山東建筑大學(xué)熱工檢測課光電式傳感器課件

山東建筑大學(xué)熱工檢測課光電式傳感器課件1工作原理

光電傳感器將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，這種粒子稱為光子。每個(gè)光子具有的能量為E=h·υ

式中，υ為光波頻率；h為普朗克常數(shù).對(duì)不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看做是一連串能量為E的光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)。1工作原理

光電傳感器將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。幾個(gè)特性①光譜特性②光電特性③伏安特性

通常把光電效應(yīng)分為三類：

外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)在光線作用下能使電子逸出物質(zhì)表面的稱為外光電效應(yīng)，轉(zhuǎn)換元件有光電管、光電倍增管等在光線作用下能使物體電阻率改變的稱為內(nèi)光電效應(yīng)。光電轉(zhuǎn)換元件有光敏電阻以及由光敏電阻制成的光導(dǎo)管等在光線作用下使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的稱為光生伏特效應(yīng)，轉(zhuǎn)換元件有光電池和光敏晶體管1、原子只能處在一系列不連續(xù)的、穩(wěn)定的能量狀態(tài)。原子系統(tǒng)的基本理論2、當(dāng)原子能級(jí)躍遷時(shí)，才發(fā)射（或吸收）光子,hEEkn-=n其頻率為＋－EE3E2E1E1,E2,E3……En（定態(tài)）hh’h’’氫原子軌道半徑r14r19r116r1rvmn=1n=2n=3n=42光電管半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)。當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功時(shí)，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射.單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子，從而使自由電子的能量增加。當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)注意:每一種陰極材料，入射光都有一個(gè)確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，都不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時(shí)若光強(qiáng)增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。光電管正常工作時(shí)，陽極A電位高于陰極K。-IAU電源KA在圖所示的電路中，電流和電阻之上的電壓降就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。-UaUIo光強(qiáng)較大光強(qiáng)較小Is①光譜特性用單位輻射通量不同波長的光分別照射光電管，在光電管上產(chǎn)生大小不同的光電流。光電流I與光波波長λ的關(guān)系曲線稱為光譜特性曲線，又稱頻譜特性對(duì)于不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同光電陰極的光電管。此外在測量與控制技術(shù)中，光電管可以擔(dān)負(fù)人眼不能勝任的工作。②光電特性

光電管在固定陽極電壓下，光通量與光電流之間的關(guān)系稱為光電特性。光電管的光電特性基本上呈線性關(guān)系，直線的斜率為其靈敏度飽和電流強(qiáng)度與光強(qiáng)成正比當(dāng)入射光頻率一定時(shí),光電流I和兩極間電壓U的關(guān)系如圖所示。當(dāng)加速電壓增加到一定值時(shí),光電流達(dá)到一飽和值Is。實(shí)驗(yàn)還表明:飽和電流值Is和光強(qiáng)成正比。-UaUIo光強(qiáng)較大光強(qiáng)較小Is-IAU電源KA③伏安特性

真空光電管一般工作于伏安特性的飽和部分，內(nèi)阻達(dá)幾百兆歐。

光電管在光通量一定的情況下，陽極電壓與陽極電流的關(guān)系稱為伏安特性。在陽極電壓大于50V時(shí)，光電流開始飽和，陽極電流近于常數(shù)，而與電壓無關(guān)。3光敏電阻

光敏電阻在光線的作用下阻值往往變小。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高。

3光敏電阻當(dāng)受到光照時(shí)，增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的載流子將逐漸復(fù)合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復(fù)原值。

在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的增加而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。4光電池講述3個(gè)問題①概述②光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理③基本特性①概述當(dāng)光照射P區(qū)表面時(shí)，若光子能量加大于硅的禁帶寬度，則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)，P區(qū)表面吸收的光子最多，激發(fā)的電子空穴最多，越向內(nèi)部越少。這種濃度差便形成從表面向體內(nèi)擴(kuò)散的自然趨勢。①概述

由于PN結(jié)內(nèi)電場的方向是由N區(qū)指向P區(qū)的，它使擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子—空穴對(duì)分離，光生電子被推向N區(qū)，光生空穴被留在P區(qū)。從而使N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電，形成光生電動(dòng)勢。若用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū)，電路中就有光電流流過。②光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理②光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。當(dāng)光照到PN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)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動(dòng)勢。有關(guān)電荷正離子負(fù)離子正負(fù)離子都是不能移動(dòng)的電荷自由電子空穴自由電子、空穴都是能自由移動(dòng)的電荷有關(guān)電荷由正負(fù)離子形成的電場講解當(dāng)PN結(jié)及其附近被光照射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生載流子（即電子-空穴對(duì)）。結(jié)區(qū)內(nèi)的電子-空穴對(duì)在空間電荷區(qū)電場的作用下，電子被拉向N區(qū)，空穴被拉向P區(qū)而形成光電流。講解同時(shí)勢壘區(qū)一側(cè)一個(gè)擴(kuò)展長度內(nèi)的光生載流子先向勢壘區(qū)擴(kuò)散，然后在勢壘區(qū)電場的作用下也參與導(dǎo)電。講解當(dāng)入射光強(qiáng)度變化時(shí)，光生載流子的濃度及通過外回路的光電流也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。在入射光強(qiáng)度的很大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)這種變化能保持較好的線性關(guān)系動(dòng)畫演示光電池的表示符號(hào)、基本電路及等效電路IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)圖光電池符號(hào)和基本工作電路③基本特性（a）光照特性開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨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，指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0(b)光譜特性光譜特性決定于材料硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用(c)頻率特性頻率響應(yīng)是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)硒光電池則較差（d）溫度特性溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線開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，影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。5光敏晶體管光敏晶體管是受光照射時(shí)載流子增加的半導(dǎo)體光電器件,它與普通的晶體管一樣,也具有PN結(jié).通常,有一個(gè)PN結(jié)的叫做光敏二極管,有兩個(gè)PN結(jié)的叫做光敏晶體管光敏二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管相似，只是它的PN結(jié)裝在管殼頂部，光線通過透鏡制成的窗口，可以集中照射在PN結(jié)上。電路中通常處于反向偏置狀態(tài)。

光敏二極管PN結(jié)加反向電壓時(shí)，反向電流的大小取決于P區(qū)和N區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，無光照時(shí)P區(qū)中少數(shù)載流子(電子)和N區(qū)中的少數(shù)載流子(空穴)都很少，因此反向電流很小。但是當(dāng)光照PN結(jié)時(shí)，只要光子能量h大于材料的禁帶寬度，就會(huì)在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加，它們在外加反向電壓和PN結(jié)內(nèi)電場作用下定向運(yùn)動(dòng)，分別在兩個(gè)方向上渡越PN結(jié)，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生電子—空穴對(duì)的濃度將相應(yīng)變動(dòng)，通過外電路的光電流強(qiáng)度也會(huì)隨之變動(dòng)，光敏二極管就把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)。光敏三極管光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)，因而可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度。發(fā)光二極管的工作原理

發(fā)光二極管是利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需要光學(xué)諧振腔，發(fā)射的是非相干光。

P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光輸出第9節(jié)霍爾傳感器1.霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢VH。靈敏度常數(shù)把半導(dǎo)體單晶薄片置于磁場B中，如果在它的兩個(gè)縱向面上通以一定大小的電流則在晶體的兩個(gè)橫向端面之間出現(xiàn)霍爾電勢VH2霍耳傳感器的運(yùn)用①測量轉(zhuǎn)速:霍耳元件通以恒定電流，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使元件上的磁通量發(fā)生變化時(shí)，在霍耳元件上便輸出反映了轉(zhuǎn)速高低的脈沖信號(hào)。②霍耳元件無觸電電子點(diǎn)火③位移傳感器將霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下③位移傳感器從a端通入電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢VH1，右半部產(chǎn)生霍爾電勢VH2，其方向相反。左右兩端電勢為VH1—VH2。如果霍爾元件在初始位置時(shí)VH1=VH2，則輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)位置時(shí)，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。因此,當(dāng)元件沿x方向移動(dòng)時(shí),其霍爾電勢的變化與位移量成線性關(guān)系.當(dāng)元件的控制電流I恒定時(shí),在一定范圍內(nèi),沿X方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化梯度d為一常數(shù)一、電橋電路二、放大器三、濾波器第11節(jié)傳感器信號(hào)處理電路一、電橋電路有關(guān)電壓為得當(dāng)各橋臂電阻滿足電橋的輸出電壓U為0,電橋處于平衡狀態(tài),稱為平衡電橋.如果R1=R2=R3=R4,電橋被稱為全等臂電橋.全等臂電橋自然是平衡電橋.

下面以全等臂電橋?yàn)槔f明電橋的基本特性.設(shè)全等臂電橋的4個(gè)橋臂都由應(yīng)變片組成,且工作時(shí)各橋臂的電阻都將發(fā)生變化.當(dāng)供橋電壓一定時(shí),對(duì)下式U全微分，可求得電橋的輸出電壓增量為:其中:在電橋處于平衡狀態(tài)U=0附近當(dāng)各橋臂應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)k相同時(shí),上式可以表示為:根據(jù)應(yīng)變片數(shù)量的不同,電橋有以下3種方式:1單臂工作電橋只有一個(gè)為工作臂(例如R1),其余各臂為固定電阻R,此時(shí)的輸出電壓為2半橋工作電橋的兩個(gè)橋臂為工作臂,其余兩個(gè)橋臂為固定電阻.如果R1和R2為工作臂,設(shè)工作時(shí)兩個(gè)工作臂分別有電阻增量△R1和△R2,可得輸出電壓為可見提高了測量的靈敏度3全橋工作電橋的4個(gè)橋臂全部為工作臂,此時(shí)的輸出電壓為進(jìn)一步提高了測量的靈敏度二、放大器傳感器的輸出信號(hào)都比較微弱，很難直接進(jìn)行采樣，所以必須進(jìn)行放大。對(duì)放大器電路的基本要求是：線性好，增益高，轉(zhuǎn)換速率快，抗干擾能力強(qiáng)。理