光电效应和光电器件.ppt

第七章 光电式传感器,光电传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。 被测量 光信号 电信号 一般由：光源、光学通路和光电元件组成。 特点： 精度高、反应快、非接触、高分辨率、高可靠性，且可测参数多，传感器结构简单，形式灵活多样等。 在检测和控制领域得到广泛应用。,7.1 光电效应和光电器件,外光电效应: 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管 内光电效应: 在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻、光敏晶体管等属于这类光电器件。 阻挡层光电效应(光生伏特效应): 在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池,下一页,返 回,光电效应和光电器件,7.1.1 光电管 7.1.2 光电倍增管 7.1.3 光敏电阻 7.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 7.1.5 光电池 7.1.6 光电式传感器的应用,上一页,下一页,返 回,711 光电管,当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子， 电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。,上一页,下一页,返 回,真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性,充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高. 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体 其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差,上一页,下一页,返 回,712 光电倍增管,在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小， 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极,上一页,下一页,返 回,光电倍增管的结构 与工作原理,光电阴极 光电倍增极 阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射 二次电子发射系数 =二次发射电子树入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为n,上一页,下一页,返 回,713 光敏电阻,1. 光敏电阻的工作原理及结构 2光敏电阻的主要参数 3光敏电阻的基本特性,上一页,下一页,返 回,1. 光敏电阻的工作原理及结构,当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加,上一页,下一页,返 回,光敏电阻的结构,1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线,光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响， 因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。,上一页,下一页,返 回,半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。 光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。,灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。 而且体积小、重量轻、性能稳定,梳状电极,上一页,下一页,返 回,2 光敏电阻的主要参数,（1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。 （2）亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 （3）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。,上一页,下一页,返 回,光敏电阻,当光敏电阻受到光照时，阻值减小。,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,3光敏电阻的基本特性,（1）伏安特性 （2）光照特性 （3）光谱特性 （4）响应时间和频率特性 （5）温度特性,上一页,下一页,返 回,（1）伏安特性,在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系,在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大； 在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。 光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的， 耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。,上一页,下一页,返 回,（2）光照特性,光敏电阻的光电流与光强之间的关系,由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件， 一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。,上一页,下一页,返 回,（3）光谱特性,光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的,上一页,下一页,返 回,（4）响应时间和频率特性,光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。 通常用响应时间t表示。,上一页,下一页,返 回,光敏电阻的频率特性,不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。,上一页,下一页,返 回,（5）温度特性,光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。,硫化镉光敏电阻的温度特性,温度系数:,在一定光照下，温度每变化1， 光敏电阻阻值的平均变化率,上一页,下一页,返 回,温度对光谱特性影响,随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。,硫化铅光敏电阻的光谱温度特性,上一页,下一页,返 回,7.1.4 光敏二极管和光敏晶体管,1 工作原理 2 基本特性,上一页,下一页,返 回,1 工作原理,结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中 在电路中一般是处于反向工作状态的,光敏二极管,上一页,下一页,返 回,光敏二极管,将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。,光敏二极管外形,光敏二极管阵列,包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。,红外发射、接收对管外形,红外发射管,红外接收管,光敏晶体管,与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。,上一页,下一页,返 回,光敏三极管外形,2 基本特性,（1）光谱特性 （2）伏安特性 （3）光照特性 （4）温度特性 （5）频率响应,上一页,下一页,返 回,（1）光谱特性,入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降,硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性,可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。 在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。,上一页,下一页,返 回,（2）伏安特性,上一页,下一页,返 回,硅光敏管的伏安特性,（3）光照特性,硅光敏管的光照特性,光敏二极管的光照特性曲线的线性较好,上一页,下一页,返 回,（4）温度特性,其暗电流及光电流与温度的关系,温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。,上一页,下一页,返 回,（5）频率响应,具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系,硅光敏晶体管的频率响应,上一页,下一页,返 回,715 光电池,有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。 1. 工作原理 2基本特性,上一页,下一页,返 回,光电池外形,光敏面,能提供较大电流的大面积光电池外形,其他光电池及在照度测量中的应用,柔光罩下面为圆形光电池,光电池在动力方面的应用,太阳能赛车,太阳能电动机模型,太阳能 硅光电池板,光电池在动力方面的应用（续）,太阳能发电,光电池在动力方面的应用（续）,光电池在人造卫星上的应用,1. 工作原理,直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负) 。 用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。,上一页,下一页,返 回,2 基本特性,(1) 光谱特性 (2) 光照特性 (3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性,上一页,下一页,返 回,（1）光谱特性,光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的,上一页,下一页,返 回,(2)光照特性,不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。,短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的 光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用,上一页,下一页,返 回,光电池的短路电流,外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值。,负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽,上一页,下一页,返 回,(3)频率响应,指输出电流随调制光频率变化的关系,硅光电池具有较高的频率响应 ,用于高速计数的光电转换,上一页,下一页,返 回,(4)温度特性,开路电压和短路电流随温度变化的关系。 关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标,硅光电池的温度特性(照度1000lx),上一页,下一页,返 回,(5)稳定性,当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定 影响性能和寿命因素： 光电池的材料及制造工艺 使用环境条件,上一页,下一页,返 回,716 光电式传感器的应用,模拟式传感器 脉冲式传感器,上一页,下一页,返 回,1 模拟式光电传感器,基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数 。 对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。,上一页,下一页,返 回,光电比色高温计,1物镜；2平面玻璃；3光阑；4光导棒；5分光镜； 6滤光片；7硅光电池；8滤光片；9硅光电池； 10瞄准反射镜；11圆柱反射镜；12目镜；13多夫棱镜 14、15硅光电池负载电阻；17可逆电机；17电子电位差计,上一页,下一页,返 回,2 脉冲式光电传感器,光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态。 光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。,上一页,下一页,返 回,光电式数字转速表,上一页,返 回,、光源本身是被测物的应用实例,光的照度E的单位是lx（勒克斯），它是常用的光度学单位之一，它表示受照物体被照亮程度的物理量，可以用照度计来测量。,光电池（外加柔光罩）,1.红外线辐射温度计：,红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。,红外线辐射温度计外形,激光仅 用于瞄准,红外线辐射温度计外形,红外线辐射温度计用于食品温度测量,红外线辐射温度计 在非接触体温测量中的应用,耳温仪,红外线辐射温度计用于人体额温测量,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用,集成IC 温度测量,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）,利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）,利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）,温度 采集系统,比色式温度传感器温度非接触测量中的应用,比色式温度传感器采用比色式（双波段）测温原理实现对被测目标的非接触测温，用户不需知道物质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄准 ,测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可准确测量。,比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如 :烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。,2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用,热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。,热释电元件外形,热释电传感器简介,热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。 早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等,热释电传感器的内部电路,两块反向串联的热释电晶片,场效应管,热释电传感器工作原理,热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。,菲涅尔透镜,菲涅尔透镜,热释电晶片,菲涅尔透镜外形,传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，其检测距离可增加3倍以上。,热释电套件,热释电报警器,菲涅尔透镜,设定按钮,高分贝喇叭,热释电报警器（续）,菲涅尔透镜, 5mm接插件,热释电报警器（续）,吸顶式 热释电报警器,热释电传感器应用,热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗,热释电传感器的感应范围,热释电感应灯,热释电传感器,自动感应灯 （参考施特朗公司资料）,热释电传感器在智能空调中的应用,智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。,空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。,二、被测物吸收光通量的应用实例,光电式浊度计和含沙量测量,将装有浊水的试管插入仪器中,光电式浊度计工作原理,1恒流源 2半导体激光器 3半反半透镜 4反射镜 5被测水样 6、9光电池 7、10电流/电压转换器 8标准水样,参比通道,2.烟雾报警器外形 （参考南京千里通公司 无线烟雾报警器资料）,无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。,报警,无线烟雾报警器内部结构,可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器,无线火灾烟雾传感器,无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在警戒状态时，工作电流仅为15微安，报警发射时工作电流为20毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出90分贝的连续报警，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。 无线发射器的报警距离在空旷地可以达到200米，在有阻挡的普通家庭环境中可以达到20米。,三、被测物体反射光通量的应用实例,1.反射式 烟雾报警器,在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。,当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。,2.光电式转速表,光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。,n =60( f /z ),水泵转速测量,光电式转速表外形,3.光电自动门,自动门光电传感器放大图,有效检测区域,四、被测物遮挡光通量的应用实例,1.光电式带材跑偏检测器,光电传感器,带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品。,当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。,光电式带材跑偏检测控制器原理,1 被测带材 2卷取电机 3卷取辊 4液压缸 5活塞 6滑台 7光电检测装置 8光源 9、10透镜 11-光敏电阻R1 12遮光罩,带材纠偏系统,光电开关及光电断续器,从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。,一、光电开关的结构和分类,光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。 遮断型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。,光电开关外形,遮断型光电开关示意图,遮断报警,遮断式光电开关原理,遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。,被检测物体,光发射器,光接收器,光电开关在 流水线上的应用,送料器,落料口,遮断式光电开关（计数）,光幕,两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕，当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。,接收器,光幕应用,当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号，起保护、预警等作用。,光线被遮断（报警）,光幕应用（续）,产品高度测量,光幕应用（续）,光幕应用（续）,木材外形截面积检测,光幕应用（续）,光幕应用（续）,光幕用于 自动收费系统的车辆检测,光幕应用（续）,锻压机床的 安全区域设置 及入侵报警,光幕应用（续）,安全区示警,反射型光电开关,反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）。,反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。,定区域反射式光电开关原理,定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号。,检测距离,检测距离,反射型光电开关及反射镜外形,三角反射镜,集发射、接收器于一身,反射镜反射型光电开关工作原理,反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受