434362506光電式傳感器PPT

1、2021年11月2日12021年11月2日2光電式傳感器概念n光電式傳感器（或稱光敏傳感器）n是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電壓、電流、電阻等）的裝置。n按工作原理分類n光電效應(yīng)傳感器n紅外熱釋電探測(cè)器n固體圖像傳感器n光纖傳感器 2021年11月2日3第一節(jié) 光電器件的基本概念n光電器件是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N傳感器件。是構(gòu)成光電式傳感器的主要部件。n光電器件工件的物理基礎(chǔ)：光電效應(yīng)。n光電效應(yīng)分為：內(nèi)光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)2021年11月2日4外光電效應(yīng)n當(dāng)光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時(shí)，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會(huì)克服正離

2、子對(duì)它的吸引力，脫離材料表面而進(jìn)入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。n即外光電效應(yīng)是在光線作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象。n根據(jù)外光電效應(yīng)做出的光電器件有光電管和光電倍增管。2021年11月2日5光電管光電管2021年11月2日6光電倍增管光電倍增管2021年11月2日7內(nèi)光電效應(yīng)n內(nèi)光電效應(yīng)是指在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象n這種效應(yīng)可分為因光照引起半導(dǎo)體電阻率變化的光電導(dǎo)效應(yīng)和因光照產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光生伏特效應(yīng)兩種2021年11月2日8光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用下，對(duì)于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度， 就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流

3、子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低的現(xiàn)象。如光敏電阻。光生伏特效應(yīng) 在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。如光電池。 內(nèi)光電效應(yīng)分類內(nèi)光電效應(yīng)分類2021年11月2日9梳狀電極光電導(dǎo)透光窗口外殼絕緣基體玻璃支柱引腳aa2021年11月2日102021年11月2日112021年11月2日12 光敏電阻又稱光導(dǎo)管是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒(méi)有極性，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。 無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。 一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越

4、小越好，此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級(jí)，亮電阻值在幾千歐以下。 2021年11月2日132021年11月2日142021年11月2日152021年11月2日162021年11月2日172021年11月2日182021年11月2日192021年11月2日202021年11月2日212021年11月2日222021年11月2日232021年11月2日242021年11月2日252021年11月2日262021年11月2日27nnp2021年11月2日282021年11月2日29 存在一個(gè)最佳靈敏度波長(zhǎng)存在一個(gè)最佳靈敏度波長(zhǎng)2021年11月2日3020406080100

5、0lx2021年11月2日312021年11月2日322021年11月2日332021年11月2日34幾種硅光電二極管的特性參數(shù)幾種硅光電二極管的特性參數(shù)2021年11月2日352021年11月2日362021年11月2日372021年11月2日382021年11月2日392021年11月2日402021年11月2日412021年11月2日422021年11月2日43第三節(jié)第三節(jié) 紅外傳感器紅外傳感器 一、一、 紅外輻射紅外輻射 紅外輻俗稱紅外線，它是一種不可見(jiàn)光，由于是位于可見(jiàn)光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長(zhǎng)范圍大致在0.761000 m，紅外線在電磁波譜中的位置如圖8-15 所示

6、。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。 2021年11月2日44圖8 15 電磁波譜圖 1091071051031011010110102103104 / m / cm / m宇宙射線射線x射線紫外線可見(jiàn)光紅外線微波無(wú)線電波極遠(yuǎn)紅外211815129630遠(yuǎn)紅外中紅外近紅外 / m2021年11月2日45 紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，一個(gè)熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過(guò)紅外線輻射出來(lái)的。物體的溫度越高，輻射出來(lái)的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。紅外光的本質(zhì)與可見(jiàn)光或電磁波性質(zhì)一樣，具有反射、 折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速傳播，并具有明

7、顯的波粒二相性。 2021年11月2日46 紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時(shí)，大氣層在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時(shí)，大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的，空氣中對(duì)稱氣體分析器就是利用該特性工作的，空氣中對(duì)稱的雙原子氣體，如的雙原子氣體，如n n2 2、o o2 2、h h2 2等不吸收紅外線。等不吸收紅外線。而紅外線在通過(guò)大氣層時(shí)，有三個(gè)波段透過(guò)率高，而紅外線在通過(guò)大氣層時(shí)，有三個(gè)波段透過(guò)率高，它們是它們是2 22.6m2.6m、

8、3 35 m5 m和和8 814 m14 m，統(tǒng)統(tǒng)稱它們?yōu)榉Q它們?yōu)椤按髿獯翱诖髿獯翱凇?。這三個(gè)波段對(duì)紅外探測(cè)。這三個(gè)波段對(duì)紅外探測(cè)技術(shù)特別重要，因此紅外探測(cè)器一般都工作在這技術(shù)特別重要，因此紅外探測(cè)器一般都工作在這三個(gè)波段（大氣窗口）之內(nèi)。三個(gè)波段（大氣窗口）之內(nèi)。 2021年11月2日49室溫下，反射光1100k，自身輻射光1、基爾霍夫（kirchhoff）定律一個(gè)黑白花盤(pán)子的兩張照片原來(lái)白底的地方吸收的少（反射的多），發(fā)射原來(lái)白底的地方吸收的少（反射的多），發(fā)射的光強(qiáng)也就弱；的光強(qiáng)也就弱；原來(lái)黑花紋的部分吸收的多原來(lái)黑花紋的部分吸收的多（反射的少），發(fā)射的光強(qiáng)也就強(qiáng)；（反射的少），發(fā)射的光

9、強(qiáng)也就強(qiáng)；（gustav robert kirchhoff,18241887）德國(guó)物理學(xué)家 2021年11月2日50 0 eer物體向周圍反射紅外輻射能時(shí)，同時(shí)也吸收周圍物體發(fā)射的紅外輻射能，即式中 er物體在單位面積和單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的輻射能 物體的吸收系數(shù) e0常數(shù)，其值等于黑體在相同條件下發(fā)射出的輻射能。l基爾霍夫定律2021年11月2日51l在熱平衡的條件下，任何物體的輻射力和它對(duì)來(lái)自黑體輻射的吸收率的比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力。l由此得出的結(jié)論：l1，在同溫度下，物體的輻射力越大，吸收率也越大；l2，所有實(shí)際物體的吸收率均小于1，所以，在同溫度下，黑體的輻射力最大。2021年1

10、1月2日522、斯特藩 玻耳茲曼定律 stefan（德）boltzman（奧） 斯特藩 玻耳茲曼常量；比輻射率，黑體的1；t 物體的絕對(duì)溫度，k；428kw/m1067. 5 斯特藩 玻耳茲曼定律和維恩位移定律是測(cè)量高溫、遙感和紅外追蹤等的物理基礎(chǔ)。1879年斯特藩從實(shí)驗(yàn)上總結(jié)而得到1884年玻耳茲曼從理論上證明物體在單位時(shí)間內(nèi)其單位面積輻射的總能量 e 為4te2021年11月2日54btm km10898. 23 b3、 維恩位移定律1893年由理論推導(dǎo)而得m（wien displacement law）測(cè)得， nm510 m t表面 = 5700k若視太陽(yáng)為黑體，m 峰值波長(zhǎng)定出：維恩位

11、移定律指出：當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度升高時(shí)，單色輻出度最大值向短波方向移動(dòng)。2021年11月2日551400 k物體輻射總能量及能量按波長(zhǎng)分布決定于溫物體輻射總能量及能量按波長(zhǎng)分布決定于溫度度800 k1000 k1200 k固體在溫度升高時(shí)顏色的變化固體在溫度升高時(shí)顏色的變化例子：低溫火爐輻射能集中在紅光。例子：低溫火爐輻射能集中在紅光。 高溫物體輻射能集中在綠、藍(lán)色。高溫物體輻射能集中在綠、藍(lán)色。2021年11月2日56 紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、 探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成。 紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心。紅外探測(cè)器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來(lái)探測(cè)紅外輻射的。紅外探測(cè)

12、器的種類很多，按探測(cè)機(jī)理的不同，分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。 二、二、 紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器2021年11月2日57 熱探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)的變化來(lái)確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。 與光子探測(cè)器相比，熱探測(cè)器的探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。但熱探測(cè)器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬， 響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便， 應(yīng)用相當(dāng)廣泛。 1. 1. 熱探測(cè)器熱探測(cè)器2021年11月2日58 熱探測(cè)器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中

13、，熱釋電型探測(cè)器在熱探測(cè)器中探測(cè)率最高， 頻率響應(yīng)最寬，所以這種探測(cè)器倍受重視，發(fā)展很快。這里我們主要介紹熱釋電型探測(cè)器。 2021年11月2日59 熱釋電型紅外探測(cè)器是根據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的，即電石、 水晶、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產(chǎn)生溫度變化時(shí)，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化， 在其兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。用此效應(yīng)制成的“鐵電體”， 其極化強(qiáng)度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。2021年11月2日60 當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時(shí)引起薄片溫度升高，使其極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。 如果將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連

14、，則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)輸出。輸出信號(hào)的強(qiáng)弱取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強(qiáng)弱，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射光輻射率變化的速率。 2021年11月2日61 光子探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用入射光輻射的光子流與探測(cè)器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象這種現(xiàn)象稱為光子效應(yīng)。根據(jù)所產(chǎn)生的不同電學(xué)現(xiàn)象，可制成各種不同的光子探測(cè)器。光子探測(cè)器有內(nèi)光電和外光電探測(cè)器兩種，后者又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測(cè)器等三種。 光子探測(cè)器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測(cè)波段較窄，一般需在低溫下工作。 2. 光子探測(cè)器光子探

15、測(cè)器2021年11月2日62一、一、 紅外測(cè)溫儀紅外測(cè)溫儀紅外測(cè)溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來(lái)測(cè)量溫度的。 當(dāng)物體的溫度低于1000時(shí)，它向外輻射的不再是可見(jiàn)光而是紅外光了，可用紅外探測(cè)器檢測(cè)其溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測(cè)溫儀工作在任意紅外波段。 第四節(jié)第四節(jié) 光電傳感器應(yīng)用舉例光電傳感器應(yīng)用舉例2021年11月2日63 圖817是目前常見(jiàn)的紅外測(cè)溫儀方框圖。它是一個(gè)包括光、 機(jī)、電一體化的紅外測(cè)溫系統(tǒng)，圖中的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)固定焦距的透射系統(tǒng)，濾光片一般采用只允許814 m的紅外輻射能通過(guò)的材料。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)， 將被測(cè)的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線。紅外

16、探測(cè)器一般為（鉭酸鋰）熱釋電探測(cè)器，透鏡的焦點(diǎn)落在其光敏面上。 被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射通過(guò)透鏡聚焦在紅外探測(cè)器上，紅外探測(cè)器將紅外輻射變換為電信號(hào)輸出。 2021年11月2日64圖12 2 紅外測(cè)溫儀方框圖 透鏡 濾光片紅外探測(cè)器步進(jìn)電機(jī)調(diào)制盤(pán)溫度傳感器前放選放同步檢波加法器“”調(diào)節(jié)線性化a / d數(shù)顯多諧振蕩器放大7 72021年11月2日65 紅外測(cè)溫儀的電路比較復(fù)雜，包括前置放大、選頻放大、 溫度補(bǔ)償、線性化、發(fā)射率（）調(diào)節(jié)等。目前已有一種帶單片機(jī)的智能紅外測(cè)溫器， 利用單片機(jī)與軟件的功能，大大簡(jiǎn)化了硬件電路， 提高了儀表的穩(wěn)定性、 可靠性和準(zhǔn)確性。 紅外測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng)可以是透射式，也可以

17、是反射式。 反射式光學(xué)系統(tǒng)多采用凹面玻璃反射鏡，并在鏡的表面鍍金、 鋁、 鎳或鉻等對(duì)紅外輻射反射率很高的金屬材料。 2021年11月2日66 紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對(duì)紅外線具有選擇性的吸收的特性來(lái)對(duì)氣體成分進(jìn)行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收帶）不同，圖8 - 18給出了幾種氣體對(duì)紅外線的透射光譜，從圖中可以看出，co氣體對(duì)波長(zhǎng)為4.65 m附近的紅外線具有很強(qiáng)的吸收能力，co2氣體則發(fā)生在2.78 m和4.26 m附近以及波長(zhǎng)大于13 m的范圍對(duì)紅外線有較強(qiáng)的吸收能力。如分析co氣體，則可以利用4.26 m附近的吸收波段進(jìn)行分析。 二、二、 紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀2021年11

18、月2日67圖8 18 幾種氣體對(duì)紅外線的透射光譜 100806040200透射率 / (%)100806040200透射率 / (%)100806040200透射率 / (%)23456789 10 11 12 13 14 15 / m23456789 10 11 12 13 14 15 / mcoco2ch4c2h4c2h6c2h22021年11月2日68 圖8 - 19是工業(yè)用紅外線氣體分析儀的結(jié)構(gòu)原理圖。 該分析儀由紅外線輻射光源、氣室、 紅外檢測(cè)器及電路等部分組成。 光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出310 m的紅外線，切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線，以便于紅外線檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)。 測(cè)

19、量氣室中通入被分析氣體，參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體（如n2等）。紅外檢測(cè)器是薄膜電容型，它有兩個(gè)吸收氣室，充以被測(cè)氣體，當(dāng)它吸收了紅外輻射能量后， 氣體溫度升高，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大。 2021年11月2日69 測(cè)量時(shí)（如分析co氣體的含量），兩束紅外線經(jīng)反射、切光后射入測(cè)量氣室和參比氣室， 由于測(cè)量氣室中含有一定量的co氣體，該氣體對(duì)4.65 m的紅外線有較強(qiáng)的吸收能力， 而參比氣室中氣體不吸收紅外線，這樣射入紅外探測(cè)器的兩個(gè)吸收氣室的紅外線光造成能量差異，使兩吸收室壓力不同，測(cè)量邊的壓力減小，于是薄膜偏向定片方向， 改變了薄膜電容兩電極間的距離，也就改變了電容c。如被測(cè)氣體的濃度愈大，兩

20、束光強(qiáng)的差值也愈大， 則電容的變化量也愈大，因此電容變化量反映了被分析氣體中被測(cè)氣體的濃度。 2021年11月2日70圖8 19 紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖 95657412381光 源 ； 2拋 物 體 反 射 鏡 ； 3同 步 電 動(dòng)機(jī) ； 4切 光 片 ； 5濾 波 氣 室 ； 6參 比 室 ；7測(cè) 量 室 ； 8紅 外 探 測(cè) 器 ； 9放 大 器2021年11月2日71 圖8-19所示結(jié)構(gòu)中還設(shè)置了濾波氣室，其目的是為了消除干擾氣體對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。所謂干擾氣體，是指與被測(cè)氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體，如co氣體和co2在45 m波段內(nèi)紅外吸收光譜有部分重疊，則co2的存在對(duì)分析co氣體帶來(lái)影響，這種影響稱為干