光機(jī)電系統(tǒng)及應(yīng)用

光電傳感器光電器件光機(jī)電應(yīng)用2023年2月3日

1.光電傳感器簡(jiǎn)介1.1光電傳感器定義

光電式傳感器：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種器件，其物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。用光電器件測(cè)量非電量時(shí)，需要將非電量的變化轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過(guò)光電器件的作用，就可以得到電量的變化。2023年2月3日2023年2月3日光電傳感器外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電管光電倍增管光敏器件光生伏特器件1.2光電傳感器的分類(lèi)（根據(jù)對(duì)入射光響應(yīng)原理）2.光電傳感器結(jié)構(gòu)2023年2月3日系統(tǒng)構(gòu)成光源＋光路＋光電器件＋信號(hào)調(diào)理電路測(cè)量原理被測(cè)量光學(xué)量光電器件電量電流、電壓，或電導(dǎo)率物理基礎(chǔ)——光電效應(yīng)，紅外技術(shù)，激光干涉原理，激光衍射原理，激光全息原理2023/2/320:0653.光電器件作用:將光信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)光信息:光強(qiáng)度、光相位、光頻率電信號(hào):電流、電壓、電阻分類(lèi)：熱輻射探測(cè)器光子探測(cè)器2023/2/320:066

3.1熱輻射探測(cè)器熱輻射探測(cè)原理任何物質(zhì)溫度大于0K都會(huì)輻射紅外線(xiàn)；紅外線(xiàn)可以被物質(zhì)吸收，使其溫度升高.光照射到溫度傳感器傳感器溫度升高電信號(hào).分類(lèi)：測(cè)輻射熱電偶測(cè)輻射熱敏電阻熱釋電探測(cè)器2023/2/320:0673.2光子探測(cè)器物理基礎(chǔ)：光電效應(yīng)光具有波粒二象性：粒子說(shuō)、波動(dòng)說(shuō)光子具有一定的能量布朗克常數(shù)，

f:光的頻率原理：光照射在物體上，光子的能量傳遞給電子，電子獲得能量動(dòng)能增加，擺脫內(nèi)部力的束縛，成為自由電子。光能電能2023/2/320:068特點(diǎn)：光子探測(cè)器響應(yīng)速度快，可以達(dá)到ns級(jí)；對(duì)紅外光的波長(zhǎng)具有選擇性；入射光的頻率必須大于材料的“紅限”；光子探測(cè)器工作環(huán)境要求較嚴(yán)格類(lèi)型：光電發(fā)射型(光電管、光電倍增管)光電導(dǎo)型(光敏電阻)光電結(jié)型(光敏二極管、光敏晶體管)光生伏特型(光電池)2023/2/320:069光電管結(jié)構(gòu)：光電陰極＋陽(yáng)極＋真空玻璃罩光電材料：銀氧銫\銻銫\鎂化鎘原理：無(wú)光照時(shí)，陰極與陽(yáng)極短路，回路無(wú)電流；光打在陰極上，陰極電子獲得能量逸出材料表面外(光電子);在外加電場(chǎng)作用下，光電子被陽(yáng)極吸收，陰陽(yáng)極間形成電子流;回路中產(chǎn)生電流(光電流)——與光得強(qiáng)度成正比.外光電效應(yīng)的條件——“紅限”光光電陰極陽(yáng)極(1)光電發(fā)射型I2023/2/320:0610(2)光電導(dǎo)型(光敏電阻、光導(dǎo)管)半導(dǎo)體材料在光的作用下，電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為光導(dǎo)效應(yīng)結(jié)構(gòu)與原理mAI無(wú)光照時(shí),半導(dǎo)體材料載流子極少,電阻很高(暗電阻),電路中無(wú)電流流過(guò)；有光照時(shí),半導(dǎo)體中載流子劇增,電阻極劇下降(亮電阻),電路中有對(duì)應(yīng)的電流產(chǎn)生.暗電阻:10~100MΩ亮電阻:<10kΩ■材料：硫化鎘、硫化鉈、硫化鉛2023/2/320:0611光電特性電源電壓不變時(shí)，電流I與光通量φ的關(guān)系，可做測(cè)光元件或光控開(kāi)關(guān).伏安特性光通量不變時(shí)，電流I與電壓關(guān)系(線(xiàn)性)在允許功率下，光敏電阻是良好線(xiàn)性器件.光譜特性光通量和電壓不變時(shí)，電流與入射光波長(zhǎng)成一定關(guān)系.對(duì)波的波長(zhǎng)具有選擇性.可探測(cè)波長(zhǎng)比其他光子探測(cè)器寬得多.2023/2/320:0612EuA+-I(3)光電結(jié)型(光敏二級(jí)管、光敏三極管)結(jié)構(gòu)：與普通二極管和三極管相似，只是其PN結(jié)具有光敏特性.原理光敏二極管的PN結(jié)在電路中反向偏置;無(wú)光照時(shí),結(jié)內(nèi)僅有極少數(shù)載流子,回路中只有極小的反向飽和漏電流(暗電流10-8~10-9A),二極管方向截至;有光照時(shí),結(jié)內(nèi)激發(fā)大量的載流子,反向漏電流顯著增加(亮電流,與光照成正比).PN2023/2/320:0613(4)光生伏特型(光電池)光生伏特效應(yīng)某些半導(dǎo)體材料受光照時(shí)在一定方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)具有光生伏特效應(yīng)的器件被稱(chēng)為光電池材料：硅(紅外)、硒(可見(jiàn)光)結(jié)構(gòu)：由N型半導(dǎo)體(或金屬)與P型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)2023/2/320:0614硅光電池(太陽(yáng)能電池)N型單晶硅片+P型薄層+電極PN結(jié);N中電子向P中擴(kuò)散，P中空穴向N中擴(kuò)散;無(wú)光照時(shí)，載流子擴(kuò)散形成阻擋層，阻止P中空穴的進(jìn)一步擴(kuò)散，動(dòng)平衡；N型SiP型層PN結(jié)電極有光照時(shí)，PN結(jié)附近P型層中激發(fā)出電子空穴對(duì)，電子穿過(guò)阻擋層，積累在N型硅，空穴留在P型層中;兩電極間電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，直至電場(chǎng)足以抵制電荷的進(jìn)一步漂移；當(dāng)光強(qiáng)度一定時(shí)，電動(dòng)勢(shì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,相當(dāng)于一個(gè)電池。2023/2/320:06154.1.煙塵濁度檢測(cè)儀光源：400nm~700nm光檢測(cè)器范圍：400~600nm圖2-10吸收式煙塵濁度檢測(cè)儀框圖4.應(yīng)用2023/2/320:06164.2.生產(chǎn)線(xiàn)上的自動(dòng)計(jì)數(shù)V運(yùn)輸帶

產(chǎn)品圖2-16產(chǎn)生線(xiàn)上的自動(dòng)計(jì)數(shù)

發(fā)光二極管光電三極管4.3.光學(xué)定位系統(tǒng)

在絲網(wǎng)印刷中，二次定位較為困難。采用光學(xué)系統(tǒng)定位，可以方便快速地實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)定位。主要原理器件：二維PSD位置敏感器2023/2/320:062023/2/320:0618+-I0I2I1uAuAuAxAPINL4.3.1位置敏感器件PSD簡(jiǎn)介PSD的工作原理原理光線(xiàn)照到P層一點(diǎn)時(shí)，光點(diǎn)附近產(chǎn)生電子空穴對(duì);在外加電場(chǎng)的作用下，正電荷進(jìn)入P層，負(fù)電荷進(jìn)入N層;空穴沿P區(qū)表面擴(kuò)散，形成兩路電流I1和I2；由于P層電阻率均勻，因此兩電流與其電阻成反比：2023/2/320:0619+-I0I2I1uAuAuAxAPINL

原理：特性：光點(diǎn)坐標(biāo)只與電流的比值有關(guān)，與光束強(qiáng)度無(wú)關(guān);光點(diǎn)坐標(biāo)與光斑的能量中心有關(guān)，與光斑形狀無(wú)關(guān).兩電流之和與光強(qiáng)度成正比2023/2/320:06204.3.2二維PSD

二維PSD的工作原理面陣PSD結(jié)構(gòu)、原理Ly:y方向長(zhǎng)度Lx:x方向長(zhǎng)度xAyAxyPINIx2Ix1Iy2Iy12023/2/320:06214.3.3.位置敏感器件PSDPSD的應(yīng)用可連續(xù)測(cè)量光斑的位置；坐標(biāo)測(cè)量精度與光斑的形狀無(wú)關(guān)，只與光斑的能量中心有關(guān)，減小雜光的干擾；同時(shí)檢測(cè)光點(diǎn)的位置和強(qiáng)度：PSD總輸出電流反映光點(diǎn)的光強(qiáng);兩