光电传感器河南理工大学.ppt

1,第十章光电传感器,主要内容：10.1光电效应10.2光电器件,2,1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。,概述,光电传感器是一种以光电效应为原理的传感器。,3,一、光的分类（根据波长分类）,可见光,红外光,近红外中红外远红外,红620nm-760nm橙592nm-620nm黄578nm-592nm绿500nm-578nm青464nm-500nm蓝446nm-464nm紫400nm-446nm,4,光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。,1.光的性质,光衍射：光在传播路径中，遇到障碍物（不透明或透明），绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。,光干涉：两列或几列光波在空间相遇时相互迭加，在某些区域加强，在另一些区域则削弱，形成稳定的强弱分布的现象。,条件：频率相同、振动方向相同以及有恒定的相位差,5,光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为h-普朗克常数，6.62610-34Js；-光的频率（单位s-1）。可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大,2.光子能量,6,二、光源（发光器件）,1.白炽光源,用钨丝通电加热作为光辐射源。发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以很多光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。,7,2.荧光灯,发光原理：高压使灯丝放电，发射电子。电子与灯管内的惰性气体（氖气）及少量的水银中的原子碰撞，发出紫外线，紫外线照射到灯管臂的荧光物质上，变成可见光。特点：发光效率高，节能效果明显（75%），寿命长（提高810倍）。,波长为750310nm，缺少红光，故合成后略带青色或呈青白色。,8,3.发光二极管（LEDLightEmittingDiode）,由半导体PN结构成，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。,发光原理：当PN结上加有正向电压时，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，在复合的同时，伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。,9,4、激光器发光原理：在特制的谐振腔加上电压，光子在里面不断来回振动，光子振动时，产生碰撞激发出新的光子，数量不断翻倍，光子越来越多，最后从谐振腔的窗口出释放出来，再被经过的光子激发，放出光。特点：高方向性、高单色性和高亮度。波长范围：从0.24m到远红外整个波段。,激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器。,10,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，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。,三、光电传感器,在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。光敏器件种类很多，常见的有：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、光纤等等。,11,指纹锁,指纹门禁,光电鼠标,12,13,第一节光电效应,光电效应可分为：外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应,当光电传感器中的光电元件受到光线作用时，光电元件中的电子吸收光子能量，就会产生某些电特性的变化，这种物理现象称为光电效应。,14,(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。,爱因斯坦光电效应方程（能量守恒定律）,h-普朗克常数；-入射光频率；,15,A电子的逸出功；,-电子逸出的动能（能量）；,光照射物体时，物体中电子吸收入射光子的能量E，当物体吸入的能量超出逸出功A时电子就会逸出物体表面，产生光电子发射。超出的能量变成电子的动能。能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。,基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管,16,紫外线管外形,当入射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,17,(2)内光电效应,入射光强改变物质导电率的物理现象称内光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有。原理：由于在入射光作用下电子吸收光子能量，从价带激发到导带过度到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空穴浓度增大引起电阻率减小。为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度的能量Eg。基于这种原理可制成光敏电阻。,18,光生伏特效应：物体表面受到光照射时，内部会激发出电子-空穴对，在内电场作用下电子、空穴分离，在物体内部产生电动势-光生伏特效应,光生伏特效应应用：,（1）制作光电池（2）光敏二极管；（3）光敏三极管；（4）半导体位置敏感器件,19,第二节光电器件,1光电管,结构：光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有阴极、阳极，阴极涂有光敏材料原理：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。,因而实现对光强度的测量。,20,结构示意图及测量电路,实物,21,2光电倍增管,光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击激发出二次电子，将光电流在管内进行放大。,22,光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极（10个左右），倍增极也涂有光敏材料。在阳极和阴极之间加有几百上千伏的高压，每个倍增极间有100200V高压；倍增极外加电压Ud与增益G的关系近似为：式中：K常数N倍增极数,G一般在105数量级。,23,入射光,阴极K,第一倍增极,第二倍增极,第三倍增极,第四倍增极,阳极A,24,3光敏电阻,光敏电阻的工作原理是基于光电导效应结构：在玻璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，两端金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。,25,光敏电阻图片,无极性，纯电阻，可加直流或交流偏压。,当光敏电阻受到光照时，阻值减小。,26,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，产生电子-空穴对，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。,27,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）,28,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。光照度Lx（勒克斯）=lm（流明）/s单位面积的光通量,29,4光敏二极管和光敏三极管,光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。即光照时，产生大量的电子-空穴对，在结电场作用下，在P区和N区之间形成电位差，产生光生电动势。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、自动计数等系统中。,电梯平层用光电开关,光电开关器件,30,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,增大受光面积，PN结面积比一般二极管大。,发光二极管与光敏二极管的不同发光二极管：（1）电光。（2）工作时加正向电压。,光敏二极管：,（1）光电信号。（2）工作时加反向电压。,31,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，PN结反向电阻很大，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。,32,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。,33,光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示,在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。,当光照增加时，光电流I与光照度成正比关系。,光敏二极管的反向偏置接法,UO,+,光照,34,基本特性：光照特性图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。光电流与照度成线性关系。,35,光敏三极管,与普通晶体管不同的是，光敏晶体管将集电结做成光敏二极管，作为受光结。另外集电极的面积做的较大，以收集更多的光电子。大多数光敏晶体管的基极无引线，无论NPN、PNP一般集电结加反偏。玻璃封装上有个聚光镜，便于收集光线。,36,普通三极管,光敏三极管,基区很薄，基极一般不接引线；集电极面积较大。,37,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，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,38,光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。,39,5.光电池（有源器件）,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。光电池的用途：（1）电源将太阳能转变为电能，广泛用于宇航电源；（2）传感器用于检测和自动控制等。,40,光电池外形,光敏面,41,结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下面有一抗反射膜，下电极是一层衬底铝。,原理：当光照射PN结的一个面时，电子-空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V0.6V电压50mA电流。,42,光电池电路连接,光电池作为电源使用时的不同连接。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。,例如：锗管发射极电压较低，可直接用1块光电池控制。,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。,43,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,44,光电池在动力方面的应用（续）,太阳能发电,45,光电池在动力方面的应用（续）,光电池在人造卫星上的应用,46,6.其他光电管,PIN型硅光电二极管，高速光电二极管，响应时间达1ns，适用于遥控装置。,PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF频带小信号开关。,47,雪崩式光电二极管:具有高速响应和放大功能，高电流增益，可有效读取微弱光线，用于0.8m范围的光纤通信、光盘受光元件装置。,硅雪崩光电二极管用于可见光和近红外探测器，它具有高信噪比，高响应速度等特点。可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距。,48,光电闸流晶体管（光激可控硅）:由入射光线触发导通的可控硅元件。,光电晶闸管结构：有三个引出电极，即阳极a、阴极k和门极g。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃透镜照射到正向阻断的PN结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。光电晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。,49,光敏晶闸管外形,光敏面,50,光电耦合器件又称光电隔离器（器件的光信号封闭）,“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。,51,“光耦”集成器件的特点：输入输出完全隔离，有独立的输入输出抗，绝缘电阻在1万兆以上。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。特别适宜工业现场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。,52,10.3光纤传感器,光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维材料的新型传感器。光纤传感器把光纤作为敏感元件，同时又作为传递信息的介质。主要特点：电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。灵敏度高。容易实现对被测信号的远距离监控。,53,发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。,上海东方明珠,54,各种装饰性光导纤维,55,光缆的外形及光纤的拉制,56,一、光纤基本结构及导光原理,1、光纤结构,主要由三部分组成中心纤芯；外层包层；护套尼龙料。,纤芯：很细的石英玻璃丝制成,折射率n1高。,包层：硅橡胶制成，折射率n2低。,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大于包层折射率n2（n1n2）。,57,2、基本原理,当光由光密物质（折射率大）出射至光疏物质（折射率小）时，发生折射。入射角与折射角之间的关系为：,（a）折射角大于入射角：,（b）临界状态：,（c）全反射：,（1）斯乃尔定理：,无反射,58,（2）光导原理,入射光线AB,入射角为i，B点产生第一次折射，折射角j，在纤芯与包层界面C点发生第二次折射，折射角r。,设n0=1,经推导得：,59,全反射的条件：i90时，光线发生全反射，则iarcsinNA，光线消失。,60,实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。,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。,61,3、光纤传光原理,光的全反射实验,62,4、光纤类型,阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。,63,梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。,64,二、光导纤维的主要参数,(1)NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要入射角在一定范围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，光线会进入包层而消失。(2)一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。(3)产品光纤不给出折射率只给数值孔径NA，如：石英光纤的数值孔径一般为：NA=0.20.4,1、数值孔径（NA）,65,2、光纤模式（V）,光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式。光纤模式定义：传递的光波之间的干涉产生的横向强度分布称为模式。模式大小定义式为：,式中：,d-为纤芯半径；,-为入射波长。,66,模式讨论：在信息传播中，希望模式数越少越好，这样不会导致信号畸变失真。模式值V小，就是d值小，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（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。,67,3、传播损耗（A）,光纤传输损耗主要来源于材料吸收损耗、散射损耗和波导弯曲损耗。目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。在这些材料中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料吸收损耗。,传播损耗（单位为dB）,式中,l光纤长度；a单位长度的衰减；I0光导纤维输入端光强；I光导纤维输出端光强。,68,二、光纤传感器结构原理及分类1、光纤传感器结构原理由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。,由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。,光纤,信号处理,光接收器,敏感元件,光发送器,69,2、光纤传感器的分类,（1）根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。1）功能型光纤传感器以光纤自身作为敏感元件，感受被测量的变化。被测量影响光纤的光学特性，实现对光纤传输光的调制。功能型光纤传感器将“传”和“感”合为一体的传感器。所以又称传感型光纤传感器。,信号处理,光受信器,光纤敏感元件,光发送器,70,2）非功能型光纤传感器利用其它敏感元件来感受被测量的变化，实现对光纤传输光的调制。即这种光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。又称传光型光纤传感器。,71,3）拾光型光纤传