傳感器與檢測(cè)技術(shù)3光電傳感器

1、傳感器與檢測(cè)技術(shù)傳感器與檢測(cè)技術(shù)第四章光電傳感器第四章光電傳感器王宏王宏2013年09月1364053525713640535257http:/光電器件光電器件 2紅外線傳感器紅外線傳感器3光纖傳感器光纖傳感器 4光電傳感器應(yīng)用案例光電傳感器應(yīng)用案例5光電效應(yīng)光電效應(yīng)1http:/ 將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為光電傳感器光電傳感器或光電元件。或光電元件。光電式傳感器的工作原理是：光電式傳感器的工作原理是：首先首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化光信號(hào)的變化，然后通過(guò)，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)變換成電信號(hào)光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電傳

2、感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)光電效應(yīng)光電效應(yīng)光電效應(yīng)1http:/4.1.1 4.1.1 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 光電效應(yīng)按其作用原理可分為光電效應(yīng)按其作用原理可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng) 在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。電效應(yīng)。 基于外光電效應(yīng)的光電器件有基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管等。等。 我們知道，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的能力由下式確定我們知道，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的能力由下式確定)s s)(J106.626h -

3、134-光光的的頻頻率率（為為普普朗朗克克常常數(shù)數(shù)式式中中： hEhttp:/電電子子逸逸出出速速度度。電電子子質(zhì)質(zhì)量量式式中中：-u -m 002021Amuh 若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A A0 0時(shí)時(shí)，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。 故要使一個(gè)電子逸出，則光子能量故要使一個(gè)電子逸出，則光子能量hh必須超出逸出功必須超出逸出功A A0 0 ，超過(guò)部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。即，超過(guò)部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。即( (愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)方程) )http:/4.

4、1.2 4.1.2 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 受光照的物體受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化導(dǎo)電率發(fā)生變化，或，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類。內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類。 1 1）光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵。在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的器件有稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的器件有光敏電阻光敏電阻等。等。 2 2）光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)。在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方

5、。在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的器件有向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的器件有光電光電池和光敏晶體管池和光敏晶體管等。等。http:/ 在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)。 具有該效應(yīng)的材料有具有該效應(yīng)的材料有硅、硒、氧化亞銅、硫化鎘、砷硅、硒、氧化亞銅、硫化鎘、砷化鎵化鎵等。等。 例如，當(dāng)一定波長(zhǎng)的光照射例如，當(dāng)一定波長(zhǎng)的光照射PNPN結(jié)時(shí)，就產(chǎn)生電子結(jié)時(shí)，就產(chǎn)生電子- -空空穴對(duì)，在穴對(duì)，在PNPN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的作用下，空穴移向結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的作用下，空穴移向P P

6、區(qū)，電子移向區(qū)，電子移向N N區(qū)，于是區(qū)，于是P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，即光生電動(dòng)勢(shì)。區(qū)之間產(chǎn)生電壓，即光生電動(dòng)勢(shì)。 利用該效應(yīng)可制成各類利用該效應(yīng)可制成各類光電池光電池。 http:/光電管和光電倍增管同屬于用外光電效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件光電管和光電倍增管同屬于用外光電效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件光電管光電管光電倍增管光電倍增管光電器件光電器件 24.2.1 光電管和光電倍增管光電管和光電倍增管http:/光電管的結(jié)構(gòu)示意圖光電管的結(jié)構(gòu)示意圖 光光陽(yáng)極陽(yáng)極光電陰極光電陰極光窗光窗1.1.光電管光電管 光電管有光電管有真空光電管和充氣光電管真空光電管和充氣光電管，或稱電子光電管和離子，或稱

7、電子光電管和離子光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖。它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖。它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩形或上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。圓形，置于玻璃管的中央。http:/普通光電管普通光電管 在一個(gè)真空泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：光電在一個(gè)真空泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：光電陰極和光電陽(yáng)極。陰極和光電陽(yáng)極。 光電陰極通常是用逸出功小的光敏材光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)

8、壁上做成，其感光面對(duì)料徐敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對(duì)準(zhǔn)光的照射孔。準(zhǔn)光的照射孔。 當(dāng)光線照射到光敏材料上，便有電子當(dāng)光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸逸出，這些電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。路就產(chǎn)生電流。http:/光電管的符號(hào)和電路光電管的符號(hào)和電路http:/2. 2. 光電倍增管光電倍增管由于真空光電管的由于真空光電管的靈敏度較低，靈敏度較低，因此人們便研制了光電倍增因此人們便研制了光電倍增管，其工作原理如圖。管，其工作原理如圖。http:/ 入射光光電陰極第一倍增極陽(yáng)極

9、第三倍增極光電倍增管的光電倍增管的工作原理工作原理 光電倍增管由光電倍增管由光陰極、光陰極、次陰極次陰極( (倍增電極倍增電極) )以及以及陽(yáng)極陽(yáng)極三部分組三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做銻銫做成；次陰極是在成；次陰極是在鎳或銅鎳或銅- -鈹鈹?shù)囊r底上涂上的襯底上涂上銻銫材料銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)而形成的，次陰極多的可達(dá)3030級(jí)；陽(yáng)極級(jí)；陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的是最后用來(lái)收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的10105 510108 8倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。倍。即光電倍增管的放大

10、倍數(shù)可達(dá)幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍高幾萬(wàn)倍到幾百萬(wàn)倍。因此。因此在很微弱的光照時(shí)，它就能產(chǎn)生很大的光電流。在很微弱的光照時(shí)，它就能產(chǎn)生很大的光電流。http:/主要參數(shù)主要參數(shù)倍增系數(shù)倍增系數(shù) M M niM電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)niiI M M與所加電壓有關(guān)，一般在與所加電壓有關(guān)，一般在10105 510108 8之間。一般之間。一般陽(yáng)極和陰極的電壓為陽(yáng)極和陰極的電壓為1000V1000V2500V2500V，兩個(gè)相鄰的倍，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電壓差為增電極的電壓差為50V50V100V100V。http:/4.2.

11、2 4.2.2 光敏電阻光敏電阻 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件為純電阻元件，其工作原理是基于，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小阻值隨光照增強(qiáng)而減小。 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過(guò)載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等。械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過(guò)載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等。 不足：需要外部電源，有電流時(shí)會(huì)發(fā)熱。不足：需要外部電源，有電流時(shí)會(huì)發(fā)熱。http:/1-1-光導(dǎo)層光導(dǎo)層; ; 2-2-玻璃窗口玻璃窗口; ; 3-3-金屬外殼金屬外殼; ; 4-4-電極電極

12、; ;5-5-陶瓷基座陶瓷基座; ; 6-6-黑色絕緣玻璃黑色絕緣玻璃; ; 7-7-電阻引線。電阻引線。6(a)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) (b)電極電極 (c)符號(hào)符號(hào)光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號(hào)光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號(hào)123457RGhttp:/光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù) 暗電阻：暗電阻：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無(wú)光照射）后光敏電阻在室溫條件下，全暗（無(wú)光照射）后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)在給定電壓經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)在給定電壓下流過(guò)的電流稱為暗電流。下流過(guò)的電流稱為暗電流。 亮電阻：亮電阻：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光

13、照下的亮電阻。此時(shí)流過(guò)的電流稱為該光照下的亮電流。下的亮電阻。此時(shí)流過(guò)的電流稱為該光照下的亮電流。 光電流：光電流：亮電流與暗電流之差。亮電流與暗電流之差。http:/4.2.3 4.2.3 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管http:/ 光敏二極管符號(hào)如圖。鍺光敏二極管有光敏二極管符號(hào)如圖。鍺光敏二極管有A A，B B，C C，D D四類；硅光敏二極管四類；硅光敏二極管有有2CU1A2CU1AD D系列、系列、2DU12DU14 4系列。系列。 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PNPN結(jié)結(jié)裝在管頂，

14、可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀反向工作狀態(tài)態(tài)，如圖所示。，如圖所示。PN光光敏二極管符號(hào)光敏二極管符號(hào)光光光敏二極管接線光敏二極管接線RL PN1.1.光敏二極管光敏二極管http:/ 光敏三極管有光敏三極管有PNPPNP型和型和NPNNPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一般型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有三極管很相似，具有電流增益電流增益, ,只是它的發(fā)射極一邊做的很只是它的發(fā)射極一邊做的很大大, ,以擴(kuò)大光的照射面積以擴(kuò)大光的照射面積, ,且其且其基極不接引線基極不接引線。當(dāng)集電極加上。當(dāng)集電極加上正電壓

15、正電壓, ,基極開(kāi)路時(shí)基極開(kāi)路時(shí), ,集電極處于反向偏置狀態(tài)。集電極處于反向偏置狀態(tài)。PPNNNPe b bc RL Eec2.2.光敏三極管光敏三極管http:/光敏三極管的結(jié)構(gòu)和電路光敏三極管的結(jié)構(gòu)和電路http:/ 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。 由于它可把太陽(yáng)能直接變電能，又稱為由于它可把太陽(yáng)能直接變電能，又稱為太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池。它是發(fā)電式有源元。它是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的件。它有較大面積的PNPN結(jié)，當(dāng)光照射在結(jié)，當(dāng)光照射在PNPN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。 命名方式命

16、名方式：把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池之前。如，硒光電把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前, ,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。池。.4光電池光電池光光+PNSiO2RLI光 P Nhttp:/硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。它是在一塊硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。它是在一塊N N型硅片上用擴(kuò)散的辦型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些法摻入一些P P型雜質(zhì)型雜質(zhì)( (如硼如硼) )形成形成PNPN結(jié)。結(jié)。當(dāng)光照到當(dāng)光照到PNPN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出結(jié)

17、區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子電子- -空穴對(duì)，在空穴對(duì)，在N N區(qū)聚積負(fù)電荷，區(qū)聚積負(fù)電荷，P P區(qū)聚積正電荷，這樣區(qū)聚積正電荷，這樣N N區(qū)和區(qū)和P P區(qū)之間出現(xiàn)電位差區(qū)之間出現(xiàn)電位差. .1. 1. 工作原理工作原理+光光PNSiO2RL(a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b) 光電池的工作原理示意圖光電池的工作原理示意圖 P Nhttp:/IUIdUIRLI(a)(b)(c)光電池符號(hào)和基本工作電路光電池符號(hào)和基本工作電路2. 2. 光電池的表示符號(hào)及電路光電池的表示符號(hào)及電路 光電池的表示符號(hào)、基本電路及等效電路如圖所示。光電池的表示符號(hào)、基本電路及等效電路如

18、圖所示。http:/4.2.5 4.2.5 光電器件的特性光電器件的特性1 1、光照特性、光照特性在光電器件上加一定電壓時(shí)，光電流與光通量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在光電器件上加一定電壓時(shí)，光電流與光通量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。光電倍增管的光照特性光電倍增管的光照特性光通量/1m與直線最大偏離是3%10131010109107105103101在45mA處飽和10141010106102陽(yáng)極電流/ Ahttp:/光電管的光照特性光電管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/ A1.02.51 曲線曲線1 1表示氧銫陰極光電管的光照表示氧銫陰極光電管的光照特性。特性。 曲線曲線2 2為銻銫

19、陰極的光電管光照特為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。性，它成非線性關(guān)系。http:/012345I/mA L/lx10002000 下圖表示下圖表示CdSCdS光敏電阻的光照特性光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測(cè)元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用測(cè)元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開(kāi)關(guān)。作光電開(kāi)關(guān)。h

20、ttp:/光敏晶體管的光照特性光敏晶體管的光照特性I / AL/lx200400600800100001.02.03.0 光敏晶體管光敏晶體管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流的輸出電流 I I 和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大( (幾幾klx)klx)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而時(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(kāi)關(guān)元件。使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開(kāi)關(guān)元件。http:/L/klx L/klx 5432

21、0.40.5246810開(kāi)路電壓Uoc /V0.4 012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅光電池硅光電池(b)硒光電池硒光電池開(kāi)路電壓短路電流短路電流開(kāi)路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為開(kāi)路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx2000lx時(shí)趨時(shí)趨向飽和。向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線http:/2 2、光譜特性、光譜特性入射光波與光電器件相對(duì)靈敏度或相對(duì)光電流間的關(guān)系。入射光波與光電器件相對(duì)靈敏度或相對(duì)光電流間的關(guān)系。 光譜特性與光電器件

22、的材料有關(guān)。光譜特性與光電器件的材料有關(guān)。 硫化鉛硫化鉛光敏電阻光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域。域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域。204060801004080120160200240/m312相對(duì)靈敏度1-1-硫化鎘硫化鎘2-2-硒化鎘硒化鎘3-3-硫化鉛硫化鉛http:/相對(duì)靈敏度/%硅鍺入射光/40008000120001600010080604020 0硅的峰值波長(zhǎng)為硅的峰值波長(zhǎng)為90009000，鍺的峰值波長(zhǎng)為鍺的峰值波長(zhǎng)為1500015000。由于鍺管的暗電流比硅管由于

23、鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。大，因此鍺管的性能較差。故在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀故在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí)但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí), ,則采用鍺管較合適。則采用鍺管較合適。 光敏三極管光敏三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長(zhǎng)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長(zhǎng)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降。相對(duì)靈敏度要下降。http:/204060801001.01.20.2I / %12/m1-1-硒光電池硒光電池2-2-硅光電池硅光電池 光電池的光譜特光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光

24、電池在可見(jiàn)光譜性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在540nm540nm附近，適宜測(cè)可見(jiàn)光。硅光電附近，適宜測(cè)可見(jiàn)光。硅光電池應(yīng)用的范圍池應(yīng)用的范圍400nm1100nm400nm1100nm，峰值波長(zhǎng)在，峰值波長(zhǎng)在850nm850nm附近，因此硅光電池可附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。http:/3、伏安特性、伏安特性 在一定的光照射下，對(duì)光電器件兩端所加電壓與光電流之間的關(guān)系稱在一定的光照射下，對(duì)光電器件兩端所加電壓與光電流之間的關(guān)系稱為光電器件的伏安特性。為光電器件的伏安特性。5020

25、lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012陽(yáng)極與末級(jí)倍增極間的電壓陽(yáng)極與末級(jí)倍增極間的電壓/VIA/ A光電管的伏安特性光電管的伏安特性 光電管的伏安特性如圖所示光電管的伏安特性如圖所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。主要依據(jù)。http:/5010015020012U/V02040I/ A 圖中曲線圖中曲線1 1、2 2分別表示照度為分別表示照度為零零及照度為及照度為某值某值時(shí)的伏安特性。時(shí)的伏安特性。 由曲線可知，在給定偏壓下由曲線可知，在給定偏壓下, ,光照度較大，光電流也越大。在光照度較大，光電流也越大。在一定的光照

26、度下，所加的電壓越一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無(wú)飽和現(xiàn)大，光電流越大，而且無(wú)飽和現(xiàn)象。象。光敏電阻伏安特性光敏電阻伏安特性http:/0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶體管的伏安特性光敏晶體管的伏安特性 U/V 光敏三極管光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示。的伏安特性曲線如圖所示。 光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極極電流時(shí)的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e e與基極

27、與基極b b之間之間的的PNPN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就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(hào)變成電信號(hào)，而且輸出的電信號(hào)較大。的晶體管。光敏三極管能把光信號(hào)變成電信號(hào)，而且輸出的電信號(hào)較大。http:/ 伏安特性可以幫助我們確定伏安特性可以幫助我們確定光敏元件的負(fù)載電阻，設(shè)計(jì)應(yīng)用光敏元件的負(fù)載電阻，設(shè)計(jì)應(yīng)用電路。電路。 光電池的伏安特性光電池的伏安特性http:/20406080100I / %f / Hz010102103104硫化鉛硫化鉛硫化鎘硫化鎘 4 4、頻率特性、頻率特性 光敏電阻的頻率特性光敏

28、電阻的頻率特性 材料特性不同，所以它們的頻率特材料特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。硫化鉛的使用頻性也不同，如圖。硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電率比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都比較大，所以，它不能阻的時(shí)延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。光電器件輸出電流或靈敏度與入射光線的頻率之間的關(guān)系。光電器件輸出電流或靈敏度與入射光線的頻率之間的關(guān)系。http:/ 光敏三極管的頻率特性光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。曲線如圖所示。 光敏三極管的頻率特性受光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻的影響，減小負(fù)載電

29、阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏率響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差二極管差。對(duì)于鍺管，。對(duì)于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在入射光的調(diào)制頻率要求在5 5k kHzHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光調(diào)制頻率 / HZ相對(duì)靈敏度/%光敏晶體管的頻率特性光敏晶體管的頻率特性http:/204060801000I / %1234512f / kHz1-1-硒光電池硒光電池2-2-硅光電池硅光電池 光電池的頻率特性光電池的頻率特性

30、 由于光電池由于光電池PNPN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如光電池的頻率響應(yīng)曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線曲線2 2，而硒光電池則較差，如曲線，而硒光電池則較差，如曲線1 1。http:/I / A100150200-50-1030 5010-30T / C2040608010001.02.03.06.0/mI/mA+20 C+20 C-20 C-20 C5 5、溫度特性、溫度特性 光電器件的性能光電器件的性能( (靈敏度、暗電阻靈敏度、暗電阻) )受

31、溫度的影響較大。這種特性稱受溫度的影響較大。這種特性稱溫度特性。溫度特性。 光敏電阻光敏電阻隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。硫化鎘的光電流峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。硫化鎘的光電流I I和溫度和溫度T T的關(guān)系如圖所示。的關(guān)系如圖所示。http:/暗電流/mA光電流/mA10 20 30 40 50 60 70T /C25 050100 02003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶體管的溫度特性光敏晶體管的溫度特性 光敏三極管光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電

32、的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對(duì)光電流的影響很小，而對(duì)暗電流的影響很大所以電子線對(duì)光電流的影響很小，而對(duì)暗電流的影響很大所以電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。http:/2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200U UOCOC- -開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓I ISC SC - -短路電流短路電流硅光電池在硅光電池在1000lx1000lx照照度下的溫度特性曲線度下的

33、溫度特性曲線 光電池的溫度特性光電池的溫度特性 由圖可見(jiàn)，開(kāi)路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用由圖可見(jiàn)，開(kāi)路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。措施。http:/不同光電器件的響應(yīng)時(shí)間有所不同。光敏電阻較慢，約為不同光電器件的響應(yīng)時(shí)間有所不同。光敏電阻較慢，約為（10101 11010）s s，一般不能用于要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合

34、。，一般不能用于要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。 工業(yè)用的硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間為（工業(yè)用的硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間為（10105 5 10 107 7）s s左右。左右。 光敏三極管的響應(yīng)時(shí)間比二極管約慢一個(gè)數(shù)量級(jí)，在要求光敏三極管的響應(yīng)時(shí)間比二極管約慢一個(gè)數(shù)量級(jí)，在要求快速響應(yīng)或入射光、調(diào)制光頻率較高時(shí)應(yīng)選用硅光敏二極管?？焖夙憫?yīng)或入射光、調(diào)制光頻率較高時(shí)應(yīng)選用硅光敏二極管。 6 6、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間http:/紅外線傳感器紅外線傳感器3http:/ 凡是存在于自然界的物體，例如人體、火焰甚至于冰都會(huì)放射出紅外凡是存在于自然界的物體，例如人體、火焰甚至于冰都會(huì)放射出紅外線，只是其發(fā)射的紅外線的波長(zhǎng)不同

35、而已。線，只是其發(fā)射的紅外線的波長(zhǎng)不同而已。 人體的溫度為人體的溫度為36363737，所放射的紅外線波長(zhǎng)為，所放射的紅外線波長(zhǎng)為9 9lOmlOm( (屬于遠(yuǎn)紅外屬于遠(yuǎn)紅外線區(qū)線區(qū)) )，加熱到，加熱到400400700700的物體，其放射出的紅外線波長(zhǎng)為的物體，其放射出的紅外線波長(zhǎng)為3 35m5m( (屬于屬于中紅外線區(qū)中紅外線區(qū)) )。紅外線傳感器可以檢測(cè)到這些物體發(fā)射出的紅外線，用于測(cè)。紅外線傳感器可以檢測(cè)到這些物體發(fā)射出的紅外線，用于測(cè)量、成像或控制。量、成像或控制。 用紅外線作為檢測(cè)媒介，來(lái)測(cè)量某些非電量，比可見(jiàn)光作為媒介的檢用紅外線作為檢測(cè)媒介，來(lái)測(cè)量某些非電量，比可見(jiàn)光作為媒介

36、的檢測(cè)方法要好。測(cè)方法要好。 http:/4.3.1 紅外輻射紅外輻射 紅外線也稱紅外光或紅外輻射，它是一種電磁波，其波長(zhǎng)范圍在電磁波紅外線也稱紅外光或紅外輻射，它是一種電磁波，其波長(zhǎng)范圍在電磁波譜中的位置如圖所示。由圖可見(jiàn)，它是波長(zhǎng)位于可見(jiàn)光和微波之間的一種不譜中的位置如圖所示。由圖可見(jiàn)，它是波長(zhǎng)位于可見(jiàn)光和微波之間的一種不可見(jiàn)光?？梢?jiàn)光。 紅外光的最大特點(diǎn)是具有光熱效應(yīng)，能紅外光的最大特點(diǎn)是具有光熱效應(yīng)，能輻射熱量輻射熱量，它是光譜中最大光熱，它是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)。效應(yīng)區(qū)。 http:/紅外光檢測(cè)的優(yōu)越性紅外光檢測(cè)的優(yōu)越性 1 1可晝夜測(cè)量可晝夜測(cè)量 紅外線紅外線( (指中、遠(yuǎn)紅外線指

37、中、遠(yuǎn)紅外線) )不受周圍可見(jiàn)光的影響，故可在晝不受周圍可見(jiàn)光的影響，故可在晝夜進(jìn)行測(cè)量。夜進(jìn)行測(cè)量。 2 2不必設(shè)光源不必設(shè)光源 由于待測(cè)對(duì)象發(fā)射出紅外線，故不必設(shè)光源。由于待測(cè)對(duì)象發(fā)射出紅外線，故不必設(shè)光源。 3 3適用于遙感技術(shù)適用于遙感技術(shù) 大氣對(duì)某些特定波長(zhǎng)范圍的紅外線吸收甚少大氣對(duì)某些特定波長(zhǎng)范圍的紅外線吸收甚少(2(22.6m2.6m，3 35m5m，8 814m14m三個(gè)波段稱為三個(gè)波段稱為“大氣窗口大氣窗口”) )，故適用于遙感技術(shù)。，故適用于遙感技術(shù)。 http:/4.3.2 紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器由紅外探測(cè)器由光學(xué)系統(tǒng)，敏感元件，前置放大器、信號(hào)調(diào)制器光學(xué)系統(tǒng)，敏

38、感元件，前置放大器、信號(hào)調(diào)制器組成，組成，光學(xué)系統(tǒng)是其重要組成部分，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為光學(xué)系統(tǒng)是其重要組成部分，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為反射式反射式和和透透射式射式兩種。兩種。（1 1）反射式紅外探測(cè)器）反射式紅外探測(cè)器1.浸沒(méi)透鏡 2.敏感元件 3.前置放大器 5.次反射鏡 6. 主反射鏡 http:/（2 2）透射式紅外探測(cè)器）透射式紅外探測(cè)器1.光譜 2.保護(hù)窗口 3.光柵 4.透鏡 5.浸沒(méi)透鏡 6. 敏感元件 7.前置放大器 http:/4.3.3 4.3.3 紅外傳感器應(yīng)用紅外傳感器應(yīng)用 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。當(dāng)物體紅外測(cè)溫儀是利用熱輻射體在紅外

39、波段的輻射通量來(lái)測(cè)量溫度。當(dāng)物體溫度低于溫度低于10001000時(shí)，他向外輻射的不再是可見(jiàn)光而是紅外光，可用紅外探時(shí)，他向外輻射的不再是可見(jiàn)光而是紅外光，可用紅外探測(cè)器檢測(cè)其溫度測(cè)器檢測(cè)其溫度1 1、紅外線測(cè)溫儀、紅外線測(cè)溫儀http:/http:/http:/2、紅外線氣體分析儀、紅外線氣體分析儀紅外氣體分析儀紅外氣體分析儀是根據(jù)氣體對(duì)紅外線具有選擇性吸收的特是根據(jù)氣體對(duì)紅外線具有選擇性吸收的特性來(lái)對(duì)氣體成分進(jìn)行分析。不同的氣體的吸收波段不同。性來(lái)對(duì)氣體成分進(jìn)行分析。不同的氣體的吸收波段不同。http:/1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

40、測(cè)器 9放大器http:/3、紅外無(wú)損探傷儀、紅外無(wú)損探傷儀http:/這些是現(xiàn)在無(wú)損探傷技術(shù)的儀器、電腦軟件及在電腦中的紅外無(wú)損探傷的顯示。http:/http:/光纖傳感器能抗電磁干擾；安全；靈巧輕便；使用方便光纖傳感器能抗電磁干擾；安全；靈巧輕便；使用方便光纖傳感器光纖傳感器 4http:/4.4.1 4.4.1 光纖傳感器概述光纖傳感器概述 將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制區(qū)將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制區(qū), ,在調(diào)制區(qū)內(nèi)在調(diào)制區(qū)內(nèi), ,外界被測(cè)參外界被測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用使光的性質(zhì)如數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用使光的性質(zhì)如強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振

41、態(tài)偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過(guò)光纖送入光敏器件、解等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過(guò)光纖送入光敏器件、解調(diào)器而獲得被測(cè)參數(shù)。調(diào)器而獲得被測(cè)參數(shù)。http:/光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類光纖傳感器按照光纖的使用方式可分為功能型傳感器和非功能型傳光纖傳感器按照光纖的使用方式可分為功能型傳感器和非功能型傳感器。感器。 功能型傳感器是利用光纖本身的特性隨被測(cè)量發(fā)生變化，利用光纖功能型傳感器是利用光纖本身的特性隨被測(cè)量發(fā)生變化，利用光纖作為敏感元件，又稱為傳感型光纖傳感器。作為敏感元件，又稱為傳感型光纖傳感器。 非功能型傳感器是利用其他敏感元件來(lái)感受被測(cè)量變化，光纖僅作非功能型傳感器

42、是利用其他敏感元件來(lái)感受被測(cè)量變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，也稱為傳光型光纖傳感器或稱混合型光纖傳感器。為光的傳輸介質(zhì)，也稱為傳光型光纖傳感器或稱混合型光纖傳感器。功能型功能型(FF):(FF):傳光且敏感傳光且敏感( (傳感型傳感型) )非功能型非功能型(NFF):(NFF):只傳光只傳光.(.(傳光型傳光型) )http:/光纖傳感器結(jié)構(gòu)光纖傳感器結(jié)構(gòu)http:/光導(dǎo)纖維是用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃制成的，每根光光導(dǎo)纖維是用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃制成的，每根光纖由圓柱形的內(nèi)芯和包層組成。內(nèi)芯的折射率略大于包層纖由圓柱形的內(nèi)芯和包層組成。內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率。的折射率。 光是直線傳播

43、的。然而入射到光纖中的光線卻能限制光是直線傳播的。然而入射到光纖中的光線卻能限制在光纖中，而且隨著光纖的彎曲而走彎曲的路線，并能傳在光纖中，而且隨著光纖的彎曲而走彎曲的路線，并能傳送到很遠(yuǎn)的地方去。送到很遠(yuǎn)的地方去。 光纖的直徑比光的波長(zhǎng)大很多，可以用幾何光學(xué)的方光纖的直徑比光的波長(zhǎng)大很多，可以用幾何光學(xué)的方法來(lái)說(shuō)明光在光纖中的傳播。法來(lái)說(shuō)明光在光纖中的傳播。光纖傳感元件光纖傳感元件http:/4.4.2 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理1 1、光纖的結(jié)構(gòu)、光纖的結(jié)構(gòu)http:/http:/2 2、光纖的傳輸原理、光纖的傳輸原理http:/（1 1）數(shù)值孔徑：）數(shù)值孔徑： 無(wú)論

44、光源發(fā)射功率有多大，只有無(wú)論光源發(fā)射功率有多大，只有22張角之內(nèi)的光功率張角之內(nèi)的光功率能被光纖接收。角能被光纖接收。角22與光纖內(nèi)芯和包層材料的折射率有關(guān)與光纖內(nèi)芯和包層材料的折射率有關(guān)，我們將，我們將的正弦定義為光纖的數(shù)值孔徑（的正弦定義為光纖的數(shù)值孔徑（NANA）。）。一般希望有大的數(shù)值孔徑一般希望有大的數(shù)值孔徑, ,以利于耦合效率的提高以利于耦合效率的提高, ,但但數(shù)值孔徑越大數(shù)值孔徑越大, ,光信號(hào)畸變就越嚴(yán)重光信號(hào)畸變就越嚴(yán)重, ,所以要適當(dāng)選擇。所以要適當(dāng)選擇。 212221)(sinnnNA http:/ 0212221)(nndv （2）光纖模式光纖模式簡(jiǎn)單地說(shuō)就是光波沿光纖

45、傳輸?shù)耐緩胶头绞?。光纖模式簡(jiǎn)單地說(shuō)就是光波沿光纖傳輸?shù)耐緩胶头绞健?多模光纖中，同一光信號(hào)采用很多模式傳輸，會(huì)使這一光信號(hào)分裂為多模光纖中，同一光信號(hào)采用很多模式傳輸，會(huì)使這一光信號(hào)分裂為不同時(shí)間到達(dá)接收端的多個(gè)小信號(hào)，導(dǎo)致合成信號(hào)畸變。不同時(shí)間到達(dá)接收端的多個(gè)小信號(hào)，導(dǎo)致合成信號(hào)畸變。 希望模式數(shù)量越少越好，盡可能在單模方式下工作，即單模光纖。階希望模式數(shù)量越少越好，盡可能在單模方式下工作，即單模光纖。階躍型的圓筒光纖內(nèi)傳播的模式數(shù)量可簡(jiǎn)單表示為：躍型的圓筒光纖內(nèi)傳播的模式數(shù)量可簡(jiǎn)單表示為：http:/光纖傳感器的種類很多，工作原理也各不相同，但都離不開(kāi)光纖傳感器的種類很多，工作原理也各不相

46、同，但都離不開(kāi)光的調(diào)制和解調(diào)兩個(gè)環(huán)節(jié)。光的調(diào)制和解調(diào)兩個(gè)環(huán)節(jié)。 光調(diào)制就是把某一被測(cè)信息加載到傳輸光波上。光調(diào)制就是把某一被測(cè)信息加載到傳輸光波上。 承載了被測(cè)信息的已調(diào)制光，傳輸?shù)焦馓綔y(cè)系統(tǒng)后再經(jīng)解承載了被測(cè)信息的已調(diào)制光，傳輸?shù)焦馓綔y(cè)系統(tǒng)后再經(jīng)解調(diào)，便可獲得所需的該被測(cè)信息。調(diào)，便可獲得所需的該被測(cè)信息。 常用的光調(diào)制方法有強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、偏常用的光調(diào)制方法有強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、偏振調(diào)制等幾種。振調(diào)制等幾種。 4.4.3 4.4.3 常用光纖傳感器常用光纖傳感器http:/ 1. 光纖壓力傳感器http:/2. 光纖血流傳感器http:/光電傳感器應(yīng)用案例光電傳感器應(yīng)用案例5http:/220VC1路燈CJD-108V200F200FC2C3100FR1R3R5R7R4R6R7R2J470k200k10k6 . 3 kBG1280k25k57k10kBG2BG3BG42CR6.5.1 路燈自動(dòng)控制器路燈自動(dòng)控制器http:/6.5.2 6.5.2 光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表http:/ 6.5.3 6.5.3 物體長(zhǎng)度及運(yùn)動(dòng)速度的檢測(cè)物體長(zhǎng)度及運(yùn)動(dòng)速度的檢測(cè)http