传感器与检测技术的理论基础PPT电子课件教案-第8章 光电式传感器.ppt

8.1光电效应*8.2光电器件*8.3光纤传感器,主要内容,概述,光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号的一种传感器，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器件种类很多，如：光电管、光敏二极管、光电倍增管、光敏三极管、光敏电阻、光电池、光电耦合器等等。光电器件响应快、结构简单、而且有较高的可靠性,因此在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。,光电鼠标,料位自动控制,电梯自动启停,概述,概述,概述,光电效应可分为：外光电效应内光电效应,8.1光电效应,光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每一个粒子具有的能量E与其频率大小成正比，光照射就可看成是一连串具有能量E的粒子轰击在物体上，物体吸收了这些能量为E的粒子后产生的效应为光电效应。,8.1光电效应8.1.1工作原理(外光电效应)1.外光电效应,在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光子具有的能量是：,普朗克常数()光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大,能否产生外光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。,8.1光电效应8.1.1工作原理1.外光电效应,如果光子的能量E大于电子的逸出功A，这时逸出物体表面的电子就具有动能，产生光电子发射。,由能量守恒定律有：,常见的器件有光电管、光电倍增管等,光电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg。基于光电导效应的光电器件常见的有光敏电阻。,8.1光电效应8.1.1工作原理2.内光电效应,在光线的作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电势的效应称为内光电效应。,光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？有下面两种情况：不加偏压的PN结处于反偏的PN结,8.1光电效应8.1.1工作原理2.内光电效应,不加偏压的PN结当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0Eg）,可激发出电子空穴对，在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动势.基于这种效应的器件有光电池,8.1光电效应8.1.1工作原理2.内光电效应,处于反偏的PN结：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能量足够大产生光生电子空穴对，在PN结电场作用下，形成光电流，光照越大光电流越大。具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管.,8.1光电效应8.1.1工作原理2.内光电效应,光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件,它是构成光电式传感器最主要的部件。,8.2光电器件,光电器件工作的物理基础是光电效应：,光电管、光电倍增管光敏二极管、光敏三极管光敏电阻光电池光电耦合器、电荷耦合器,8.2光电器件1.光电管,当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（EA），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻R上产生正比于电流大小的压降。因此,8.2光电器件1.光电管,8.2光电器件2.光电倍增管,光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。,8.2光电器件3.光敏电阻,光敏电阻光照特性无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；有光照时，电阻值随光强增加而降低；光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光敏电阻主要参数暗电阻无光照时的电阻；暗电流无光照时的电流；亮电阻、亮电流受光照时的阻值、电流；光电流亮电流与暗电流之差称光电流。,8.2光电器件3.光敏电阻,光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小的特点，因此应用广泛。,伏安特性给定偏压光照越大光电流越大；给定光照度电压越大光电流越大；光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、无饱和，但受最大功耗限制。,8.2光电器件3.光敏电阻基本特性,光敏电阻伏安特性,光谱特性光敏电阻灵敏度与入射波长有关;光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，例图：硫化镉（CdS）0.30.8(m)硫化铅（PbS）1.03.5(m)锑化铟（InSb）1.07.3(m),8.2光电器件3.光敏电阻基本特性,频率特性,8.2光电器件3.光敏电阻基本特性,温度特性光敏电阻的灵敏度、暗电流与温度的关系。,8.2光电器件3.光敏电阻基本特性,光敏电阻开关电路,8.2光电器件3.光敏电阻应用(测试电路),8.2光电器件4.光敏二极管和光敏三极管,光敏晶体管工作原理主要基于内光电效应。特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高;广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。,8.2光电器件4.光敏二极管和光敏三极管光敏二极管,光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个PN结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大。,工作原理：光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，PN结处产生光生电子空穴对；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；光电流方向与反向电流一致。,8.2光电器件4.光敏二极管和光敏三极管光敏二极管,光敏二极管基本电路,基本特性：（自学）P133光照特性，光谱特性伏安特性频率特性温度特性,8.2光电器件4.光敏二极管和光敏三极管光敏二极管,伏安特性,当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。,光敏二极管的伏安特性,8.2光电器件4.光敏二极管和光敏三极管光敏二极管,与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极集电极结作为光敏二极管，集电结做受光结。大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。,8.2光电器件4.光敏二极管和光敏三极管光敏三极管,光敏晶极管结构,硅（Si）光敏晶体极管一般都是NPN结构，光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。在负载电阻RL上的输出电压为：,晶体管电流放大系数,8.2光电器件4.光敏二极管和光敏三极管光敏三极管,光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线如图所示,8.2光电器件4.光敏二极管和光敏三极管光敏三极管,补应用,8.2光电器件4.光敏二极管和光敏三极管,光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。光电池种类很多，有硒光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。,8.2光电器件5.光电池（有源器件）,光电池符号,8.2光电器件5.光电池（有源器件）结构,光照特性开路电压短路电流光谱特性频率特性温度特性,8.2光电器件5.光电池（有源器件）特性,电路连接光电池作为控制元件时通常接非线性负载，控制晶体管工作。光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接。需要高电压时应将光电池串联使用；需要大电流时应将光电池并联使用。,8.2光电器件5.光电池（有源器件）,硅管的发射结导通电压为0.6V0.7V，光电池的0.5V电压起不到控制作用，可将两个光电池串联后接入基极，或用偏压电阻产生附加电压。有光照度变化时，引起基极电流Ib变化，集电极电流发生倍的变化。电流Ic与光照近似线性关系。,8.2光电器件6.光电耦合器件,光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用,以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管,光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。,又称光电隔离器“光耦”器件由发光元件和接收光敏元件（光敏电阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小。通过电光、光电，两次转换进行输入输出耦合。,8.2光电器件6.光电耦合器件(光电耦合器),8.2光电器件6.光电耦合器件(光电耦合器),“光耦”集成器件的特点：输入输出完全隔离，有独立的输入输出，器件有很强的抗干扰能力和隔离性能可避免振动、噪声干扰。特别适宜做数字电路开关信号传输、逻辑电路隔离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。,8.2光电器件6.光电耦合器件(光电耦合器),光电耦合器用于天然气点火器电路,8.2光电器件6.光电耦合器件(光电耦合器),透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受器产生相应的电信号。反射式，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面上，以某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经过待测点时，接受元件接收到物体表面反射的光线。,8.2光电器件6.光电耦合器件(光电开关),光电开关结构与外形,6.应用(鼠标),电路板上的光电收发器（感应垂直轨迹转轴和水平轨迹转轴上的圆盘光栅的移动，光敏三极管在接收发光二极管发出的光时被圆盘光栅间断地阻挡，产生与二维空间位移相关的脉冲信号。,当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片（DSP，即数字微处理器）对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离。,6.应用(鼠标),8.2光电器件6.应用,8.2光电器件6.应用,C=A+B,C=AB,8.2光电器件6.应用,电荷耦合器件，又称CCD图象传感器，是一种大规模集成电路光电器件,它以电荷为信号，具有具有光电信号转换，存储、转移并读出信号电荷的功能。特点：集成度高、尺寸小、电压低（DC712V）、功耗小。该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个领域。,8.2光电器件7.电荷耦合器件（CCD）ChargeCoupledDevices,8.2光电器件7.电荷耦合器件,基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机,8.2光电器件7.电荷耦合器件（CCD）CCD基本结构和工作原理,在这种P型硅衬底中，在电极施加栅极电压VG之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压VG时，在电极下的空穴被排斥，产生耗尽层，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸。当光信号照射到CCD硅片表面时,在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对,其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底,而少数载流子（电子）则被收集在势阱中,形成信号电荷,并存储起来。存储电荷的多少正比于照射的光强。,如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图像。,8.2光电器件7.电荷耦合器件（CCD）电荷的转移,要求CCD是由一系列彼此非常靠近的MOS电容器组成，用同一半导体做衬底，其上有许多相互绝缘的金属电极。,读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、半导体三部分组成,8.2光电器件7.电荷耦合器件（CCD）读出,CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，面阵CCD又可分为线转移型、帧转移型、行间转移型。线型CCD图像传感器主要用在测试、传真和光学文字识别技术等方面，面型CCD图像传感器主要用于摄像机及测试技术。,电荷耦合器用于固态图像传感器，作为摄像或像敏的器件。CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。,8.2光电器件7.电荷耦合器件（CCD）CCD器件,CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCD被广泛用于再线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。,8.2光电器件7.电荷耦合器件（CCD）CCD传感器的应用,8.2光电器件7.电荷耦合器件（CCD）CCD传感器的应用,光导纤维简称光纤光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。,8.3光纤传感器,8.3光纤传感器1.光纤的结构和传输原理光纤结构：,基本采用石英玻璃，有不同掺杂，主要由三部分组成中心纤芯；外层包层；护套尼龙料。光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1N2）。,8.3光纤传感器1.光纤的结构和传输原理光纤的传光原理：,为保证全反射，必须满足全反射条件（即c）实现全反射的临界入射角为：,空气中,可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。,8.3光纤传感器2.光纤的性能（几个重要参数）数值孔径（NA）,临界入射角c的正弦函数定义为光纤的数值孔径.,空气中：,NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2c张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。一般NA越大集光能力越强，但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA，石英光纤的数值孔径一般为0.2-0.4。,NA意义讨论：,光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同，光波之间的干涉产生的强度分布也不同。可分为单模和多模。,8.3光纤传感器2.光纤的性能（几个重要参数）光纤模式,模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。模式值V小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。除单模光纤外，还有多模光纤，单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。,光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲处的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗。损耗主要来源于材料吸收损耗、散射损耗、和光波弯曲损耗。,在一根率减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输1Km后，光强下降到入射时的1/10。,8.3光纤传感器2.光纤的性能（几个重要参数）传播损耗（A）,这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。,8.3光纤传感器3.光纤传感器工作原理及组成功能型传感型能型,FF（FunctionFibreOptilSensor）又称传感型,NFF（Non-FunctionFibreOptilSensor）称传光型传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的。,8.3光纤传感器3.光纤传感器非功能型,敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信号。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透过薄片的光强受温度的调制温度T升高，材料吸收光波长向长波移动，半导体薄片透过的光强度变化。,8.3光纤传感器3.光纤传感器光纤温度传感器,8.3光纤传感器3.光纤传感器光纤加速度传感器,本章要点：,光电效应；光电器件与应用方法；电荷耦合器件（CCD）工作原理,典型器件应用；光纤传感器传光与传感原理；,补充霍尔传感器的使用,根据霍尔电势的公式：UH=KHIB，可知霍尔传感器即可以测量磁场的变化，又可以测量电信号的变化。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好。可以进行无损探伤、位移、速度、压力、加速度、振动、电流、电压、功率等。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。,霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，B再增加，仍保持导通态。若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。