《课光电传感器》PPT课件.ppt

第10课 11课光电式检测技术 教材 P135RamonPallas Areny 306 光电管 光电倍增 每个光子所具有的能量E为 E h 式中h 普朗克常数 6 626 10 34 J S 光的频率 Hz Anode 阳极 Cathode 阴极K 光电管结构示意图和连接电路 AK AK AK I RL E 入射光 入射光 光电管的特性1光电特性 光电特性表示当阳极电压一定时 阳极电流I与入射在光电阴极上光通量之间的关系 在很大区间上具有线性关系 但随着光强的增大 非线性加重 1 00 10 20 30 4 80604020 I mA F lm 2 光电管的特性光谱特性 由于光电阴极对光谱有选择性 因此光电管对光谱也有选择性 保持光通量和阳极电压不变 阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性 曲线1为铯氧银阴极管的特性曲线2为锑化铯阴极管的特性曲线3为人眼视觉特性 109876543210 相对灵敏度 紫外 蓝 绿 橙 红外线 1 3 2 0 20 40 60 81 00 光电管的特性光谱特性 光电管的特性伏安特性 当入射光的的频谱及光通量一定时 阳极电流与阳极电压之间的关系叫伏安特性 当阳极电压比较低的时候 阴极所发射的电子只有一部分到达阳极 其余部分受光电子在真空中运动时所形成的负电场作用 回到源点阴极 随着阳极电压的增高 光电流随之增大 当阴极发射的电子全部到达阳极时 阳极电流便很稳定 称为饱和状态 100200 20151050 I mA U V 0 15lm0 10 05 光电倍增管 一般阳极和阴极之间电压是1000V 2500V 两个相邻倍增极之间的电位差为50V 100V 如果设每个电子落到任一倍增极上都打出d个电子 则阳极电流为I i0dn式中 i0 光电阴极发出的光电流 n 光电倍增极数 一般9 11个 光电倍增管的灵敏度高 频率特性好 频率可达108Hz或更高 但它需要高压直流电源 价贵 体积大 经不起机械冲击 此外 由于其灵敏度很高 所以不能承受强光照射 否则将会导致光电倍增管损坏 A K D1 D3 D2 D4 夜视镜 光敏电阻LDR LightDependentResistor一般是半导体器件 其电阻的大小与光强成反比 非线性较强 光敏电阻的阻值随光照度的增加而减小 当光照停止 其阻值又恢复原值 光敏电阻的种类很多 最常见的是硫化鎘和硒化鎘制成的器件 光敏电阻的暗电流是指电压一定 无光照的情况下通过电阻的电流 光敏电阻的暗电流一般也是随温度的升高而增大 内光电效应及相应的器件 光敏电阻的主要特性 光照特性 电路 伏安特性和频率特性 10080604020 频率特性1硫化鎘2硫化铅 12 I f Hz 010101010 2 3 4 光谱特性l硫化鎘2硒化鎘 I l nm 12 481216 100806040200 光谱特性 对不同波长的光 蓝光 红光 紫光 的敏感能力 频率特性 亮度作周期变换时 光敏电阻的跟随能力 与其它光电器件比较而言 一般光敏电阻的频响不是很好 因此只能用在低速 无特别精度要求的场合 底端傻瓜照相机路灯照明控制 光敏二极管 光谱特性 入射光的波长缩小时 相对灵敏度也下降 这是由于光子在半导体表面附近就被吸收 透入深度小 在表面激发的电子空穴对不能达到PN结 因而灵敏度下降 硅和锗光敏二极管 晶体 管的光谱特性曲线 相对灵敏度 4810121416182022 20406080100 硅 锗 波长 X100nm 频率特性 光敏管的频率响应是指用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 光敏管的频率响应与本身的物理结构 工作状态 负载以及入射光波长等因素有关 对于锗管 入射光的调制频率要求在5kHz以下 硅管的频率响应要比锗管好 01005001000500010000 10080604020 H 硅光敏晶体管频率响应曲线 相对灵敏度 暗电流的温度特性 Exponentialincreasesinthethermallyexcitedelectron holepairsresultinginincreasingdarkcurrent Thisleakagedoublesforeach8to10degCtemperatureincrease 1000100101 Temperature DegC DarkCurrentvsTemperature RelativeDarkCurrent 0102030405060708090100 光照特性光伏应用 光照特性中 开路电压与照度的关系呈现严重的非线性 因此不能用来测量光强等线性应用的场合 而短路电流却有非常好的线性 因此常被采用 0 30 20 10 200400 0 60 40 20 光生电流 mA 照度 lx 光生电压 V 开路电压 短路电流 应用电路1光电应用 电压输出速度较慢非线性大 eo RL Pl BasicPhotovoltaicCircuit 零偏应用 电流输出速度慢线性很好 ZeroBiasOperation Pl Rf Vout A RecommendedZeroBiasCircuit LightPulse Vout 00 反向偏置提高速度 减小结电容 biasvoltage偏置电压 1000100101 036912151821242730 pF 50sqmm10sqmm5sqmm1sqmm BiasVoltage sqmm 平方毫米 反偏时的光照特性 U 伏特 50403020100 20406080100120 I uA 20040060080010001200lx 光照特性 Theoutputofphotodiodewhenreverse biasedisextremelylinearwithrespecttotheilluminanceappliedtothephotodiodejunction asshowninthegraph 10 510 410 310 210 1Illuminance W cm2 10 310 410 510 610 7 OutputCurrentA OSD5 0R1 100kW W Vr 20V 5V 1V 0V 光导应用PhotoconductiveOperation 反向偏置速度较快 Optional可选的 E PN RL Pl 00 Rf Vout Inverted LightPulse Vout A Optional V Bias PositiveBiasCircuit 光敏二极管的等效电路 IsIlInCd Rs Rd Rl eo Is signalcurrentRd diodeparallelshuntresistanceIl leakagecurrentRs diodeseriesresistanceIn noisecurrentRl loadresistanceCd diodejunctioncapacityeo Is Il In Rl Rd Rl Rd Rs 光敏三极管 N P N 结构简化模型 基本电路 光 npn型光敏晶体管简化模型和基本电路 b c e c c 光电池 光电池的符号和连接电路 B RL I U 光电池 硅光电池的光谱特性 硅光电池的光谱响应峰值在800nm附近 光谱响应波长范围从400一1200nm硒光电池的光谱响应峰值在500nm附近 范围在380一750nm范围 040060080010001200 10080604020 硒硅 相对灵敏度 入射光线波长nm 硅光电池的光照特性 开路电压很严重的非线性短路电流很好的线性 0 30 20 10 200400 0 60 40 20 光生电流 mA 照度 lx 光生电压 V 开路电压 短路电流 实际上开路电路与照度有很好的指数关系 光电池的频率特性 12345 f kHz 100806040200 I 1 硒光电池 2 硅光电池 光电池作为测量 计算 接收器件时 常用调制光作为输入 光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系 由图可知 硅光电池具有较高的频率响应 而硒光电池则较差 因此 在高速计数的光电转换中一般采用硅光电池 光电池受温度的影响 光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系 由于温度对光电池的工作有很大影响 因此当它作为测量器件应用时 最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施 开路电压随温度上升而下降很快短路电流随温度的变化要缓慢些 605040302010 600500400300200100 0306090 T Uoc mV Isc mA 光电池的稳定性 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 使用寿命很长 硅光电池的性能比硒光电池更稳定 光电池的性能和寿命除了与光电池的材料及制造工艺有关外 在很大程度上还与使用环境条件有密切的关系 如在高温和强光照射下 会使光电池的性能变坏 而且降低使用寿命 这在使用中要特别注意 在电路中的使用 BasicPhotovoltaicCircuit B RL I U 光电池 在电路中的使用 Rf Vout A RecommendedZeroBiasCircuit LightPulse Vout 00 输出电压计算式 I为电池产生的短路电流 Rf为反馈电阻阻值 光电探测器件 外光电探测器件 光电管内光电器件 光电池光敏二极管光敏三极管光敏电阻 光释电器件 PSD PositionSensitiveDetector orPhotoSensingDevice 第一种PSD4象限检测元件 4QuadrantDiode ABCD quadrantdetector incidentbeamspot x y Incidentlight 入射光 Quadrant 四象限 光驱里也使用了类似的元件 QuadrantDiode位置检测计算公式 a b c d为个区块的电流值 a b c d ABCD quadrantdetector x y QuadrantDiode在准直中的应用 CD DVD读取时的准直 激光准直太阳自动追踪 INCIDIENTLIGHT 第2种PSD位置传感器 LateralEffect 横向效应 Incidentlight 入射光 XB XA OUTPUTIX1 ELECTRODEX1 ELECTRODEX2 OUTPUTIX2 PHOTOCURRENT COMMONELECTRODE RESISTANCELENGTHLX PLAYER ILATER NLAYER 原理 续 Io 光点产生电流 电阻与路线长度成正比 PIN k2 I2 01 P P1 I1 k1 k0 Iges Iges k2 I2 I1 k1 Rq2 Rq1 Fe 原理 续 Io I1 I2 x L 线性PSD的光点位置求解 X1 X2 Lx x ACTIVEAREA 面形PSD的光点位置求解 y x Lx Y2 Y1 X1 X2 LY ACTIVEAREA CCDChargeCoupledDevice电荷耦合器件 CCD图像传感器优良的性能 体积小 结构紧凑分辨率高 Ford公司近期研制出4096 4096CCD 像元尺寸7 5 m 由于微细加工技术和工艺的进展 目前CCD像元中心距已做到 7 8 m 做到4 m也是完全可能的 高灵敏度 低噪音 其量子效率达90 以上 电子转移效率几乎达100 低温下工作几乎无暗电流 带图像增强器的CCD ICCD 可在10 6lx下工作 光动态范围可达10个数量级 光谱范围宽 功耗小 仅几十毫瓦 几何尺寸稳定 耐过度曝光 光电耦合器的应用 使用低压脉冲信号控制电机 步进电机 电磁铁 电磁阀等 光电耦合器既可传输信号 又能实现电路的隔离 其输入电路和输出电路在电气上完全没有关联 仅仅通过光的耦合才把彼此联系在一起 热轧板宽自动测量原理 a 基本构成 三角法测量的原理 SMR测量范围起始点 MMR测量范围中间点 EMR测量范围终止点 FSO全量程输出 参考距离 测量范围 Laser diode CCD from TheMagicofFilmSound inAudio1999 05 光电池在胶片电影中的应用 转速测量 测速 在通讯中的应用 由于光器件具有优良的高频特性 可以传输很高频率的信号 因此在光通讯中占据很重要的位置 家用红外遥控器利用了红外光通讯 烟雾检测 反射式烟雾报警器在没有烟雾时 由于红外对管相互垂直 烟雾室内有涂有黑色吸光材料 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 图中只画出几个例子的反射示意图 使部分红外光到达光敏三极管 有光电流输出 自动水龙头 光幕 木材外形截面积检测 光电式码盘 1光源2透镜3码盘4狭缝5光电元件 角编码器也称为码盘 是一种把转角转换为电信号的传感器 按其转换方式可分为接触式编码器 光电式编码器和磁电式编码器 读取光电码盘信号的方式 绝对编码码盘增量式编码码盘 光电码盘的基本类别 绝对编码码盘 绝对式码盘具有固定的零点 输出的代码是转角的单值函数 可靠性高 抗干扰性强 掉电后再启动无须重新标定 并且能显示转角的绝对位置及没有累积误差 所以被广泛使用 这种码盘的角度分辨率决定于码道数N N越大 所分的扇区数2N就越多 分辨率也就越高 二进制编码方式 4位实例 A 1001B 0101 大错误 中间留空白 A道 B道 C道 D道 格雷码 每次只允许一个位置跳变 格雷码 由于编码连续 因此改进了性能 不再会出现编码隔级跳动的问题 A 00B 10 只有两种状态 中间留空白 增量式码盘 码盘的辨向 整圈标示 绝对式与增量式的对比 绝对式不怕掉电 在任何时候都能恢复增量式怕掉电 一旦掉电会产生很大错误绝对式需要较多的连线增量式连线很少 带码盘的直流电机 码盘部分 电机部分 码盘实物 透明码盘 码盘实物 鼠标里的光电传感器 光电接收管 2单元合成 光电发射管 码盘 两单元是区分正反向必须的 这种鼠标已成历史 光纤的结构和传光原理 光纤的结构 光在光纤的传播 纤芯n1 包层n2 保护层 包层n2 纤芯n1 光纤传感器 光纤传感器是70年代发展起来的新型传感器 和前面所介绍的传统传感器相比 有着重大的差别 光纤本来用于传输光信号 在传输光信号的过程中 由于光纤物理性质或位置的改变 会引起输出端光信号的性质的改变 从而给我们提供了一种通过输出端光信号来判断某些引起这些变化的物理量 光纤不是一种直接的电量变换元件 只是一种中间变换元件 与用于压力测量中的膜片的功能类似 光纤的性能 1 数值孔径 NA 2 光纤模式 单模光纤 多模光纤3 色散4 传输损耗衰减率 遮光式光强调制方式 动光纤式 动光闸式 光波强度调制型光纤传感器 微弯传感器示意图 光纤 F 微弯板 F 相位调制型光纤传感器 光纤 PZT圆环 偏振型光纤应变传感器原理图 激光二极管 1 4波片 光纤 透镜 光学准直器 带有光纤的复合材料梁 检偏镜 光敏管 透镜 光纤传感器的基本形式 1 功能型光纤传感器的光纤不仅起着传输光波的作用 还起着敏感元件的作用 由它对光波实行调制 它既传光又传感 2 传光型光纤传感器的光纤仅仅起着传输光波的作用 对光波的调制则需要依靠其它元件来实现 a 功能型 b 传光型 被测对象 敏感光纤 光纤 光电元件 光源 被测对象 光转换敏感光纤 光纤 光电元件 光源 光纤传感器的应用 可以使用光纤测量的量有温度压力电场磁场振动等它们对光纤的作用 会引起光波特征参量 如振幅 相位 偏振态等 发生变化 1 试述光电二极管三种典型信号接法的主要特点 2 总结光纤在测量方面的主要用法 3 码盘和电位器都可测量位移 它们在使用上有什么区别 4 太阳能电池的光接收面正对着太阳具有最大的效率 设计一个使用四象限PSD进行太阳位置追踪的系统 使得太阳能电池板始终正对太阳 6 试述PSD的工作原理 7 分析三角法测量距离的原理 给出计算关系式 作业 后面为备用资料 电磁波频谱 nm 单光子计数 光子计数法对于使用光电倍增管探测极微弱光是个有效的方法 并在天文光度测量 化学发光和生物发光等领域有较多应用 人眼的敏感度大约为 几十个光子 秒 每个感光点 时间 离散的输出脉冲 单光子事件 车站 曹磊 位置对中光电式边缘位置传感器原理 1 白织灯2 7 双凸透镜3 半透反射镜4 平凸透镜5 带材6 角矩阵反射镜8 光敏晶体管 CCD应用尺寸测量 f 所用透镜焦距 a 物距 b 像距 M 倍率 n 线阵传感器的像素数 p 像素间距 光栅 透射式计量光栅的结构原理 光栅莫尔条纹的形成 光源 透镜 标尺光栅 指示光栅 光电元件 摩尔条纹 光栅的应用 容栅的使用 容栅 磁栅 如何使用光纤 Mach Sender光纤干涉仪悬臂梁测试装置 光纤 光纤 分光镜 激光器 干涉条纹 外力 梁 偏振调制型光纤传感器 利用光弹性效应进行偏振调制的实验装置 光源 起偏器 应力材料 补偿器 检偏器 M F F 光纤电磁场传感器 测得P值后 则可以求出偏振角 偏振角 和磁感应强度B成比例关系 对系统进行标定后即可得出偏振角 和磁感应强度B的确定的对应关系值 鼠标里的码盘 鼠标 读取光电码盘信号的方式 样图 光隔离器的用途 光电耦合器既可传输信号 又能实现电路的隔离 其输入电路和输出电路在电气上完全没有关联 仅仅通过光的耦合才把彼此联系在一起 输入 输出 输入 输出 模拟光电隔离器 通过反馈改善线性 遮断器 由一个光发射器 一个光接收器等组成 当中间有障碍物的时候 光被折断 当障碍物拿掉的时候 光导通 因此它可用来检测物体的有无 也可用来对移动物体进行限位 打印机 扫描仪 复印机等中常用的一种器件 发射 接收 复合光电传感器光电组件 遮断器光隔离器PSDCCD 光电耦合器OpticalCoupler 1 发光管芯2 光敏管