传感器PPT光电式传感器.ppt

传感器原理及应用 2014年5月21日 PrinciplesandApplicationsofTransducer 机械与汽车工程学院主讲 黄海鸿电邮 allenhuanghaihong 地址 机械楼417室 1 编码器在智能汽车上的应用 光电编码器 激光雷达和GPS数据的使用 a 用单传感器数据进行定位 b 多传感器数据融合结果 2 问题 某光栅的栅线密度是100线 mm 要使形成莫尔条纹宽度为10mm 求栅线夹角是多少 3 第七章光电式传感器 应用光电效应原理 将光信号 红外 可见及紫外光辐射 转变成电信号的器件当光束投射到某些物质表面时 光子将穿透其表层 物质中的电子获得能量 或者物质的电阻值变化 或产生电动势 从而实现光电信号转换第一节光电效应和光电元件第二节光电式传感器应用 4 7 1光电效应和光电元件 光电效应光由具有一定能量的光粒子组成 每个光子的能量E正比于光的频率v 即E hv hc 式中 h 普朗克常数 c 光速 光波波长光照射在物体 半导体材料 上 相当于一串具有能量的光粒子轰击该物体 物体吸收光能后转换为该物体中某些电子的能量 从而产生了电效应 外光电效应 内光电效应 5 7 1光电效应和光电元件 外光电效应在光照的作用下 物体中的电子吸收入射光子能量后逸出物体表面 向外发射的现象 向外发射的电子称为光电子 产生条件 入射光子的能量E大于该物体的逸出功A0 多余的能量将转换成电子的动能 根据能量守恒定理 hv mv02 A0式中 h 普朗克常数 v 光的频率 m 电子质量 v0 电子逸出速度 A0 电子逸出面的功物体的光频阈值 即红限频率 决定逸出功A0的大小 电子逸出表面时具有初始动能 则会有光电流产生 入射光的频谱成份不变时 产生的光电效应与发光强度成正比 爱因斯坦光电效应方程 6 7 1光电效应和光电元件 外光电效应根据爱因斯坦假设 一个电子只能接受一个光子的能量 当光线频率低于红限频率时 光子能量不足以使物体内的电子逸出 因而小于红限频率的入射光 光强再大也不会产生光电子发射 反之 若入射光频率高于红限频率 即使光线微弱 也会有光电子射出 光强愈大 入射光子数目越多 逸出的电子数也就越多 外光电效应多发生于金属和金属氧化物 从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10 9s hv mv02 A0 7 7 1光电效应和光电元件 外光电效应实验当紫外线照射锌板时 电子从锌板表面飞出来 使锌板带正电 与其连接的验电器带电 两片金属箔因带同种电荷互斥而张开 在光电器件外加正向电压 检测光电流 受电场力的功影响 正向电压为零时 仍存在光电流 加反向截止电压后 电场力的功与电子初始动能抵消 光电流为零 锌板 验电器 弧光灯 III W U q 8 7 1光电效应和光电元件 外光电效应光电元件 紫外光电管 光电倍增管等当紫外线照射在紫外管阴极板上时 电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面 形成电子发射 紫外管多用于紫外线测量 火焰监测等 紫外线 III 9 7 1光电效应和光电元件 外光电效应器件 光电管由一个阴极和一个阳极构成 并且密封在一只真空玻璃管内 阴极装在玻璃管内壁上 其上涂有光电发射材料 阳极常用金属丝弯曲成矩形或圆形 置于玻璃管的中央 有真空光电管和充气光电管两类 当光照在阴极上时 阳极收集从阴极上逸出的电子 在外电场作用下形成电流 连接电路 光通量 III 10 7 1光电效应和光电元件 外光电效应器件 光电管的主要特性伏安特性在一定的光照射下 对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性 真空光电管的伏安特性曲线 50 20 lm 40 lm 60 lm 80 lm 100 lm 120 lm 100 150 200 0 2 4 6 8 10 12 IA A U V 光通量 光通量 电压 电流 光波长 11 7 1光电效应和光电元件 外光电效应器件 光电管的主要特性光照特性当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时 光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性 光电管的光照特性 25 50 75 100 2 0 0 5 1 5 2 0 1m IA A 1 0 2 5 1 曲线1为氧铯阴极光电管的光照特性 光电流I与光通量成线性关系 曲线2为锑铯阴极光电管光照特性曲线 成非线性关系 光照特性曲线的斜率 光电流与入射光光通量之间比 称为光电管的灵敏度 12 7 1光电效应和光电元件 外光电效应器件 光电管的主要特性光谱特性当入射光的频率高于物体的红限频率后 如果光强相同 随着入射光频率不同 阴极发射的光电子的数量也会不同 即同一光电管对不同频率的光的灵敏度不同 光电流与入射光的波长 或频率 之间的关系 称为光谱特性 或频谱特性 对各种不同波长区域的光 应选用不同材料的光电阴极 其他特性暗电流频率特性 13 7 1光电效应和光电元件 外光电效应器件 光电倍增管当入射光很微弱时 普通光电管产生的光电流很小 只有零点几 A 不容易探测 需要用光电倍增管放大电流 由光阴极 次阴极 倍增电极 和阳极三部分组成 光阴极由半导体光电材料锑铯做成 次阴极是在镍或铜 铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的 次阴极多的可达30级 阳极收集到的电子数是阴极发射电子数的105 106倍 入射光 光电阴极 第一倍增极 阳极 第三倍增极 14 7 1光电效应和光电元件 外光电效应器件 光电倍增管主要参数倍增系数M倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数 的乘积 如果n个倍增电极的 都相同 则M n阳极电流I与光电阴极的光电流i之间的关系为 I i n光电倍增管的电流放大倍数 为 I i nM与所加电压有关 电压稳定性要在0 1 以内 如果有波动 倍增系数也要波动 因此M具有一定的统计涨落 稳定性为1 左右 一般阳极和阴极之间的电压为1000 2500V 两个相邻的倍增电极的电位差为50 100V 所加电压越稳越好 这样可以减小统计涨落 从而减小测量误差 15 7 1光电效应和光电元件 外光电效应器件 光电倍增管主要参数光电阴极灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数光电倍增管总灵敏度一个光子在阳极上产生的平均电子数光电倍增管的最大灵敏度可达10A lm 极间电压越高 灵敏度越高 但极间电压也不能太高 太高反而会使阳极电流不稳由于光电倍增管的灵敏度很高 所以不能受强光照射 否则将会损坏 16 7 1光电效应和光电元件 外光电效应器件 光电倍增管光照特性反应阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系 对于较好的管子 在很宽的范围之内 当入射光通量小于10 4lm时 有较好的线性关系 光通量大 开始出现非线性 与直线最大偏离是3 10 13 10 10 10 9 10 7 10 5 10 3 10 1 在45mA处饱和 10 14 10 10 10 6 10 2 光通量 1m 阳极电流 A 17 7 1光电效应和光电元件 内光电效应在光的照射下 半导体材料的电阻率发生变化 或产生光生电动势的现象光电导效应 如 光敏电阻 在光照下 半导体材料中的电子吸收了光子能量 跃迁到自由状态 激发出电子 空穴对 使载流子浓度增加 加大了材料的电导率 即电阻率的倒数 光生伏特效应 如 光电池 光敏晶体管 在光照下 物体内部产生一定方向的电动势 18 7 1光电效应和光电元件 内光电效应 光电导效应当光照射到光电导体上时 若光电导体为本征半导体材料 而且光辐射能量又足够强 光导材料价带上的电子将激发到导带上去 从而使导带的电子和价带的空穴增加 致使光导体的电导率变大 为实现能级的跃迁 入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg 即hv hc 1 24 Eg式中 v 入射光的频率和波长一种光电导体 存在一个照射光的波长限 C 只有波长小于 C的光照射在光电导体上 才能产生电子在能级间的跃迁 从而使光电导体电导率增加 19 7 1光电效应和光电元件 内光电效应 光电导效应光敏电阻又称光导管 为纯电阻元件 其阻值随光照增强而减小 光导体吸收光子而产生的光电效应 只限于光照的表面薄层 虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去 但扩散深度有限 因此光电导体一般都做成薄层 20 7 1光电效应和光电元件 内光电效应 光电导效应光敏电阻 21 Cds光敏电阻的结构和符号 a 结构 b 电极 c 符号1 光导层2 玻璃窗口3 金属外壳4 电极5 陶瓷基座6 黑色绝缘玻璃7 电极引线 内光电效应 光电导效应光敏电阻 7 1光电效应和光电元件 22 7 1光电效应和光电元件 内光电效应 光电导效应光敏电阻材料除硅 锗以外 还有硫化物 硒化物 碲化物等半导体材料光敏电阻的特点灵敏度高 光谱响应范围宽 体积小 重量轻 机械强度高 耐冲击 耐振动 抗过载能力强和寿命长等 许多光敏电阻对红外线敏感 适宜于红外线光谱区工作 由于光照特性的非线性 不适宜于测量要求线性的场合 常用作开关式光电信号的传感元件 灵敏度易受湿度的影响 因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中 需要外部电源 有电流时会发热 一般光敏电阻使用时 应采取降温措施 23 7 1光电效应和光电元件 内光电效应 光生伏特效应利用PN结的单向导电性 在光照下 PN结附近吸收光子能量 产生的自由电子浓度增加 电子 空穴对浓度增加 在外加电场和内电场的作用下 P区电子进入N区 N区空穴进入P区 最后通过PN结的反向电流加大 形成了光电流 光电池把太阳能转变成电能 又称太阳电池 目前 应用最广 最有发展前途的是硅光电池 硅光电池价格便宜 转换效率高 寿命长 适于接受红外光 硒光电池光电转换效率低 0 02 寿命短 适于接收可见光 响应峰值波长0 56 m 最适宜制造照度计 砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高 光谱响应特性则与太阳光谱最吻合 且工作温度最高 更耐受宇宙射线的辐射 因此 它主要用于宇宙飞船 卫星 太空探测器等的电源 24 7 1光电效应和光电元件 内光电效应 光生伏特效应光电池的结构和工作原理硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质 如硼 形成PN结 当光照到PN结区时 如果光子能量足够大 将在结区附近激发出电子 空穴对 在N区聚积负电荷 P区聚积正电荷 这样N区和P区之间出现电位差 若将PN结两端用导线连起来 电路中有电流流过 电流的方向由P区流经外电路至N区 若将外电路断开 就可测出光生电动势 a 光电池的结构 b 光电池的工作原理 25 7 1光电效应和光电元件 内光电效应 光生伏特效应光敏二极管光敏二极管和光电池一样 其基本结构也是一个PN结 它和光电池相比 重要的不同点是结面积小 因此它的频率特性特别好 光生电势与光电池相同 但输出电流普遍比光电池小 一般为几 A到几十 A 结构与一般二极管相似 它装在透明玻璃外壳中 其PN结装在管顶 可直接受到光照射 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态 按材料分 光电二极管有硅 砷化镓 锑化铟光电二极管等许多种 按结构分 有同质结与异质结之分 其中最典型的是同质结硅光电二极管 连接电路 P N 光 26 7 1光电效应和光电元件 内光电效应 光生伏特效应光敏二极管在没有光照射时 反向电阻很大 反向电流很小 光敏二极管处于截止状态 这时只有少数载流子在反向偏压的作用下 渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流 受光照射时 PN结附近受光子轰击 吸收其能量而产生电子 空穴对 从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加 因此在外加反向偏压和内电场的作用下 P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区 N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区 从而使通过PN结的反向电流大为增加 这就形成了光电流 光敏二极管的光照特性是线性的 所以适合检测等方面的应用 27 7 1光电效应和光电元件 内光电效应 光生伏特效应光敏三极管有PNP型和NPN型两种 结构与一般三极管很相似 它的基极一边做的很大 以扩大光的照射面积 且基极不接引线 当集电极加上正电压 基极开路时 集电极处于反向偏置状态 当光线照射在集电结的基区时 会产生电子 空穴对 在内电场的作用下 光生电子被拉到集电极 基区留下空穴 使基极与发射极间的电压升高 这样便有大量的电子流向集电极 形成输出电流 且集电极电流为光电流的 倍 因此具有电流增益 连接电路 28 7 1光电效应和光电元件 光谱光波 波长为10 106nm的电磁波可见光 波长380 780nm紫外线 波长10 380nm波长300 380nm称为近紫外线波长200 300nm称为远紫外线波长10 200nm称为极远紫外线红外线 波长780 106nm波长3 m 即3000nm 以下的称近红外线波长超过3 m的红外线称为远红外线 远紫外 近紫外 可见光 近红外 远红外 极远紫外 0 01 10 5 波长 m 1 29 7 1光电效应和光电元件 光源钨丝白炽灯用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通 一般白炽灯的辐射光谱是连续的发光范围 可见光外 大量红外线和紫外线 所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号 寿命短而且发热大 效率低 动态特性差 发光二极管 LED 由半导体PN结构成 发射单色光光波 红外光 其工作电压低 响应速度快 寿命长 体积小 重量轻 因此获得了广泛的应用 激光器理想光源 方向性好 频率单纯 气体放电灯 30 7 1光电效应和光电元件 光电式传感器的类型模拟式光电传感器 将被测量转换成连续变化的光电流输出 且与被测量之间是单值关系光源本身是被测物发出的 光通量射向光电元件 如 照度计 光电比色高温计 恒定光源发射 其光通量穿过被测物且被部分吸收 如 透明度 混浊度的测试 恒定光源发射 被测物进行反射改变光通量 如粗糙度 纸张的白洁度测试 恒定光源发射 被被测物遮挡部分 减弱光通量 如 被测物的位置 尺寸大小 振荡状态等测量 脉冲式光电传感器 将被测量转换成断续变化的光电流输出 一般可用作开关器件 用于光继电器式检测装置中 或多类计数器 转速表中 31 7 2光电式传感器应用 光电转速传感器I在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘 在调置盘一边由白炽灯产生恒定光 透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上 转换成相应的电脉冲信号 经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号 转速由该脉冲频率决定 II在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘 它们具有不同的反射率 当转轴转动时 反光与不反光交替出现 光电敏感器件间断地接收光的反射信号 转换为电脉冲信号 III 32 7 2光电式传感器应用 光电转速传感器由开孔圆盘 光源 光敏元件及缝隙板等组成 开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接 光源发出的光通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上 光敏元件将其转为电信号输出 通过测量光敏元件输出的脉冲频率 得到被测转速 开孔圆盘 33 7 2光电式传感器应用 用于生产流水线的检测检测生产流水线上瓶盖及商标的实例 除记数外 还可进行位置检测 如装配体有没有到位 质量检查 如瓶盖是否压上 标签是否漏贴等 34 7 2光电式传感器应用 条形码扫描条形码由黑白相间 粗细不同的线条组成 扫描装置的末端为光电读入头 由一个发光二极管和一个光敏三极管组成 当末端在条形码上移