传感器原理及检测技术_第7章_光电式传感器

1、1第7章 光电式传感器2引言光电式传感器是把被测物理量的变化先转换光电式传感器是把被测物理量的变化先转换成光信号的变化，然后再通过光电转换元件成光信号的变化，然后再通过光电转换元件把光信号变换成电信号的一种传感器。把光信号变换成电信号的一种传感器。光电式传感器的测量方法灵活多样，并且具光电式传感器的测量方法灵活多样，并且具有使用方便、非接触、高精度、高分辨力、有使用方便、非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应快等一系列优点，因而发展高可靠性和反应快等一系列优点，因而发展十分迅速，而且随着激光、光栅、光导纤维、十分迅速，而且随着激光、光栅、光导纤维、CCDCCD等器件的相继问世，光电传感器在检

2、测等器件的相继问世，光电传感器在检测及自动控制领域中得到了更广泛的应用。及自动控制领域中得到了更广泛的应用。3所谓光电效应是指在光的照射下一些金属、金属氧所谓光电效应是指在光的照射下一些金属、金属氧化物或半导体材料释放电子的现象。化物或半导体材料释放电子的现象。光子是具有一定能量的微粒，是以光速运动的粒子光子是具有一定能量的微粒，是以光速运动的粒子流。每一个光子都具有一定的能量，它的能量大小流。每一个光子都具有一定的能量，它的能量大小E E与其频率与其频率 成正比。成正比。hchE7.1 光电传感器47.1 光电传感器光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；光的波长越短，即频率越高，其光

3、子的能量也越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。不反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。不同颜色的光子由于其光波频率不同其能量也是不同同颜色的光子由于其光波频率不同其能量也是不同的；的；绿光光子比红光光子具有更多的能量，照射在物体绿光光子比红光光子具有更多的能量，照射在物体上可看作是一连串具有能量为上可看作是一连串具有能量为E E的粒子轰击在物体的粒子轰击在物体上；上；光子与物质间的连接体是电子。光子与物质间的连接体是电子。57.1.1 光电效应光电效应分为内光电效应和外光电效应。当物光电效应分为内光电效应和外光电效应。当物体在光的作用下所释放的电子没有逸出物体表体在光的作用下所

4、释放的电子没有逸出物体表面，而只在物体的内部运动并使物体的电学特面，而只在物体的内部运动并使物体的电学特性发生变化的现象叫做内光电效应，内光电效性发生变化的现象叫做内光电效应，内光电效应多产生于半导体材料内。应多产生于半导体材料内。当物体在光的作用下使物体中的电子从物体表当物体在光的作用下使物体中的电子从物体表面逸出的现象，叫做外光电效应，外光电效应面逸出的现象，叫做外光电效应，外光电效应多发生于金属或金属氧化物内。多发生于金属或金属氧化物内。 67.1.2 外光电效应器件 光电管光电管77.1.2 外光电效应器件 光电管的伏安特性曲线光电管的伏安特性曲线UA（V）)( AI601000204

5、0801234lm1 . 00.050.02lmlm87.1.2 外光电效应器件 光电管的光照特性光电管的光照特性银氧铯阴极光电管光通量（lm）04812160.20.40.60.81.0)( AI光电流锑铯阴极光电管97.1.2 外光电效应器件 光电管的光谱特性曲线光电管的光谱特性曲线107.1.2 外光电效应器件 光电倍增管光电倍增管117.1.2 外光电效应器件光电倍增管的工作原理光电倍增管的工作原理基于外光电效应、二次电子发射和电子光学基础上。在光电倍基于外光电效应、二次电子发射和电子光学基础上。在光电倍增管的各倍增电极增管的各倍增电极D D1 1、D D2 2、D D3 3和阳极上，

6、依次有逐渐增高的正电压，和阳极上，依次有逐渐增高的正电压，即阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位依次升高，阳极即阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高，而且相邻两极之间电压应使二次发射系数大于电位最高，而且相邻两极之间电压应使二次发射系数大于1 1。在入射光。在入射光作用下，光电阴极发射的光电子在作用下，光电阴极发射的光电子在D D1 1电场作用下，以高速向倍增电极电场作用下，以高速向倍增电极D D1 1打去，产生二次发射，于是更多的二次发射电子又在打去，产生二次发射，于是更多的二次发射电子又在D D2 2电场作用下，射电场作用下，射向第二倍增电极，激发更多

7、的次发射电子，如此下去，一个光电子将向第二倍增电极，激发更多的次发射电子，如此下去，一个光电子将激发更多的二次发射电子，如此不断倍增，最后阳极收集到的电子数激发更多的二次发射电子，如此不断倍增，最后阳极收集到的电子数将达到阴极发射电子数的将达到阴极发射电子数的10105 510106 6倍，即光电倍增管的放大倍数可达到倍，即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到几几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到几百万倍。因此，在很微弱的光照下，光电倍增管也能产生很大的光电百万倍。因此，在很微弱的光照下，光电倍增管也能产生很大的光电流。流。

8、127.1.2 外光电效应器件 光电倍增管的主要参数光电倍增管的主要参数 （1 1）倍增系数）倍增系数MM。 （2 2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。极间电压（V）251035075100125150104105106放大倍数137.1.3 内光电效应器件 光电倍增管的主要参数光电倍增管的主要参数 （1 1）倍增系数）倍增系数MM。 （2 2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。极间电压（V）251035075100125150104105106放大倍数141）光敏电阻 光敏电阻又称光导管，是一种均质半导

9、体光光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电元件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、电元件。它具有灵敏度高、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特点。振动、抗过载能力强和寿命长等特点。 15（1）光敏电阻的原理和结构。 光敏电阻受到光照时，由于内光电效应，因而其导电光敏电阻受到光照时，由于内光电效应，因而其导电性能增强而电阻性能增强而电阻R R0 0值下降，所以流过负载电阻值下降，所以流过负载电阻R RL L的电的电流及其两端电压会发生流及其两端电压会发生变化。一般而言，光线越变化。一般而言，光线越强，电流越大。

10、当光照强，电流越大。当光照停止时，光电效应会立停止时，光电效应会立即消失，电阻又恢复原即消失，电阻又恢复原值。值。 16光敏电阻实物图 当光敏电阻受到光照时，当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。阻值减小。17（2）光敏电阻的基本特性和主要参数。光敏电阻的伏安特性：光敏电阻的伏安特性： 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 18光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性Sr(%)（ A）2040608010001.53硫 化 铅硫 化 铊硫 化 镉灵敏度波 长光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性19光敏电阻的频率特性：光敏电阻的频率特性：暗电阻、亮电阻与光电流：暗电阻、亮电阻与光电流： 光敏电阻在受到光

11、照射时的电阻称为亮电阻，此时流过光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。在没有受到光照射时的阻值称为暗电的电流称为亮电流。在没有受到光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流被称为暗电流。阻，此时流过的电流被称为暗电流。10080604020010100100010000S( %)（Hz）硫化镉硫化铅频率灵敏度20光敏电阻的温度特性。光敏电阻的温度特性。 1.02.03.04.0020406080100(%)-20+20波长（m）灵敏度212）光敏晶体管 光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管，它们的工作原理是基于内

12、光电效应；闸管，它们的工作原理是基于内光电效应；光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差，目前广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、较差，目前广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出装置等场合，光敏晶闸管主要应用于光控开关电路装置等场合，光敏晶闸管主要应用于光控开关电路 2021-7-1622（1）光敏晶体管结构与工作原理 光敏二极管。光敏二极管。 通常处于反向偏置通常处于反向偏置状态状态 。当没有光照射。当没有光照射时，其反向电阻很大，时，其反向电阻很大，反向电流

13、很小，这种反反向电流很小，这种反向电流称为暗电流。向电流称为暗电流。 1负极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5正极引脚 6N型衬底 7SiO2保护圈8SiO2透明保护层 9铝引出电极 10P型扩散层 11PN结 12金属引出线23光敏二极管光敏二极管阵列光敏二极管阵列 包含包含1024个个InGaAs元件元件的线性光电二极管阵列，可用的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。于分光镜。24光敏二极管外形 25红外发射、接收对管外形 红外发射管红外发射管红外接收管红外接收管26 光敏三极管 集电极电流是原始光电电流的集电极电流是原始光电电流的 倍。因此，光敏三极管比光敏倍。因此，光敏三极管比光敏二

14、极管的灵敏度高许多倍。二极管的灵敏度高许多倍。 光敏三极管光敏三极管 27光敏三极管外形 28 光敏晶闸管 光敏晶闸管（光敏晶闸管（LCRLCR）又称为光控晶闸管）又称为光控晶闸管 光敏晶闸管的特点是工作电压很高，有的可达数百伏，导光敏晶闸管的特点是工作电压很高，有的可达数百伏，导通电流比光敏三极管大得多，因此输出功率很大，在自动通电流比光敏三极管大得多，因此输出功率很大，在自动检测控制和日常生活中应用会越来越广泛。检测控制和日常生活中应用会越来越广泛。29光敏晶闸管外形光敏面30（2）光敏晶体管的基本特性。 光谱特性。光谱特性。相对灵敏度100806040200入射光锗硅波长（m）(%)0.

15、421.61.20.831 伏安特性伏安特性 32 光敏晶体管的光照特性光敏晶体管的光照特性33光敏晶体管的温度特性光敏晶体管的温度特性34光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性353）光电池 光电池的工作原理是基于光生伏特效应，当光电池的工作原理是基于光生伏特效应，当光照射到光电池上时，可以直接输出光电流。光照射到光电池上时，可以直接输出光电流。常用的光电池有两种，一种是金属常用的光电池有两种，一种是金属半导体半导体型，另一种是型，另一种是PNPN结型，如硒光电池、硅光电结型，如硒光电池、硅光电池、锗光电池等。池、锗光电池等。 36（1）硅光电池的结构及工作原理 用导线连接用导线连接P P

16、区和区和N N区，区，电路中就有电流流过电路中就有电流流过 37光电池外形光敏面光敏面38能提供较大电流的大面积光电池外形39光电池在动力方面的应用光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用40典型的光电开关结构 1发光元件 2接收元件 3壳体 4导线 5反射物 6窗体 2021-7-1641 光电开关外形42应用范围 用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高高低低”之分即可。之分即可。 43光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可线及安全装置中作光控制和光探

17、测装置。可在自控系统中用作物体检测、产品计数、料在自控系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。接口等用途。 447.1.4 光电传感器的应用1 1、烟尘浊度监测仪、烟尘浊度监测仪 烟囱里的烟尘浊度是通过光在烟囱里传烟囱里的烟尘浊度是通过光在烟囱里传输时的变化大小来检测的。如果烟尘浊度增输时的变化大小来检测的。如果烟尘浊度增加，那么光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和加，那么光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射就会增加，使到达接收端的光减少，因折射就会增加，使到达接收端的光减少，因而光检测器输出的信号就会减弱；反之，烟而光检

18、测器输出的信号就会减弱；反之，烟尘浊度减少，光检测器输出的信号就会增强。尘浊度减少，光检测器输出的信号就会增强。457.1.4 光电传感器的应用 吸收式烟尘浊度检测仪框图：吸收式烟尘浊度检测仪框图：白炽光光源光检测器放大电路显示电路刻度校正报警电路烟囱467.1.4 光电传感器的应用 2 2、光电转速传感器、光电转速传感器 如图所示为在待测转速轴上固定一带孔的转盘，在转盘一边由白炽灯如图所示为在待测转速轴上固定一带孔的转盘，在转盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达由光敏晶体管组成的光电转换器上，转换产生恒定光，透过盘上小孔到达由光敏晶体管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放

19、大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该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。脉冲频率决定。光敏晶体管放大整形电路白炽灯光敏晶体管转盘放大整形电路白炽灯转盘（a）（b）477.1.4 光电传感器的应用 光电脉冲转换电路光电脉冲转换电路VT1VT2VT3VT4R1R2R3R4R5R6R7R8+VCCUO487.2 红外传感器红外传感器是用来检测物体红外辐射的敏感红外传感器是用来检测物体红外辐射的敏感器件。所谓红外辐射就是红外光，红外光是器件。所谓红外辐射就是红外光，红外光是太阳光谱的一部分，其波长范围为太阳光谱的一部分，其波长范围为0.760.761000m

20、1000m。根据红外线在电磁波谱中的位置，。根据红外线在电磁波谱中的位置，工程上又把红外线所占据的波段分为四部分：工程上又把红外线所占据的波段分为四部分：近红外、中红外、近红外、中红外、 远红外和极远红外。远红外和极远红外。497.2.1 红外辐射的基本定律1 1 、斯忒藩、斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 物体温度越高，它辐射出来的能量就越大，公物体温度越高，它辐射出来的能量就越大，公式表示为。式表示为。4TW507.2.1 红外辐射的基本定律2 2 、希尔霍夫定律、希尔霍夫定律若几个物体处于同一温度场中，各物体的热发若几个物体处于同一温度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领，这就是希尔

21、霍夫定律。射本领正比于它的吸收本领，这就是希尔霍夫定律。其表示公式为其表示公式为0aEEr517.2.1 红外辐射的基本定律3 3 、维恩位移定律、维恩位移定律 热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。物体热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。物体峰值辐射波长与物体的自身的绝对温度峰值辐射波长与物体的自身的绝对温度T T成反比，成反比，即：即：aT 527.2.2 红外传感器的组成及原理红外传感器一般由光学系统、敏感元件（也红外传感器一般由光学系统、敏感元件（也叫探测器）、前置放大器和信号调制器等组叫探测器）、前置放大器和信号调制器等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外成。红外探测器是红外传感器

22、的核心。红外探测器是利用红外辐射与物体相互作用所呈探测器是利用红外辐射与物体相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。探测器和光子探测器两大类。537.2.3 红外传感器的应用1 1、红外测温仪、红外测温仪547.2.3 红外传感器的应用2 2、红外线气体分析仪、红外线气体分析仪 根据红外辐射在气体中的吸收带的不同，可以对气体成分进行分析。根据红外辐射在气体中的吸收带的不同，可以对气体成分进行分析。557.3 光纤传感器光纤传感器从光纤传感器从20

23、世纪世纪70年代中期发展年代中期发展起来起来 优点，如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠优点，如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易曲、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、便于遥测等。它能用于温度、压力、与微机连接、便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和pHpH值值等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前景。等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前景。 56光纤传感器分类光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是

24、非功能型（传（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。光型）传感器。单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为通常为2 212 12 mm，很细的纤芯半径接近于光，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。感器多采用多模光纤。 2021-7-1657各种装饰性光导纤维 58 发光二极发光二极管产生多种颜管产生多种颜色的光

25、线，通色的光线，通过光导纤维传过光导纤维传导到东方明珠导到东方明珠球体的表面。球体的表面。在计算机控制在计算机控制下，可产生动下，可产生动态图案。态图案。上海东方明珠上海东方明珠597.3.1 光纤的结构光导纤维简称为光纤，目前基本上还是采用石英玻光导纤维简称为光纤，目前基本上还是采用石英玻璃，其结构如图所示。中心的圆柱体叫做纤芯，围璃，其结构如图所示。中心的圆柱体叫做纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。不同掺杂的石英玻璃制成。 1光纤的结构光纤的结构60光纤的结构示意图 61光纤的结构 62光纤传感器外形 6

26、37.3.2 光纤的分类(1)(1)按光纤的折射率可分为阶跃型和梯度型。按光纤的折射率可分为阶跃型和梯度型。(2)(2)按传输模数可分为单模光纤和多模光纤按传输模数可分为单模光纤和多模光纤647.3.3 光纤的传光原理 光纤的传输是基于光的全内反射。光纤的传输是基于光的全内反射。 65 只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这里的光线只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯转弯”实际上是由光的全反射所形成的实际上是由光的全反射所形成的 光纤集光本领的术语叫数值孔径光纤集光本领的术语叫数值孔径N NA A N NA A= sin= sin c= c= 数值孔径反映纤芯接收光量的

27、多少。数值孔径反映纤芯接收光量的多少。 2212nn667.3.4 光纤传感器的工作原理及类型特点光纤传感器是将光源发出的光经过光纤再送入调制光纤传感器是将光源发出的光经过光纤再送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、致光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的信号光。已调制偏振态等发生变化，成为被调制的信号光。已调制的信号光再经光纤送入光探测器，经解调器解调后，的信号光再经光纤送入光探测器，经解调器解调后，最终获得被测量的参数。最终获得被测量的参数。1光纤传感器工

28、作原理光纤传感器工作原理677.3.4 光纤传感器的工作原理及类型特点按光纤在传感器中功能的不同，光纤传感器可分为按光纤在传感器中功能的不同，光纤传感器可分为两种类型，即非功能型两种类型，即非功能型( (或称结构型、传光型或称结构型、传光型) )光纤光纤传感器（又称光纤式光电传感器）和功能性传感器（又称光纤式光电传感器）和功能性( (或称或称物性型、传感型物性型、传感型) )光纤传感器。前者常使用多模光光纤传感器。前者常使用多模光纤，而后者常使用单模光纤。纤，而后者常使用单模光纤。2、光纤传感器的类型及组成、光纤传感器的类型及组成68光纤传感器组成示意图被 测 对 象光 纤 敏 感 元 件光 源光 探 测 器信 号 处 理 系 统光 纤光 纤被 测 对 象(a)(b)光 纤 敏 感 元 件光 探 测 器光 源信 号 处 理 系 统697.3.4 光纤传感器的工作原理及类型特点（1 1）抗电磁干扰能力强。常用光纤主要是由电绝缘、耐腐蚀的）抗电磁干扰能力强。常用光纤主要是由电绝缘、耐腐蚀的 SiOSiO2 2做成，工作时利用光子传输信息，因而不怕电磁场干扰，做成，工作时利用光子传输信息，因而不怕电磁场干扰，加之电磁干扰噪声的频率与光频相比很低，对光波没有干扰；加之电磁干扰噪声的频率与光