第4章-光電式傳感器課件

第四章光電傳感器原理及應用采用光電元件作為檢測元件的傳感器被稱為光電傳感器。光電傳感器由光源、光學通路和光電元件組成。

第一節(jié)光電效應與光電器件1.外光電效應：在光線作用下電子從物體表面逸出。2.內光電效應：在光線作用下物體的電阻率改變。3.光生伏特效應：在光線作用下物體產生一定方向的電動勢。輻射源光學通路光電元件光電式傳感器方框圖

一、光電管、光電倍增管

利用外光電效應制成的光電器件。（一）光電管光輸入陽極陰極電子逸出電輸出光----以光速運動的粒子流。單個光子能量：普郎克常數光波頻率光電管中的自由電子逸出條件：電子質量逸出初速度逸出功光波頻率即光波頻率光波波長或光速光電管測量電路：可見，要使光電管中的自由電子逸出，頻率不能太低，波長也不能太長。為入射光波長上限，也被稱為“紅限”。光電管陰極陽極電壓輸出光輸入真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管:構造和真空光電管基本相同，優(yōu)點是靈敏度高.所不同的僅僅是在玻璃泡內充以少量的惰性氣體其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差（二）光電倍增管光電倍增管具有放大光電子電流的能力。光電倍增管具10---15級倍增電極，電位依次升高，使得陰極因接受光能而發(fā)射的電子逐級加速，且受光電子的數量逐級增多，形成較大的光電流?？捎糜谖⒐鉁y量。設單級的信號倍增率為，則多級的倍增率為。

光輸入陽極陰極

-++++

-

-

-+

-++

-+

-

-二、光敏電阻

（一）工作原理：由半導體材料構成，利用內光電效應而工作。光敏電阻當光線照射時，因材料中的電子—空穴對增加，其電阻值會變小，當光照消失時，電阻會恢復原值。這種現(xiàn)象被稱為光導效應。光敏電阻沒有極性，純粹是電阻器件，即可以加直流電壓，也可以加交流電壓工作。

光照電路符號（二）特性參數

1.暗電阻與亮電阻

暗電阻-----在室溫且全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻。例如MG41-42型光敏電阻的暗阻大于等于0.1兆歐。亮電阻-----在室溫且一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻。例如MG41-42型光敏電阻的亮阻小于等于1000歐。

光敏電阻接在電路上，亮電流（大）與暗電流（?。┲畋环Q為光電流。光敏電阻的暗電阻越大，亮電阻越小，靈敏度越高。

2.伏安特性曲線光照度小光照度大

在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關系在給定的偏壓下，光照度越大，光電流也就越大；在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象。光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關。3.光照特性曲線----光強與光電流之間的關系。4.光譜特性曲線----入射光波長與靈敏度之間的關系。光照特性光譜特性光強光電流靈敏度光波波長硫化鎘硫化跎硫化鉛（紫外---紫----紅----紅外）5.頻率特性曲線----光頻率與靈敏度之間的關系。6.溫度特性曲線----溫度對光譜特性的影響。頻率特性（硫化鉛）光譜溫度特性硫化鉛硫化跎溫度降低更適合檢測波長長的信號溫度高溫度低（紫外---紫----紅----紅外）三、光敏二極管和光敏晶體管（一）工作原理

1.光敏二極管：結構與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中，在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)的。正常情況下，PN結反向是不導通的。當被光線照射時，PN結反向導通，可以感測光信號。NP電路符號結構示意基本電路

2.光敏三極管：正常情況下，給PNP型三極管的集電極和發(fā)射極之間加正向電壓，一個PN結（集電結）不導通，另一個PN結（發(fā)射結）導通。但當集電結被光線照射時，集電結會反向導通，造成三極管中出現(xiàn)放大電流，集電極和發(fā)射極之間導通。也可以感測光信號。無光照無輸出有光照有輸出+-四、光電池（一）工作原理光生伏特效應。光線照射發(fā)電電路符號直接將光能轉換為電能的光電器件，是一個大面積的pn結。當光照射到pn結上時，便在pn結的兩端產生電動勢(p區(qū)為正，n區(qū)為負)。用導線將pn結兩端用導線連接起來，就有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經外電路至n區(qū)。若將電路斷開，就可以測出光生電動勢。（二）基本特性（紫外---紫----紅----紅外）硅光電池硒光電池受光范圍寬受光范圍窄光譜特性：

一定照度下,光波波長與光電池靈敏度的關系。

第二節(jié)光電傳感器與光電檢測一、光電傳感器的類型光電傳感器組成：被測量使得光通亮連續(xù)變化，輸出光電流也連續(xù)變化。

（一）模擬式光電傳感器被測量模擬式光電傳感器的四種形式：被測量是光源（測光源溫度）被測量吸收光通亮（測厚）光源被投射-反射（測表面粗糙度等）光源被運動物體阻擋（測尺寸和位置）（二）脈沖式光電傳感器光信號斷續(xù)變化，光電元件輸出的也斷續(xù)變化。只有兩種狀態(tài)。常用于計數或測速。二、光電傳感器的常用光源（一）發(fā)光二極管：電能光能。（二）鎢絲燈泡：發(fā)射紅外光。（三）激光三、光電轉換電路1.光敏電阻測量電路2.光敏晶體管測量電路3.光電池測量電路4.使用運算放大器的光敏元件測量電路。光敏電阻測量電路光敏晶體管測量電路光線增強電阻減小基極電壓輸出電壓感光感溫不感光感溫輸出與光通亮成比例光線增強電壓變小光電池測量電路光線增強電壓變大光線增強電壓變大光線增強電壓變大二、光電檢測實例（一）WDS型光電比色高溫計：

通過輻射體在兩個不同波長上的輻射能量之比，測定輻射體的溫度。非接觸式，可測量高溫。輻射體物鏡瞄準反射鏡光導棒不可見光可見光光闌分光鏡比例計算人工觀測反射鏡目鏡棱鏡變送器記錄儀（二）光電比色計

用于溶液的顏色、成分、渾濁度等化學分析。標準樣品受檢樣品光源凸透鏡凸透鏡濾色濾色光電池光電池差值差動放大器顯示儀表（三）光電式帶材測厚跑偏檢測儀

檢測帶材加工過程中偏離正確位置的情況。不反射帶材光源凸透鏡凸透鏡反射鏡半透膜反射鏡光敏三極管正確位置電橋平衡U0=0左或右偏UO都會改變。電橋（四）光電式轉速儀

1）反射式光電轉速儀電信號光信號凸透鏡半透膜片聚焦透鏡凸透鏡光源測量電路計數器不反光位置電橋平衡U0=0反光位置輸出電脈沖。2）直射式光電轉速儀測量電路計數器光信號電信號凸透鏡指示透鏡光源旋轉盤不透光位置電橋平衡U0=0透光位置輸出電脈沖。（五）光電檢測的其他應用舉例布料寬度檢測、有無檢測兩臺行車的安全距離檢測空箱檢測及推出處理被長距傳送的金屬板檢測反射式煙霧報警器

在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂直，煙霧室內又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達紅外光敏三極管。當煙霧進入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產生漫反射（圖中只畫出幾個微粒的反射示意），使部分紅外光到達光敏三極管，有光電流輸出。紫外線光電管光敏電阻光敏二極管紅外發(fā)射、接收對管

紅外發(fā)射管紅外接收管光敏三極管

光電池光敏面能提供較大電流的大面積光電池外形光電池在動力方面的應用太陽能賽車太陽能電動機太陽能硅光電池板光照度計比色式溫度傳感器紅外線輻射溫度計集成IC溫度測量激光用于瞄準紅外檢測元件紅外報警器吸頂式紅外報警器第三節(jié)光導纖維傳感器象電路傳輸電信號一樣，光導纖維可以傳輸光信號。主要應用于通訊領域。使用光導纖維的傳感器被稱為光纖傳感器。光纖傳感優(yōu)點：靈敏度較高；幾何形狀具有多方面的適應性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉等）的器件；可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境。應用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。4.4.1光導纖維的結構和導光原理圓柱形內芯和包層組成，而且內芯的折射率略大于包層的折射率（n2<n1）斯乃爾（Snell）定理當光由光密物質出射至光疏物質時，發(fā)生折射（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：（c）全反射：工作原理（利用光的完全內反射原理）光纖傳感器傳光型：作為光學通路傳輸光信號。功能型：被測信號光纖及傳輸特性變化。包層2.光導纖維低折射率高折射率1.光源3.光探測器4.4.3光纖傳感器結構原理把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置光受到被測量的調制，已調光經光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，經信號處理系統(tǒng)得到被測量。傳統(tǒng)傳感器？光就是一種電磁波，

光的電矢量E被測量調制：光的強度、偏振態(tài)（矢量B的方向）、頻率和相位解調：光的強度調制、偏振調制、頻率調制或相位調制光纖在傳感器中的作用光受被測量調制的形式4.4.4光纖傳感器的分類(1)光纖的傳感器中的作用功能型非功能型拾光型

功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學特性(光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。信號處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。信號處理光受信器敏感元件光發(fā)送器光纖

拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。

信號處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器被測對象傳感器光學現(xiàn)象被測量光纖分類干涉型光纖傳感器相位調制干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應光彈效應干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非干涉型光纖傳感器強度調制遮光板斷光路半導體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄模溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纖傳感器偏振調制法拉第效應泡克爾斯效應雙折射變化光彈效應電流、磁場電場、電壓溫度振動、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纖傳感器頻率調制多普勒效應受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動、加速度氣體濃度溫度MMMMMMCbb注：MM——多模光纖；SM——單模光纖；PM——偏振保持光纖(2)根據光受被測對象的調制形式

強度調制型光纖傳感器是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數的變化，而導致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質的吸收特性；振動膜或液晶的反射光強度的變化；物質的熒光輻射或光路的遮斷等來構成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調制型光纖傳感器。優(yōu)點：結構簡單、容易實現(xiàn)，成本低。缺點：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大。偏振調制光纖傳感器是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。有利用光在磁場中媒質內傳播的法拉第效應做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內傳播的泡爾效應做成的電場、電壓傳感器；利用物質的光彈效應構成的壓力、振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳感器可以避免光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。頻率調制光纖傳感器是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進行監(jiān)測的傳感器。有利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用物質受強光照射時的喇曼散射構成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。相位調制傳感器其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數發(fā)生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。通常有利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應的旋轉角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。

4.4.6光纖傳感器的應用強度調制型： 基于彈性元件受壓變形，將壓力信號轉換成位移信號來檢測，故常用于位移的光纖檢測技術；相位調制型： 利用光纖本身作為敏感元件；偏振調制型： 主要是利用晶體的光彈性效應。光纖壓力傳感器

（1）采用彈性元件的光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖膜片的中心撓度若利用Y形光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關系。1Y形光纖2殼體3膜片與所加的壓力呈線性關系光纖位移傳感器