第10、11課-光電傳感器12

第10課、11課光電式檢測(cè)技術(shù)教材：P135RamonPallas-Areny:306光電管、光電倍增每個(gè)光子所具有的能量E為:E＝hν式中h—普朗克常數(shù)，6.626×10-34（J·S）ν—光的頻率(Hz)。Anode=陽(yáng)極Cathode=陰極K光電管結(jié)構(gòu)示意圖和連接電路AKAKAKIRLE入射光入射光光電管的特性1光電特性光電特性表示當(dāng)陽(yáng)極電壓一定時(shí)，陽(yáng)極電流I與入射在光電陰極上光通量之間的關(guān)系。在很大區(qū)間上具有線性關(guān)系，但隨著光強(qiáng)的增大，非線性加重。100.10.20.30.480604020I/mAF/lm2光電管的特性光譜特性由于光電陰極對(duì)光譜有選擇性，因此光電管對(duì)光譜也有選擇性。保持光通量和陽(yáng)極電壓不變，陽(yáng)極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。曲線1為銫氧銀陰極管的特性曲線2為銻化銫陰極管的特性曲線3為人眼視覺特性109876543210相對(duì)靈敏度紫外藍(lán)綠橙紅外線1320.20.40.60.81.00光電管的特性光譜特性光電管的特性伏安特性當(dāng)入射光的的頻譜及光通量一定時(shí)，陽(yáng)極電流與陽(yáng)極電壓之間的關(guān)系叫伏安特性。當(dāng)陽(yáng)極電壓比較低的時(shí)候，陰極所發(fā)射的電子只有一部分到達(dá)陽(yáng)極，其余部分受光電子在真空中運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的負(fù)電場(chǎng)作用，回到源點(diǎn)陰極。隨著陽(yáng)極電壓的增高，光電流隨之增大。當(dāng)陰極發(fā)射的電子全部到達(dá)陽(yáng)極時(shí)，陽(yáng)極電流便很穩(wěn)定，稱為飽和狀態(tài)。10020020151050I/mAU/V0.15lm0.10.05光電倍增管

一般陽(yáng)極和陰極之間電壓是1000V～2500V，兩個(gè)相鄰倍增極之間的電位差為50V～100V。如果設(shè)每個(gè)電子落到任一倍增極上都打出d個(gè)電子，則陽(yáng)極電流為I=i0dn

式中:i0

—光電陰極發(fā)出的光電流；n—光電倍增極數(shù)(一般9-11個(gè))光電倍增管的靈敏度高，頻率特性好，頻率可達(dá)108Hz或更高，但它需要高壓直流電源，價(jià)貴、體積大，經(jīng)不起機(jī)械沖擊。此外，由于其靈敏度很高，所以不能承受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)導(dǎo)致光電倍增管損壞AKD1D3D2D4夜視鏡光敏電阻LDR

Light

Dependent

Resistor一般是半導(dǎo)體器件。其電阻的大小與光強(qiáng)成反比。非線性較強(qiáng)。光敏電阻的阻值隨光照度的增加而減小，當(dāng)光照停止，其阻值又恢復(fù)原值。光敏電阻的種類很多，最常見的是硫化鎘和硒化鎘制成的器件。光敏電阻的暗電流是指電壓一定、無(wú)光照的情況下通過(guò)電阻的電流。光敏電阻的暗電流一般也是隨溫度的升高而增大。

內(nèi)光電效應(yīng)及相應(yīng)的器件光敏電阻的主要特性光照特性電路伏安特性和頻率特性

10080604020頻率特性1硫化鎘2硫化鉛

12I/%f/Hz010101010234光譜特性l硫化鎘2硒化鎘

I/%l/nm12481216100806040200光譜特性：對(duì)不同波長(zhǎng)的光(藍(lán)光\紅光\紫光。)的敏感能力頻率特性：亮度作周期變換時(shí)，光敏電阻的跟隨能力與其它光電器件比較而言，一般光敏電阻的頻響不是很好，因此只能用在低速、無(wú)特別精度要求的場(chǎng)合。底端傻瓜照相機(jī)路燈照明控制

光敏二極管＋光譜特性入射光的波長(zhǎng)縮小時(shí)，相對(duì)靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，透入深度小，在表面激發(fā)的電子空穴對(duì)不能達(dá)到PN結(jié)，因而靈敏度下降。

硅和鍺光敏二極管(晶體)管的光譜特性曲線相對(duì)靈敏度(%)481012141618202220406080100硅鍺波長(zhǎng)(X100nm)頻率特性光敏管的頻率響應(yīng)是指用具有一定頻率的調(diào)制光照射時(shí)，光敏管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓）隨頻率的變化關(guān)系。光敏管的頻率響應(yīng)與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。對(duì)于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下，硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好.0100500100050001000010080604020(H)硅光敏晶體管頻率響應(yīng)曲線相對(duì)靈敏度％暗電流的溫度特性Exponentialincreasesinthethermallyexcitedelectron-holepairsresultinginincreasingdarkcurrent.Thisleakagedoublesforeach8to10degCtemperatureincrease.1000100101Temperature,DegCDarkCurrentvsTemperatureRelativeDarkCurrent0102030405060708090100光照特性光伏應(yīng)用光照特性中,開路電壓與照度的關(guān)系呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性,因此不能用來(lái)測(cè)量光強(qiáng)等線性應(yīng)用的場(chǎng)合;而短路電流卻有非常好的線性,因此常被采用.0.30.20.102004000.60.40.20光生電流（mA）照度（lx）光生電壓（V）開路電壓短路電流應(yīng)用電路1光電應(yīng)用

電壓輸出速度較慢非線性大＋eoRLPlBasicPhotovoltaicCircuit零偏應(yīng)用

電流輸出速度慢線性很好ZeroBiasOperationPl＋-+RfVoutARecommendedZeroBiasCircuitLightPulseVout00反向偏置提高速度(減小結(jié)電容)biasvoltage偏置電壓1000100101036912151821242730pF50sqmm10sqmm5sqmm1sqmmBiasVoltagesqmm=平方毫米反偏時(shí)的光照特性-U(伏特)5040302010020406080100120-I(uA)20040060080010001200lx光

照

特

性Theoutputofphotodiodewhenreverse-biasedisextremelylinearwithrespecttotheilluminanceappliedtothephotodiodejunction,asshowninthegraph.10-510-410-310-210-1

Illuminance[W/cm2]10-310-410-510-610-7

OutputCurrentAOSD5-0R1=100kWWVr=20V5V1V0V光導(dǎo)應(yīng)用

PhotoconductiveOperation反向偏置速度較快Optional可選的；EPNRL-+Pl00RfVout(Inverted)LightPulseVoutAOptionalV+BiasPositiveBiasCircuit光敏二極管的等效電路IsIlInCdRsRdRleoIs=signalcurrentRd=diodeparallelshuntresistanceIl=leakagecurrentRs=diodeseriesresistanceIn=noisecurrentRl=loadresistanceCd=diodejunctioncapacityeo=[Is+Il+In][Rl+Rd][Rl+Rd+Rs]光敏三極管NPN結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型基本電路光npn型光敏晶體管簡(jiǎn)化模型和基本電路bce+-+c-c光電池光電池的符號(hào)和連接電路BRLIU光電池硅光電池的光譜特性硅光電池的光譜響應(yīng)峰值在800nm附近，光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍從400一1200nm硒光電池的光譜響應(yīng)峰值在500nm附近，范圍在380一750nm范圍。04006008001000120010080604020硒

硅相對(duì)靈敏度％入射光線波長(zhǎng)nm硅光電池的光照特性開路電壓很嚴(yán)重的非線性短路電流很好的線性0.30.20.102004000.60.40.20光生電流（mA）照度（lx）光生電壓（V）開路電壓短路電流（實(shí)際上開路電路與照度有很好的指數(shù)關(guān)系）光電池的頻率特性12345

(f/kHz)100806040200I/％1－硒光電池2－硅光電池光電池作為測(cè)量、計(jì)算、接收器件時(shí)，常用調(diào)制光作為輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，而硒光電池則較差。因此，在高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換中一般采用硅光電池光電池受溫度的影響光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由于溫度對(duì)光電池的工作有很大影響，因此當(dāng)它作為測(cè)量器件應(yīng)用時(shí)，最好能保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。開路電壓隨溫度上升而下降很快

短路電流隨溫度的變化要緩慢些6050403020106005004003002001000306090T/℃Uoc/mVIsc/mA光電池的穩(wěn)定性當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時(shí)，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的，使用壽命很長(zhǎng)。硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。光電池的性能和壽命除了與光電池的材料及制造工藝有關(guān)外，在很大程度上還與使用環(huán)境條件有密切的關(guān)系。如在高溫和強(qiáng)光照射下，會(huì)使光電池的性能變壞，而且降低使用壽命，這在使用中要特別注意在電路中的使用BasicPhotovoltaicCircuitBRLIU光電池在電路中的使用＋-+RfVoutARecommendedZeroBiasCircuitLightPulseVout00輸出電壓計(jì)算式I為電池產(chǎn)生的短路電流；Rf

為反饋電阻阻值。光電探測(cè)器件

外光電探測(cè)器件：光電管內(nèi)光電器件：光電池光敏二極管光敏三極管光敏電阻

(光釋電器件)PSDPositionSensitiveDetector（orPhotoSensingDevice）第一種PSD4象限檢測(cè)元件4QuadrantDiodeABCDquadrantdetectorincidentbeamspotxyIncident

light：入射光；Quadrant:四象限（光驅(qū)里也使用了類似的元件）

QuadrantDiode位置檢測(cè)計(jì)算公式a、b、c、d為個(gè)區(qū)塊的電流值abcdABCDquadrantdetectorxy

QuadrantDiode

在準(zhǔn)直中的應(yīng)用CD/DVD讀取時(shí)的準(zhǔn)直ABCD激光準(zhǔn)直太陽(yáng)自動(dòng)追蹤INCIDIENTLIGHT第2種PSD位置傳感器LateralEffect(橫向效應(yīng))Incidentlight:入射光XBXAOUTPUTIX1ELECTRODEX1ELECTRODEX2OUTPUTIX2PHOTOCURRENTCOMMONELECTRODERESISTANCE

LENGTH

LXP

LAYERI

LATERN

LAYER原理(續(xù))Io光點(diǎn)產(chǎn)生電流電阻與路線長(zhǎng)度成正比PINk2I201PP1I1k1k0IgesIgesk2I2I1k1Rq2Rq1Fe原理(續(xù))IoI1I2xL線性PSD的光點(diǎn)位置求解X1X2LxxACTIVEAREA面形PSD的光點(diǎn)位置求解yxLxY2Y1X1X2LYACTIVE

AREACCD

ChargeCoupledDevice

電荷耦合器件

CCD圖像傳感器優(yōu)良的性能體積小，結(jié)構(gòu)緊湊分辨率高。Ford公司近期研制出4096×4096CCD,像元尺寸7.5m。由于微細(xì)加工技術(shù)和工藝的進(jìn)展，目前CCD像元中心距已做到（7～8）m,做到4m也是完全可能的。高靈敏度，低噪音。其量子效率達(dá)90%以上，電子轉(zhuǎn)移效率幾乎達(dá)100%，低溫下工作幾乎無(wú)暗電流。帶圖像增強(qiáng)器的CCD(ICCD)可在10-6lx下工作。光動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)10個(gè)數(shù)量級(jí)。光譜范圍寬；功耗小，僅幾十毫瓦；幾何尺寸穩(wěn)定，耐過(guò)度曝光。光電耦合器的應(yīng)用使用低壓脈沖信號(hào)控制電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵、電磁閥等)

M＋5V+28V光電耦合器既可傳輸信號(hào)，又能實(shí)現(xiàn)電路的隔離。其輸入電路和輸出電路在電氣上完全沒有關(guān)聯(lián)，僅僅通過(guò)光的耦合才把彼此聯(lián)系在一起。

熱軋板寬自動(dòng)測(cè)量原理

(a)基本構(gòu)成(b)原理CCD線型傳感器dLLLmLxLL=Lm+LL+Lx三角法測(cè)量的原理SMR測(cè)量范圍起始點(diǎn)；MMR測(cè)量范圍中間點(diǎn)；EMR測(cè)量范圍終止點(diǎn)；FSO全量程輸出(-

)(+

)參考距離測(cè)量范圍Laser-diodeCCDfrom"TheMagicofFilmSound"inAudio1999/05

光電池在膠片電影中的應(yīng)用轉(zhuǎn)速測(cè)量測(cè)

速在通訊中的應(yīng)用由于光器件具有優(yōu)良的高頻特性，可以傳輸很高頻率的信號(hào)，因此在光通訊中占據(jù)很重要的位置。家用紅外遙控器利用了紅外光通訊。煙霧檢測(cè)反射式煙霧報(bào)警器在沒有煙霧時(shí)，由于紅外對(duì)管相互垂直，煙霧室內(nèi)有涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無(wú)法到達(dá)紅外光敏三極管。當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對(duì)紅外光產(chǎn)生漫反射(圖中只畫出幾個(gè)例子的反射示意圖)，使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光電流輸出。自動(dòng)水龍頭光幕木材外形截面積檢測(cè)光電式碼盤

1光源2透鏡3碼盤4狹縫5光電元件

角編碼器也稱為碼盤，是一種把轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，按其轉(zhuǎn)換方式可分為接觸式編碼器、光電式編碼器和磁電式編碼器。讀取光電碼盤信號(hào)的方式絕對(duì)編碼碼盤增量式編碼碼盤光電碼盤的基本類別絕對(duì)編碼碼盤絕對(duì)式碼盤具有固定的零點(diǎn)，輸出的代碼是轉(zhuǎn)角的單值函數(shù)，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)，掉電后再啟動(dòng)無(wú)須重新標(biāo)定，并且能顯示轉(zhuǎn)角的絕對(duì)位置及沒有累積誤差，所以被廣泛使用。這種碼盤的角度分辨率決定于碼道數(shù)N。N越大，所分的扇區(qū)數(shù)2N就越多，分辨率也就越高。二進(jìn)制編碼方式(4位實(shí)例)

問題：容易出現(xiàn)錯(cuò)碼A：1001B：0101大錯(cuò)誤(中間留空白)A道B道C道D道格雷碼

：

每次只允許一個(gè)位置跳變格雷碼由于編碼連續(xù)，因此改進(jìn)了性能，不再會(huì)出現(xiàn)編碼隔級(jí)跳動(dòng)的問題。A:00B:10只有兩種狀態(tài)(中間留空白)增量式碼盤

碼

盤

的

辨

向整圈標(biāo)示絕對(duì)式與增量式的對(duì)比絕對(duì)式不怕掉電，在任何時(shí)候都能恢復(fù)增量式怕掉電，一旦掉電會(huì)產(chǎn)生很大錯(cuò)誤絕對(duì)式需要較多的連線增量式連線很少帶碼盤的直流電機(jī)碼盤部分電機(jī)部分碼盤實(shí)物透明碼盤碼

盤

實(shí)

物鼠標(biāo)里的

光電傳感器光電接收管(2單元合成)光電發(fā)射管碼盤兩單元是區(qū)分正反向必須的。這種鼠標(biāo)已成歷史。光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理

光纖的結(jié)構(gòu)

光在光纖的傳播

纖芯n1包層n2保護(hù)層包層n2纖芯n1光纖傳感器光纖傳感器是70年代發(fā)展起來(lái)的新型傳感器，和前面所介紹的傳統(tǒng)傳感器相比，有著重大的差別。光纖本來(lái)用于傳輸光信號(hào)。在傳輸光信號(hào)的過(guò)程中，由于光纖物理性質(zhì)或位置的改變，會(huì)引起輸出端光信號(hào)的性質(zhì)的改變，從而給我們提供了一種通過(guò)輸出端光信號(hào)來(lái)判斷某些引起這些變化的物理量。光纖不是一種直接的電量變換元件，只是一種中間變換元件，與用于壓力測(cè)量中的膜片的功能類似。光纖的性能

1、數(shù)值孔徑（NA）

2、光纖模式：?jiǎn)文９饫w、多模光纖

3、色散4、傳輸損耗衰減率ξ=

遮光式光強(qiáng)調(diào)制方式

動(dòng)光纖式動(dòng)光閘式光波強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器微彎傳感器示意圖光纖F微彎板F相位調(diào)制型光纖傳感器光纖PZT圓環(huán)

偏振型光纖應(yīng)變傳感器原理圖

激光二極管1/4波片光纖透鏡光學(xué)準(zhǔn)直器帶有光纖的復(fù)合材料梁檢偏鏡光敏管透鏡光纖傳感器的基本形式1、功能型光纖傳感器的光纖不僅起著傳輸光波的作用，還起著敏感元件的作用，由它對(duì)光波實(shí)行調(diào)制，它既傳光又傳感。2、傳光型光纖傳感器的光纖僅僅起著傳輸光波的作用，對(duì)光波的調(diào)制則需要依靠其它元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(a)功能型(b)傳光型

被測(cè)對(duì)象敏感光纖光纖光電元件光源被測(cè)對(duì)象光轉(zhuǎn)換敏感光纖光纖光電元件光源光纖傳感器的應(yīng)用可以使用光纖測(cè)量的量有

溫度 壓力 電場(chǎng) 磁場(chǎng) 振動(dòng)等

它們對(duì)光纖的作用，會(huì)引起光波特征參量（如振幅、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化。1、試述光電二極管三種典型信號(hào)接法的主要特點(diǎn)；2、總結(jié)光纖在測(cè)量方面的主要用法；3、碼盤和電位器都可測(cè)量位移，它們?cè)谑褂蒙嫌惺裁磪^(qū)別？4、太陽(yáng)能電池的光接收面正對(duì)著太陽(yáng)具有最大的效率。設(shè)計(jì)一個(gè)使用四象限PSD進(jìn)行太陽(yáng)位置追蹤的系統(tǒng)，使得太陽(yáng)能電池板始終正對(duì)太陽(yáng)。6、試述PSD的工作原理。7、分析三角法測(cè)量距離的原理，給出計(jì)算關(guān)系式。作業(yè)（后面為備用資料）電

磁

波

頻

譜(nm)單光子計(jì)數(shù)

光子計(jì)數(shù)法對(duì)于使用光電倍增管探測(cè)極微弱光是個(gè)有效的方法，并在天文光度測(cè)量、化學(xué)發(fā)光和生物發(fā)光等領(lǐng)域有較多應(yīng)用。人眼的敏感度大約為：幾十個(gè)光子/秒(每個(gè)感光點(diǎn)）時(shí)間離散的輸出脈沖（單光子事件）車站

-曹磊

位置對(duì)中

光電式邊緣位置傳感器原理

1－白織燈2、7－雙凸透鏡3－半透反射鏡4－平凸透鏡5－帶材6－角矩陣反射鏡8－光敏晶體管123456+△l-△l0CCD應(yīng)用尺寸測(cè)量

f—所用透鏡焦距；a—物距；b—像距；M—倍率；n—線陣傳感器的像素?cái)?shù)；p—像素間距。光柵透射式計(jì)量光柵的結(jié)構(gòu)原理

光柵莫爾條紋的形成光源透鏡標(biāo)尺光柵指示光柵光電元件WBaa摩爾條紋光

柵

的

應(yīng)

用容柵的使用容柵磁柵如何使用光纖Mach-Sender光纖干涉儀懸臂梁測(cè)試裝置光纖光纖分光鏡激光器干涉條紋外力梁偏振調(diào)制型光纖傳感器利用光彈性效應(yīng)進(jìn)行偏振調(diào)制的實(shí)驗(yàn)裝置光源起偏器應(yīng)力材料補(bǔ)償器檢偏器MFF光纖電磁場(chǎng)傳感器測(cè)得P值后，則可以求出偏振角θ，偏振角θ和磁感應(yīng)強(qiáng)度B成比例關(guān)系，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定后即可得出偏振角θ和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系值。

鼠標(biāo)里的碼盤鼠標(biāo)讀取光電碼盤信號(hào)的方式樣圖光隔離器的用途光電耦合器既可傳輸信號(hào)，又能實(shí)現(xiàn)電路的隔離。其輸入電路和輸出電路在電氣上完全沒有關(guān)聯(lián)，僅僅通過(guò)光的耦合才把彼此聯(lián)系在一起。輸入輸出輸入輸出模擬光電隔離器通過(guò)反饋改善線性遮斷器由一個(gè)光發(fā)射器、一個(gè)光接收器等組成。當(dāng)中間有障礙物的時(shí)候，光被折斷；當(dāng)障礙物拿掉的時(shí)候，光導(dǎo)通。因此它可用來(lái)檢測(cè)物體的有無(wú)，也可用來(lái)對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)行限位。打印機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)等中常用的一種器件發(fā)射接收復(fù)合光電傳感器光電組件遮斷器光隔離器PSDCCD光電耦合器

OpticalCoupler1.發(fā)光管芯