第6章光學量傳感器及應用

1、第第6章光學量傳感器及應用章光學量傳感器及應用v知識目標知識目標v通過本課題的學習，要求掌握光電效應概念，熟通過本課題的學習，要求掌握光電效應概念，熟悉常見光電器件的工作原理、結構形式、類型、悉常見光電器件的工作原理、結構形式、類型、性能特征和轉換電路；了解光纖的結構、光傳輸性能特征和轉換電路；了解光纖的結構、光傳輸原理和光纖傳感器特性；了解紅外線輻射機理和原理和光纖傳感器特性；了解紅外線輻射機理和紅外探測器特性。紅外探測器特性。v技能目標技能目標v通過本課題的學習，要求掌握光電器件的典型應通過本課題的學習，要求掌握光電器件的典型應用，能根據(jù)現(xiàn)場情況選擇合適的光電器件，能分用，能根據(jù)現(xiàn)場情況選

2、擇合適的光電器件，能分析和設計基本光電檢測系統(tǒng)；能維護光纖傳感器、析和設計基本光電檢測系統(tǒng)；能維護光纖傳感器、紅外探測器。紅外探測器。6.1光電效應及光電元器件光電效應及光電元器件 v6.1.1光電效應及分類光電效應及分類 v1.外光電效應外光電效應 v在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應。當物體在光線照射作用下，一個電外光電效應。當物體在光線照射作用下，一個電子吸收了一個光子的能量后，其中的一部分能量子吸收了一個光子的能量后，其中的一部分能量消耗于電子由物體內(nèi)逸出表面時所作的逸出功，消耗于電子由物體內(nèi)逸出表面時所作的逸出功，另一部分則

3、轉化為逸出電子的動能。另一部分則轉化為逸出電子的動能。 2.內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應v在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應。用光照射半導體時，若光子能量大內(nèi)光電效應。用光照射半導體時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度于半導體材料的禁帶寬度Eg，則禁帶中的電子吸，則禁帶中的電子吸收一個光子就足以躍遷到導帶，使被激發(fā)出來的收一個光子就足以躍遷到導帶，使被激發(fā)出來的電子成為一個自由電子，同時也產(chǎn)生一個空穴，電子成為一個自由電子，同時也產(chǎn)生一個空穴，從而增強了材料的導電性能，使材料的電阻值降從而增強了材料的導電性能，使材料的電阻值降低。低。 3.

4、光生伏特效應光生伏特效應 v 勢壘光電效應（結光電效應）勢壘光電效應（結光電效應） 以以PN結為例，當光照結為例，當光照射射PN結時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度結時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度Eg，則使價帶的電子躍遷到導帶，產(chǎn)生自由電子則使價帶的電子躍遷到導帶，產(chǎn)生自由電子空穴對。在空穴對。在PN結阻擋層內(nèi)電場的作用下，被激發(fā)的電子移向結阻擋層內(nèi)電場的作用下，被激發(fā)的電子移向N區(qū)的區(qū)的外側，被激發(fā)的空穴移向外側，被激發(fā)的空穴移向P區(qū)的外側，從而使區(qū)的外側，從而使P區(qū)帶正電，區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，形成光電動勢。區(qū)帶負電，形成光電動勢。v 側向光電效應側向光電效應 當半導體光電器件

5、受光照不均勻時，有當半導體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側向光電效應。當光照部分吸收載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側向光電效應。當光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子濃度入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分擴散，就造么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分擴散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負電，光照

6、部成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢。基于光生伏特效應的光分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢?；诠馍匦墓怆娫泄怆姵?、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管電元件有光電池、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等。等。6.1.2 光電管及基本測量光電管及基本測量電路電路v1.結構與工作原理結構與工作原理2.光電管特性光電管特性v 光電特性光電特性 伏安特性 光譜特性6.1.3 光電倍增管及基本光電倍增管及基本測量電路測量電路v1.結構與工作原理結構與工作原理2.光電倍增管的主要參數(shù)光電倍增管的主要參數(shù)和特性和特性v光電倍增管的倍增系數(shù)光電倍增管的倍增系

7、數(shù)M與工作電壓的關系與工作電壓的關系光電倍增管的伏安特性光電倍增管的光電特性6.1.4 光敏電阻及基本測光敏電阻及基本測量電路量電路v1.光敏電阻的工作原理和結構光敏電阻的工作原理和結構2.光敏電阻的基本特性和光敏電阻的基本特性和主要參數(shù)主要參數(shù)v 暗電阻和暗電流暗電阻和暗電流 v 置于室溫、全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時流過電阻置于室溫、全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時流過電阻的電流稱為暗電流。這些是光敏電阻的重要特性指標。的電流稱為暗電流。這些是光敏電阻的重要特性指標。v 亮電阻和亮電流亮電阻和亮電流 v 置于室溫、在一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時流置

8、于室溫、在一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時流過電阻的電流稱為亮電流。過電阻的電流稱為亮電流。v 伏安特性伏安特性 v 伏安特性光照度不變時，光敏電阻兩端所加電壓與流過電阻的光電流伏安特性光照度不變時，光敏電阻兩端所加電壓與流過電阻的光電流關系稱為光敏電阻的伏安特性。如圖關系稱為光敏電阻的伏安特性。如圖6-12所示。從圖中可知，伏安所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時應限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線特性近似直線，但使用時應限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區(qū)。因為光敏電阻都有最大額定功率、最高工作電壓和最所示的功耗區(qū)。因為光敏電阻都有最大額定功率、最高工作

9、電壓和最大額定電流，超過額定值可能導致光敏電阻的永久性損壞。大額定電流，超過額定值可能導致光敏電阻的永久性損壞。v 光電特性光電特性 v 在光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與亮電流間的關系稱為光在光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與亮電流間的關系稱為光電特性，如圖電特性，如圖 6-13所示。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏所示。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點之一。電阻的主要缺點之一。圖6-12 光敏電阻的伏安特性 圖6-13 硒光敏電阻的光電特性 圖6-14 光敏電阻的光譜特性v 光譜特性光譜特性v 如圖如圖6-14所示，光敏電阻對不同波長的入射光，其對應所示，光

10、敏電阻對不同波長的入射光，其對應光譜靈敏度不相同，而且各種光敏電阻的光譜響應峰值波光譜靈敏度不相同，而且各種光敏電阻的光譜響應峰值波長也不相同，所以在選用光敏電阻時，把元件和入射光的長也不相同，所以在選用光敏電阻時，把元件和入射光的光譜特性結合起來考慮，才能得到比較滿意的效果。光譜特性結合起來考慮，才能得到比較滿意的效果。v 響應時間響應時間 v 光敏電阻受光照后光敏電阻受光照后,光電流并不立刻升到最大值，而要經(jīng)光電流并不立刻升到最大值，而要經(jīng)歷一段時間（上升時間）才能達到最大值。同樣，光照停歷一段時間（上升時間）才能達到最大值。同樣，光照停止后，光電流也需要經(jīng)過一段時間（下降時間）才能恢復止

11、后，光電流也需要經(jīng)過一段時間（下降時間）才能恢復到其暗電流值，這段時間稱為響應時間。光敏電阻的上升到其暗電流值，這段時間稱為響應時間。光敏電阻的上升響應時間和下降響應時間約為（響應時間和下降響應時間約為（10-110-3）s，故光，故光敏電阻不能適用于要求快速響應的場合。敏電阻不能適用于要求快速響應的場合。v 溫度特性溫度特性 v 光敏電阻和其他半導體器件一樣，受溫度影響較大。光敏電阻和其他半導體器件一樣，受溫度影響較大。 6.1.5 光敏晶體管及基本光敏晶體管及基本測量電路測量電路v1.光敏晶體管結構與工作原理光敏晶體管結構與工作原理v光敏二極管光敏二極管 光敏三極管光敏晶閘管2.光敏晶體管

12、的基本特性光敏晶體管的基本特性v光譜特性光譜特性v伏安特性伏安特性v光電特性光電特性溫度特性v頻率特性頻率特性v光敏晶體管受調(diào)制光照射時，相對靈敏度與調(diào)制光敏晶體管受調(diào)制光照射時，相對靈敏度與調(diào)制頻率的關系稱為頻率特性，如圖頻率的關系稱為頻率特性，如圖6-22所示。減所示。減少負載電阻能提高響應頻率，但輸出降低。一般少負載電阻能提高響應頻率，但輸出降低。一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差得來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差得多，鍺光敏三極管的頻率響應比硅管小一個數(shù)量多，鍺光敏三極管的頻率響應比硅管小一個數(shù)量級。級。v響應時間響應時間v工業(yè)用的硅光敏二極管的響應時間為（工業(yè)用的硅

13、光敏二極管的響應時間為（10-510-7）s左右，光敏三極管的響應時間比相應的左右，光敏三極管的響應時間比相應的二極管約慢一個數(shù)量級，因此在要求快速響應或二極管約慢一個數(shù)量級，因此在要求快速響應或入射光調(diào)制頻率比較高時應選用硅光敏二極管。入射光調(diào)制頻率比較高時應選用硅光敏二極管。圖6-21光敏晶體管的溫度特性 圖6-22 光敏晶體管頻率特性6.1.6 光電池及基本測量光電池及基本測量電路電路v1.光電池的結構及工作原理光電池的結構及工作原理2.光電池的基本特性光電池的基本特性v光譜特性光譜特性 光電特性溫度特性 頻率特性3.短路電流的測量短路電流的測量 圖6-28 光電池短路電流測量電路6.1

14、.7 光電耦合器件及基光電耦合器件及基本測量電路本測量電路 v1. 光電耦合器光電耦合器 圖6-30 4N28光電耦合器 2.光電開關光電開關光電開關的基本電路6.2 光電式傳感器的的應光電式傳感器的的應用用v6.2.1光電式傳感器應用類型光電式傳感器應用類型6.2.2光電式傳感器應用實光電式傳感器應用實例例v1. 光電路燈控制電路光電路燈控制電路2. 郵政信函過戳裝置郵政信函過戳裝置3光電比色計光電比色計4光電式帶材跑偏檢測裝光電式帶材跑偏檢測裝置置6.3 光纖傳感器光纖傳感器v6.3.1 光纖傳感器概述光纖傳感器概述v光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列優(yōu)光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相

15、比有一系列優(yōu)點，如不受電磁干擾點，如不受電磁干擾, 體積小體積小, 重量輕重量輕, 可撓曲可撓曲, 靈敏度高靈敏度高, 耐腐蝕耐腐蝕,電絕緣、電絕緣、 防爆性好防爆性好, 易與微機易與微機連接連接, 便于遙測等。便于遙測等。 它能用于溫度、壓力、應變、它能用于溫度、壓力、應變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等各值等各種物理量的測量種物理量的測量, 具有極為廣泛的應用前景。具有極為廣泛的應用前景。 6.3.2 光纖的結構和傳輸光纖的結構和傳輸原理原理 v1.光纖的結構光纖的結構 2.光纖傳光原理光纖傳光原理 2ciin0n2n1纖 芯包 層設有一段圓柱形光

16、纖，如圖6-39所示，它的兩個端面均為光滑的平面。當光線射入一個端面并與圓柱的軸線成i角時，在端面發(fā)生折射進入光纖后, 又以i角入射至纖芯與包層的界面，光線有一部分透射到包層，一部分反射回纖芯。但當入射角i小于臨界入射角c時，光線就不會透射界面，而全部被反射，光在纖芯和包層的界面上反復逐次全反射，呈鋸齒波形狀在纖芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端面射出，這就是光纖的傳光原理。 3.光纖基本特性光纖基本特性 v 數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NA）v 數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NA）定義為）定義為 v (6-11)v 數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領的一個重要參數(shù)，即反映數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領的一個重要參數(shù)，即反映

17、光纖接收光量的多少。其意義是：無論光源發(fā)射功率有光纖接收光量的多少。其意義是：無論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于多大，只有入射角處于2c的光椎角內(nèi)，光纖才能導光。的光椎角內(nèi)，光纖才能導光。如入射角過大，如入射角過大， 光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。光纖光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。光纖的的NA越大，表明它的集光能力越強，一般希望有大的越大，表明它的集光能力越強，一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于提高耦合效率；但數(shù)值孔徑過大，數(shù)值孔徑，這有利于提高耦合效率；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，會造成光信號畸變。所以要適當選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，如石英光纖數(shù)值孔徑一般為如石英

18、光纖數(shù)值孔徑一般為0.20.4。 222101sinnnnNcA光纖模式v光纖模式是指光波傳播的途徑和方式。對于不同光纖模式是指光波傳播的途徑和方式。對于不同入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強度分布也傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。在光纖中傳播是不同的，這就是傳播模式不同。在光纖中傳播模式很多不利于光信號的傳播，因為同一種光信模式很多不利于光信號的傳播，因為同一種光信號采取很多模式傳播將使一部分光信號分為多個號采取很多模式傳播將使一部分光信號分為多個不同時間到達接收端的小

19、信號，從而導致合成信不同時間到達接收端的小信號，從而導致合成信號的畸變，因此希望光纖信號模式數(shù)量要少。號的畸變，因此希望光纖信號模式數(shù)量要少。 光纖傳輸損耗v光纖傳輸損耗主要來源于材料吸收損耗、散射損光纖傳輸損耗主要來源于材料吸收損耗、散射損耗和光波導彎曲損耗。目前常用的光纖材料有石耗和光波導彎曲損耗。目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復合材料等，在這些材料英玻璃、多成分玻璃、復合材料等，在這些材料中，由于存在雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會吸收中，由于存在雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會吸收光，從而造成材料吸收損耗；散射損耗主要是由光，從而造成材料吸收損耗；散射損耗主要是由于材料密度及濃度不均勻

20、引起的；光波導彎曲會于材料密度及濃度不均勻引起的；光波導彎曲會引起傳輸模式的轉換，激發(fā)高階模進入包層產(chǎn)生引起傳輸模式的轉換，激發(fā)高階模進入包層產(chǎn)生損耗。當彎曲半徑大于損耗。當彎曲半徑大于10cm時，損耗可忽略不時，損耗可忽略不計。計。 6.3.3光纖傳感器光纖傳感器被測對象光纖敏感元件光源光探測器至信號處理系統(tǒng)光纖光源光探測器至信號處理系統(tǒng)光纖被測對象光敏感元件(a)(b) 光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光探測器、信號處理系統(tǒng)以及光纖等組成，如圖6-40所示。 6.3.4光纖傳感器的應用光纖傳感器的應用 v1.光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器 2.液位的檢測技術液位的檢測技術v

21、球面光纖液位傳感器球面光纖液位傳感器 單光纖液位傳感器6.4 紅外傳感器紅外傳感器 v6.4.1 紅外輻射基礎紅外輻射基礎v紅外輻射俗稱紅外線紅外輻射俗稱紅外線, 它是一種不可見光它是一種不可見光, 由于是由于是位于可見光中紅色光以外的光線位于可見光中紅色光以外的光線, 故稱紅外線。故稱紅外線。 它的波長范圍大致在它的波長范圍大致在0.761000 m, 紅外線紅外線在電磁波譜中的位置如圖在電磁波譜中的位置如圖6-44所示。工程上又所示。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分, 即近紅外、即近紅外、 中紅外、中紅外、 遠紅外和極遠紅外。遠紅外和極遠紅外。6.4.2

22、紅外探測器紅外探測器v 紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示系統(tǒng)等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探示系統(tǒng)等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器種類很多測器種類很多, 常見的有兩大類：熱探測器和光子探測器。常見的有兩大類：熱探測器和光子探測器。 v 1.熱探測器熱探測器v 熱探測器是利用紅外輻射的熱效應熱探測器是利用紅外輻射的熱效應, 探測器的敏感元件吸探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高收輻射能后引起溫度升高, 進而使有關物理參數(shù)發(fā)生相應進而使有關物理參數(shù)發(fā)生相應變化，通過測量物理參數(shù)的變化變化，通過測量

23、物理參數(shù)的變化, 便可確定探測器所吸收便可確定探測器所吸收的紅外輻射。與光子探測器相比的紅外輻射。與光子探測器相比, 熱探測器的探測率比光熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低子探測器的峰值探測率低, 響應時間長。但熱探測器響應響應時間長。但熱探測器響應波段寬波段寬, 響應范圍可擴展到整個紅外區(qū)域響應范圍可擴展到整個紅外區(qū)域, 可以在室溫下可以在室溫下工作工作, 使用方便使用方便, 應用仍相當廣泛。應用仍相當廣泛。v 熱探測器主要類型有熱釋電型、熱敏電阻型、熱探測器主要類型有熱釋電型、熱敏電阻型、 熱電偶型熱電偶型和氣體型探測器。而熱釋電探測器在熱探測器中探測率最和氣體型探測器。而熱釋電探

24、測器在熱探測器中探測率最高高, 頻率響應最寬頻率響應最寬, 所以這種探測器倍受重視所以這種探測器倍受重視, 發(fā)展很快。發(fā)展很快。這里主要介紹熱釋電探測器。這里主要介紹熱釋電探測器。2.光子探測器光子探測器 v光子探測器利用入射紅外輻射的光子流與探測器光子探測器利用入射紅外輻射的光子流與探測器材料中電子的相互作用材料中電子的相互作用, 改變電子的能量狀態(tài)改變電子的能量狀態(tài), 引引起各種電學現(xiàn)象。起各種電學現(xiàn)象。 這稱光子效應。通過測量材料這稱光子效應。通過測量材料電子性質(zhì)的變化電子性質(zhì)的變化, 可以知道紅外輻射的強弱。利可以知道紅外輻射的強弱。利用光子效應制成的紅外探測器用光子效應制成的紅外探測

25、器, 統(tǒng)稱光子探測器。統(tǒng)稱光子探測器。光子探測器有內(nèi)光電和外光電探測器兩種光子探測器有內(nèi)光電和外光電探測器兩種, 后者后者又分為光電導、光生伏特和光磁電探測器等三種。又分為光電導、光生伏特和光磁電探測器等三種。v光子探測器的主要特點是靈敏度高光子探測器的主要特點是靈敏度高, 響應速度快響應速度快, 具有較高的響應頻率具有較高的響應頻率, 但探測波段較窄但探測波段較窄, 一般需在一般需在低溫下工作。低溫下工作。 6.4.3 紅外傳感器的應用紅外傳感器的應用 v1.紅外測溫儀紅外測溫儀2.紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀本章小結本章小結 v用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量