。時所能承受的最高反向電壓值。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 暗電流暗電

35、流 暗電流：光敏二極管在無光照、最高反向工作電壓條件暗電流：光敏二極管在無光照、最高反向工作電壓條件 下的漏電流。暗電流越小，光敏二極管的性能越穩(wěn)定，檢測下的漏電流。暗電流越小，光敏二極管的性能越穩(wěn)定，檢測 弱光的能力越強。弱光的能力越強。 光電流光電流 光電流是指光敏二極管受到一定光照時，在最高反向工作光電流是指光敏二極管受到一定光照時，在最高反向工作 電壓下產(chǎn)生的電流。光電流值越大越好。電壓下產(chǎn)生的電流。光電流值越大越好。 靈敏度靈敏度 是反映光敏二極管對光敏感程度的一個參數(shù)，用在每微是反映光敏二極管對光敏感程度的一個參數(shù)，用在每微 瓦的入射光能量下所產(chǎn)生的光電流來表示。靈敏度越高，說瓦的

36、入射光能量下所產(chǎn)生的光電流來表示。靈敏度越高，說 明光敏二極管對光的反應就越靈敏。明光敏二極管對光的反應就越靈敏。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 響應時間響應時間 表示光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號所需要的時間。響表示光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號所需要的時間。響 應時間越短，說明光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的速度越應時間越短，說明光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的速度越 快，也就是光敏二極管的工作頻率越高?？欤簿褪枪饷舳O管的工作頻率越高。 結(jié)電容結(jié)電容 指光敏二極管中指光敏二極管中PNPN結(jié)的結(jié)電容。結(jié)電容越小，發(fā)光二極管結(jié)的結(jié)電容。結(jié)電容越小，發(fā)光二

37、極管 的工作頻率就越高。的工作頻率就越高。 正向壓降正向壓降 指給光敏二極管以一定的正向電流時，光敏二極管兩端的指給光敏二極管以一定的正向電流時，光敏二極管兩端的 電壓降。它反映了光敏二極管正向特性的好壞。電壓降。它反映了光敏二極管正向特性的好壞。 光譜范圍和峰值波長光譜范圍和峰值波長 不同材料制成的光敏二極管有著不同的光譜特性，反映了不同材料制成的光敏二極管有著不同的光譜特性，反映了 光敏二極管對不同波長的光反應的靈敏度是不同的。光敏二極管對不同波長的光反應的靈敏度是不同的。 峰值波長峰值波長: :光敏二極管反應最靈敏的波長。光敏二極管反應最靈敏的波長。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測

38、量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 2) 2) 光敏三極管光敏三極管 (1) (1) 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 光敏三極管光敏三極管: :PNPPNP型型和和NPNNPN型型。 光敏三極管像普通三極管一樣有兩個光敏三極管像普通三極管一樣有兩個PNPN結(jié)，具有電結(jié)，具有電 流增益。當集電極加上正電壓，基極開路時，集電極處流增益。當集電極加上正電壓，基極開路時，集電極處 于反向偏置狀態(tài)。當光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時，會產(chǎn)于反向偏置狀態(tài)。當光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時，會產(chǎn) 生電子生電子- -空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，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

39、，便有大量的電子流向集使基極和發(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電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的 倍。倍。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 (2) (2) 光敏三極管的主要特性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的光譜特性 光敏三極管存在一個最佳靈敏光敏三極管存在一個最佳靈敏 度的峰值波長。當入射光的波長增度的峰值波長。當入射光的波長增 加時，相對靈敏度要下降。加時，相對靈敏度要下降。 光敏三極管的伏安特性光敏三極管的伏安特性 光敏三極管在不同照度下的伏安特性，就像一般晶體管在光敏三極

40、管在不同照度下的伏安特性，就像一般晶體管在 不同的基極電流時的輸出特性一樣。只要將入射光照在發(fā)射極不同的基極電流時的輸出特性一樣。只要將入射光照在發(fā)射極 e e與基極與基極b b之間的之間的PNPN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流， 可將光敏三極管看作一般的晶體管，光敏三極管能把光信號變可將光敏三極管看作一般的晶體管，光敏三極管能把光信號變 成電信號，且輸出的電信號較大。成電信號，且輸出的電信號較大。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 光敏三極管的光照特性光敏三極管的光照特性 光敏三極管的輸出電流光敏三極管的輸出電流I I和

41、照度之間的關(guān)系，它們之間呈和照度之間的關(guān)系，它們之間呈 近似線性關(guān)系。當光照足夠大（幾千勒克斯）時，會出現(xiàn)飽近似線性關(guān)系。當光照足夠大（幾千勒克斯）時，會出現(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。關(guān)轉(zhuǎn)換元件。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 光敏三極管的溫度特性光敏三極管的溫度特性 光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。 溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很 大，所以電子線路中應該

42、對暗電流進行溫度補償，否則將大，所以電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將 會導致輸出誤差。會導致輸出誤差。 光敏三極管的頻率特性光敏三極管的頻率特性 光敏三極管的頻率特性光敏三極管的頻率特性 受負載電阻的影響，減小負受負載電阻的影響，減小負 載電阻可以提高頻率響應。載電阻可以提高頻率響應。 光敏三極管的頻率響應比光光敏三極管的頻率響應比光 敏二極管差。敏二極管差。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 10.4 10.4 光纖傳感器光纖傳感器 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。光纖傳感器所

43、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單模光纖的纖芯直徑通常為212m212m，很細的纖芯半徑，很細的纖芯半徑 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；光強調(diào)制調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強調(diào)制 型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 2SiO522OPOGe、 1n 2SiO 432SiFOB、 2n 纖芯 包層 塑料套管 涂敷層 mm1外層直徑um2

44、00100 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 2211sinsinnn 1n 光密介質(zhì) 2n 光疏介質(zhì) aa bb cc a b 11 CC 2 902 1 2 sin n n C C 1 0 d 1n 2n 0n A B C C1 光折射與反射的光折射與反射的snell定律定律 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NANA : :描述集光的能力描述集光的能力( (反映纖芯接受光量的多少反映纖芯接受光量的多少) ) 2 2 2 1 0 1 NAnn n sin c NANA意義：無論光源發(fā)射功率多大，只有入射光處于意

45、義：無論光源發(fā)射功率多大，只有入射光處于22c c的光的光 角內(nèi)，光纖才能導光。角內(nèi)，光纖才能導光。NANA是光纖的一個重要參數(shù)。一般希望是光纖的一個重要參數(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，會造成光信號畸變，所以要適當選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值。大，會造成光信號畸變，所以要適當選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值。 一般光線所處環(huán)境為空氣，一般光線所處環(huán)境為空氣，n n0 0=1=1。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 調(diào)制器調(diào)制器 光源 入射光纖出射光纖 光探測器 輸出 第第1010章章 光電測量

46、技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 光源 入射光纖出射光纖 光探測器 輸出 調(diào)制器 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 幾種常用的光纖傳感器幾種常用的光纖傳感器 1 光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 2 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 光纖位移傳感器是利用光導纖維傳輸光信號的功能，根據(jù)光纖位移傳感器是利用光導纖維傳輸光信號的功能，根據(jù) 探測到的反射光的強度來測量被測反射表面的距離。探測到的反射光的強度來測量被測反射表面的距離。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 入射

47、光纖接收光纖 光源 被測物體 x位移 d d位移 光電流輸出 axmI md 0 入射光纖接收光纖 被測物體 d AB 利用光導纖維傳輸光利用光導纖維傳輸光 信號的功能，根據(jù)探信號的功能，根據(jù)探 測到的反射光的強度測到的反射光的強度 來測量被測反射表面來測量被測反射表面 的距離。的距離。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 1.1.光纖探頭端部緊貼被測部件時，發(fā)射光纖中的光不能反射到光纖探頭端部緊貼被測部件時，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；接收光纖中去，因而就不能產(chǎn)生光電流信號； 2.2.被測表面逐漸遠離光纖探頭時，發(fā)射光纖照亮

48、被測表面的面被測表面逐漸遠離光纖探頭時，發(fā)射光纖照亮被測表面的面 積積A A越來越大，因而相應的發(fā)射光錐和接收光錐重合面積越來越大，因而相應的發(fā)射光錐和接收光錐重合面積B B1 1越來越來 越大，因而接收光纖端面上被照亮的區(qū)越大，因而接收光纖端面上被照亮的區(qū)B B2 2也越來越大，有一個線也越來越大，有一個線 性增長的輸出信號；性增長的輸出信號； 3.3.當整個接收光纖的端面被全部照亮時，輸出信號就達到了位當整個接收光纖的端面被全部照亮時，輸出信號就達到了位 移移- -輸出信號曲線上的輸出信號曲線上的“光峰點光峰點”，光峰點以前的這段曲線叫前，光峰點以前的這段曲線叫前 坡區(qū)；坡區(qū)； 4.4.當

49、被測表面繼續(xù)遠離時，由于被反射光照亮的面積當被測表面繼續(xù)遠離時，由于被反射光照亮的面積B B2 2大于大于C C， 即有部分反射光沒有反射進接收光纖，但由于接收光纖更加遠即有部分反射光沒有反射進接收光纖，但由于接收光纖更加遠 離被測表面，接收到的光強逐漸減小，光敏檢測器的輸出信號離被測表面，接收到的光強逐漸減小，光敏檢測器的輸出信號 逐漸減弱，便進入曲線的后坡區(qū)。逐漸減弱，便進入曲線的后坡區(qū)。 工作原理工作原理 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 在后坡區(qū)，信號的減弱與探頭在后坡區(qū)，信號的減弱與探頭 和被測表面之間的距離平方成反和被測表面之間的距離平方成反 比。比

50、。 在位移在位移- -輸出曲線的輸出曲線的“前坡前坡” 區(qū)中，輸出信號的強度增加得非區(qū)中，輸出信號的強度增加得非 常快，所以這一區(qū)域可以用來進常快，所以這一區(qū)域可以用來進 行微米級的位移測量。行微米級的位移測量。 “后坡后坡”區(qū)可用于距離較遠而靈敏度、線性度和精度要求不高區(qū)可用于距離較遠而靈敏度、線性度和精度要求不高 的測量。的測量。 光峰區(qū)光峰區(qū): :輸出信號對于光強度變化的靈敏度要比對于位移變化的輸出信號對于光強度變化的靈敏度要比對于位移變化的 靈敏度大得多，所以這個區(qū)域可用于對表面狀態(tài)進行光學測量。靈敏度大得多，所以這個區(qū)域可用于對表面狀態(tài)進行光學測量。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光

51、電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 3 3 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感 器而廣泛使用的光纖傳感器。器而廣泛使用的光纖傳感器。 根據(jù)工作原理可分為相位調(diào)制型、光強調(diào)制型和根據(jù)工作原理可分為相位調(diào)制型、光強調(diào)制型和 偏振光型等。偏振光型等。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 光分別送入兩根長度相同的單模光纖中，則從兩根光纖射出的光分別送入兩根長度相同的單模光纖中，則從兩根光纖射出的 光就產(chǎn)生干涉而形成干涉條紋。當探測臂受到被測溫度變化時，光就產(chǎn)生干涉而形成干涉條紋。當探測臂受到被測

52、溫度變化時， 就會引起兩束光的相位差之變化，因此光的干涉條紋就會產(chǎn)生就會引起兩束光的相位差之變化，因此光的干涉條紋就會產(chǎn)生 移動，根據(jù)移動的干涉條紋數(shù)就可以確定被測溫度之大小。移動，根據(jù)移動的干涉條紋數(shù)就可以確定被測溫度之大小。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 光電傳感器的應用光電傳感器的應用 1 煙塵濁度檢測儀 煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道里傳輸過程中的變煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道里傳輸過程中的變 化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙 塵顆粒吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光塵顆

53、粒吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光 檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。 第第1010章章 光電測量技術(shù)光電測量技術(shù) 光電測量技術(shù)最新課件 2 燈光亮度自動控制器燈光亮度自動控制器 燈光亮度控制器可按照環(huán)境光照強度自動調(diào)節(jié)白熾燈或燈光亮度控制器可按照環(huán)境光照強度自動調(diào)節(jié)白熾燈或 熒光燈的亮度，從而使室內(nèi)的照明自動保持在最佳狀態(tài)，避熒光燈的亮度，從而使室內(nèi)的照明自動保持在最佳狀態(tài)，避 免人們產(chǎn)生視覺疲勞。免人們產(chǎn)生視覺疲勞。 控制器主要由環(huán)境光照檢測電橋、放大器、積分器、比控制器主要由環(huán)境光照檢測電橋、放大器、積分器、比 較器、過零檢測器、鋸齒波形成電路、雙向晶閘管等組成。較器、過零檢測器、鋸齒波形成電路、雙向晶閘管等組成。 過零檢測器對過零檢測器對50Hz50H