光電式傳感器

8.1光電器件

8.2光纖傳感器

第8章光電式傳感器第8章光電式傳感器光電傳感器：以光電器件作轉換元件的傳感器。工作原理：把被測量的變化→轉換成光信號(光通量或光參數(shù))的變化→通過光電轉換元件變換成電信號。光電傳感器的組成：8.1光電器件光電器件：是將光能轉換為電能的一種傳感器件,它是構成光電式傳感器最主要的部件。光電器件特點：響應快、結構簡單、使用方便,有較高的可靠性,因此在自動檢測、計算機和控制系統(tǒng)中,應用非常廣泛。光電器件工作的物理根底：光電效應。

光生伏特效應光電導效應內光電效應外光電效應光電效應外光電效應：在光線作用下,物體內的電子逸出物體外表向外發(fā)射的現(xiàn)象。向外發(fā)射的電子叫光電子。如光電管、光電倍增管。內光電效應：在光線作用下,物體的導電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應。如光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏晶體管。1．外光電效應一束光是由一束以光速運動的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。光子具有的能量：E=hυ(8-1)式中：h——普朗克常數(shù)=6.626×10-34(J·s)；

υ——光的頻率(s-1)。根據(jù)能量守恒定理：(8-2)

式中：m——電子質量；v0——電子逸出速度。A0——逸出功。式(8-2)為愛因斯坦光電效應方程式1．外光電效應〔1〕光子能量必須超過逸出功，才能產(chǎn)生光電子；〔2〕入射光的頻譜成分不變，產(chǎn)生的光電子與光強成正比；〔3〕光電子逸出物體外表時具有初始動能，因此對于外光電效應器件，即使不加初始陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生，為使光電流為零，必須加負的截止電壓。2．內光電效應(1)光電導效應在光線作用下，半導體材料吸收了入射光子能量，假設光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性能增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。光敏電阻就是基于這種效應的光電器件。(2)光生伏特效應在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應。基于該效應的光電器件有光電池。光敏二極管、光敏晶體管也是基于內光電效應。一、光敏電阻〔光導管〕１．光敏電阻的結構與工作原理無光照時,光敏電阻值〔暗電阻〕很大,電路中電流〔暗電流〕很??；當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時,它的阻值〔亮電阻〕急劇減少,電路中電流迅速增大。暗電阻越大越好,亮電阻越小越好。

光敏電阻是用半導體材料制成的一個純電阻元件，無極性。２．光敏電阻的主要參數(shù)〔１〕暗電阻：光敏電阻在不受光時的阻值。此時流過的電流稱為暗電流?！玻病沉岭娮瑁汗饷綦娮柙谑芄庹丈鋾r的電阻。此時流過的電流稱為亮電流?！玻场彻怆娏鳎毫岭娏髋c暗電流之差稱為光電流。光敏電阻演示

當光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，電阻值減小，電流增大。暗電流〔越小越好〕３．光敏電阻的根本特性〔1〕伏安特性光敏電阻的伏安特性：在一定照度下,流過光敏電阻的電流I與光敏電阻兩端的電壓U的關系。I=F〔U〕〔2〕光照特性當光敏元件加上一定電壓時，光電流I與光敏元件上光照度E之間的對應關系稱為光照特性。一般可表示為：I=F〔E〕〔3〕光譜特性光電流〔或相對靈敏度〕與入射波長的對應關系I=F〔λ〕稱為光譜特性。(光譜響應)〔4〕頻率特性光敏元件輸出的光電流(或相對靈敏度)隨頻率變化的關系。I=F1(f)或S=F1(f)I——光電流S——靈敏度F——調制頻率〔5〕溫度特性環(huán)境溫度改變后，光敏元件的光學性質也將隨之變化，這種現(xiàn)象稱為光敏元件的溫度特性。4．光敏電阻特點：優(yōu)點：光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長、體積小等。所以應用廣泛。缺點：型號相同的光敏電阻參數(shù)參差不齊，并且由于光照特性的非線性，不適宜于測量要求線性的場合，常用作開關式光電信號的傳感元件。二、光敏二極管和光敏晶體管１．結構原理〔1〕光敏二極管結構:與一般二極管相似

將光敏二極管的PN結設置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結時，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。

光敏二極管外形

光敏二極管陣列

包含1024個元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡?！?〕光敏三極管光敏三極管外形２．根本特性〔１〕光譜特性〔２〕伏安特性〔3〕頻率特性光敏管的頻率特性是指光敏管輸出的光電流(或相對靈敏度)隨頻率變化的關系。(4)溫度特性光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關系。三、光電池1．結構原理光電池:一種直接將光能轉換為電能的光電器件?；诠馍匦?。連接內光電效應連接光電效應

光電池外形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模型太陽能硅光電池板2．根本特性〔１〕光譜特性光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的?！玻病彻庹仗匦怨怆姵卦诓煌庹斩认?光電流和光生電動勢是不同的,它們之間的關系就是光照特性。(3)頻率特性

〔4〕溫度特性光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。四、光電耦合器件定義:光電耦合器件是由發(fā)光元件〔如發(fā)光二極管〕和光電接收元件合并使用,以光作為媒介傳遞信號的光電器件。用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器類型:用于檢測有無物體的光電開關1．光電耦合器(1)組成

輸出端之間的電的耦合。電→光、光→電兩次轉換，進行輸入端和優(yōu)點：輸出和輸入進行電氣隔離，輸入和輸出沒有反響。具有獨立選擇輸入阻抗和輸出阻抗，抗干擾能力強。應用場合：電路隔離、電平轉換、噪聲抑制、無觸點開關及固態(tài)繼電器等場合。2.光電開關定義：是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收,并進行光電轉換,同時加以某種形式的放大和控制,從而獲得最終的控制輸出“開“、“關〞信號的器件。

透射式結構：反射式特點：小型、高速、非接觸,而且與TTL、MOS等電路容易結合。應用范圍：在工業(yè)控制、自動化包裝線及平安裝置中作光控制和光探測裝置。用途：用作物體檢測，產(chǎn)品計數(shù),料位檢測，尺寸控制，平安報警及計算機輸入接口等。五、電荷耦合器件〔ChargeCoupleDevice,簡稱CCD〕功能：進行電荷轉換、存儲、轉移并讀出信號電荷。應用范圍：應用于航天、遙感、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、天文、通訊等領域信息存儲及信息處理方面，尤其適用于圖像識別技術。1．CCD的結構及工作原理是一種大規(guī)模金屬氧化物半導體〔MOS〕集成電路光電器件。以電荷為信號，具有光電信號轉換、存儲、移位并讀出信號電荷的功能。1970年問世。２．CCD的應用〔CCD固態(tài)圖像傳感器〕電荷耦合器件用于固態(tài)圖像傳感器中,作為攝像或像敏的器件。組成：由感光局部和移位存放器組成。感光局部——在同一半導體襯底上布設的假設干光敏單元組成的陣列元件,光敏單元簡稱“像素〞。移位存放器——在電荷耦合中擔任電荷耦合傳輸?shù)膯卧Ｔ恚豪霉饷魡卧墓怆娹D換功能將投射到光敏單元上的光學圖像→電信號“圖像〞,利用移位存放器的移位功能將電信號“圖像〞傳送→輸出放大器輸出。單行結構線型CCD圖像傳感器雙行結構類型：線轉移面型CCD圖像傳感器幀轉移隔列轉移線型CCD圖像傳感器主要用于測試、和光學文字識別技術等方面。面型CCD圖像傳感器主要用于攝像機及測試技術。六、光電傳感器的一般形式及應用1．光電傳感器的一般形式分為模擬式和脈沖式兩大類〔1〕模擬式〔2〕脈沖式2．光電傳感器的應用〔1〕火焰探測報警器〔2〕光電式緯線探測器〔3〕燃氣熱水器中脈沖點火控制器〔4〕CCD圖像傳感器應用根據(jù)幾何光學原理，推導被測物體尺寸計算公式，式中：n——覆蓋的光敏像素數(shù)；

p——像素間距；

M——倍率。〔5〕光電轉速傳感器

n=f/N

式中：n——轉速；f——脈沖頻率；N——圓盤開孔數(shù)。8.2光纖傳感器一、概述光纖傳感器的優(yōu)點：靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、可撓曲、體積小、重量輕、電絕緣性好，以及與光纖傳輸線路相容、便于與計算機連接等。用途：測量壓力、應變、位移、速度、流量、溫度、加速度、PH值等。

二、光纖的結構和傳輸原理光纖結構〔1〕光纖即光導纖維〔2〕由纖芯、包層和保護層〔外套〕組成。纖芯和包層通常由不同摻雜的石英玻璃組成；保護層多為尼龍材料以增加機械強度。各種裝飾性光導纖維

發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導纖維傳導到東方明珠球體的外表。在計算機控制下，可產(chǎn)生動態(tài)圖案。上海東方明珠光纖傳感器外形2.光纖傳光原理光纖的傳輸是基于光的全內反射三、光纖根本特性1．數(shù)值孔徑〔NA〕說明光纖集光本領的術語叫數(shù)值孔徑NA,定義為NA=sinθc=數(shù)值孔徑意義:無論光源發(fā)射功率有多大,只有入射角處于2θc的光錐內,光纖才能導光。2．光纖模式光纖模式：就是光波沿光纖傳輸?shù)耐緩胶头绞?。單模光纖光纖按傳輸模式多少分為多模光纖單模光纖：通常指階躍光纖中內芯尺寸很小，因而光纖傳輸?shù)哪Ｊ胶苌?，原那么上只能傳一種模式的光。多模光纖：指階躍型光纖中，內芯尺寸較大，因而傳輸模式很多的光纖。3．光纖傳輸損耗光纖傳輸損耗主要來源：材料吸收損耗、散射損耗及光波導彎曲損耗。〔1〕在光纖材料中，由于存在雜質離子、原子的缺陷等都會吸收光，從而造成材料吸收損耗?！?〕散射損耗主要是由于材料密度及濃度不均勻引起的，這種散射與波長的四次方成反比?！?〕光波導彎曲損耗是使用過程中可能產(chǎn)生的一種損耗。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)生損耗。四、光纖傳感器1．光纖傳感器的工作原理和組成原理：研究光被外界參數(shù)的調治原理。光調制就是把某一被測信息加載到傳輸光波上。這種承載了被測量信息的調制光再經(jīng)光探測系統(tǒng)解調，便可獲得所需檢測的信息。功能型傳感器(FunctionalFiber,FF)分類

非功能型傳感器(NonFunctionalFiber,NFF)功能型傳感器：是利用光纖本身的特性(如光纖的折射率、傳輸光的強度等)隨被測量而發(fā)生變化來實現(xiàn)對光纖