434362506光电式传感器PPT

1、2021年11月2日12021年11月2日2光电式传感器概念n光电式传感器（或称光敏传感器）n是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。n按工作原理分类n光电效应传感器n红外热释电探测器n固体图像传感器n光纤传感器 2021年11月2日3第一节 光电器件的基本概念n光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。n光电器件工件的物理基础：光电效应。n光电效应分为：内光电效应、外光电效应2021年11月2日4外光电效应n当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离

2、子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。n即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。n根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。2021年11月2日5光电管光电管2021年11月2日6光电倍增管光电倍增管2021年11月2日7内光电效应n内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象n这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种2021年11月2日8光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流

3、子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。如光敏电阻。光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池。 内光电效应分类内光电效应分类2021年11月2日9梳状电极光电导透光窗口外壳绝缘基体玻璃支柱引脚aa2021年11月2日102021年11月2日112021年11月2日12 光敏电阻又称光导管是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。 无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越

4、小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。 2021年11月2日132021年11月2日142021年11月2日152021年11月2日162021年11月2日172021年11月2日182021年11月2日192021年11月2日202021年11月2日212021年11月2日222021年11月2日232021年11月2日242021年11月2日252021年11月2日262021年11月2日27nnp2021年11月2日282021年11月2日29 存在一个最佳灵敏度波长存在一个最佳灵敏度波长2021年11月2日3020406080100

5、0lx2021年11月2日312021年11月2日322021年11月2日332021年11月2日34几种硅光电二极管的特性参数几种硅光电二极管的特性参数2021年11月2日352021年11月2日362021年11月2日372021年11月2日382021年11月2日392021年11月2日402021年11月2日412021年11月2日422021年11月2日43第三节第三节 红外传感器红外传感器 一、一、 红外辐射红外辐射 红外辐俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m，红外线在电磁波谱中的位置如图8-15 所示

6、。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。 2021年11月2日44图8 15 电磁波谱图 1091071051031011010110102103104 / m / cm / m宇宙射线射线x射线紫外线可见光红外线微波无线电波极远红外211815129630远红外中红外近红外 / m2021年11月2日45 红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、 折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明

7、显的波粒二相性。 2021年11月2日46 红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如的双原子气体，如n n2 2、o o2 2、h h2 2等不吸收红外线。等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是它们是2 22.6m2.6m、

8、3 35 m5 m和和8 814 m14 m，统统称它们为称它们为“大气窗口大气窗口”。这三个波段对红外探测。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。三个波段（大气窗口）之内。 2021年11月2日49室温下，反射光1100k，自身辐射光1、基尔霍夫（kirchhoff）定律一个黑白花盘子的两张照片原来白底的地方吸收的少（反射的多），发射原来白底的地方吸收的少（反射的多），发射的光强也就弱；的光强也就弱；原来黑花纹的部分吸收的多原来黑花纹的部分吸收的多（反射的少），发射的光强也就强；（反射的少），发射的光

9、强也就强；（gustav robert kirchhoff,18241887）德国物理学家 2021年11月2日50 0 eer物体向周围反射红外辐射能时，同时也吸收周围物体发射的红外辐射能，即式中 er物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能 物体的吸收系数 e0常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能。l基尔霍夫定律2021年11月2日51l在热平衡的条件下，任何物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收率的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。l由此得出的结论：l1，在同温度下，物体的辐射力越大，吸收率也越大；l2，所有实际物体的吸收率均小于1，所以，在同温度下，黑体的辐射力最大。2021年1

10、1月2日522、斯特藩 玻耳兹曼定律 stefan（德）boltzman（奥） 斯特藩 玻耳兹曼常量；比辐射率，黑体的1；t 物体的绝对温度，k；428kw/m1067. 5 斯特藩 玻耳兹曼定律和维恩位移定律是测量高温、遥感和红外追踪等的物理基础。1879年斯特藩从实验上总结而得到1884年玻耳兹曼从理论上证明物体在单位时间内其单位面积辐射的总能量 e 为4te2021年11月2日54btm km10898. 23 b3、 维恩位移定律1893年由理论推导而得m（wien displacement law）测得， nm510 m t表面 = 5700k若视太阳为黑体，m 峰值波长定出：维恩位

11、移定律指出：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值向短波方向移动。2021年11月2日551400 k物体辐射总能量及能量按波长分布决定于温物体辐射总能量及能量按波长分布决定于温度度800 k1000 k1200 k固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化例子：低温火炉辐射能集中在红光。例子：低温火炉辐射能集中在红光。 高温物体辐射能集中在绿、蓝色。高温物体辐射能集中在绿、蓝色。2021年11月2日56 红外传感器一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及显示单元等组成。 红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测

12、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。 二、二、 红外探测器红外探测器2021年11月2日57 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。 与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽， 响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便， 应用相当广泛。 1. 1. 热探测器热探测器2021年11月2日58 热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。其中

13、，热释电型探测器在热探测器中探测率最高， 频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我们主要介绍热释电型探测器。 2021年11月2日59 热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、 水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化， 在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。用此效应制成的“铁电体”， 其极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。2021年11月2日60 当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。 如果将负载电阻与铁电体薄片相连

14、，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。 2021年11月2日61 光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象这种现象称为光子效应。根据所产生的不同电学现象，可制成各种不同的光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。 光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。 2. 光子探测器光子探

15、测器2021年11月2日62一、一、 红外测温仪红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。 当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用分离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。 第四节第四节 光电传感器应用举例光电传感器应用举例2021年11月2日63 图817是目前常见的红外测温仪方框图。它是一个包括光、 机、电一体化的红外测温系统，图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许814 m的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动， 将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外

16、探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。 被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。 2021年11月2日64图12 2 红外测温仪方框图 透镜 滤光片红外探测器步进电机调制盘温度传感器前放选放同步检波加法器“”调节线性化a / d数显多谐振荡器放大7 72021年11月2日65 红外测温仪的电路比较复杂，包括前置放大、选频放大、 温度补偿、线性化、发射率（）调节等。目前已有一种带单片机的智能红外测温器， 利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路， 提高了仪表的稳定性、 可靠性和准确性。 红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以

17、是反射式。 反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜，并在镜的表面镀金、 铝、 镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料。 2021年11月2日66 红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同，图8 - 18给出了几种气体对红外线的透射光谱，从图中可以看出，co气体对波长为4.65 m附近的红外线具有很强的吸收能力，co2气体则发生在2.78 m和4.26 m附近以及波长大于13 m的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析co气体，则可以利用4.26 m附近的吸收波段进行分析。 二、二、 红外线气体分析仪红外线气体分析仪2021年11

18、月2日67图8 18 几种气体对红外线的透射光谱 100806040200透射率 / (%)100806040200透射率 / (%)100806040200透射率 / (%)23456789 10 11 12 13 14 15 / m23456789 10 11 12 13 14 15 / mcoco2ch4c2h4c2h6c2h22021年11月2日68 图8 - 19是工业用红外线气体分析仪的结构原理图。 该分析仪由红外线辐射光源、气室、 红外检测器及电路等部分组成。 光源由镍铬丝通电加热发出310 m的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外线检测器信号的检测。 测

19、量气室中通入被分析气体，参比气室中封入不吸收红外线的气体（如n2等）。红外检测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后， 气体温度升高，导致室内压力增大。 2021年11月2日69 测量时（如分析co气体的含量），两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室， 由于测量气室中含有一定量的co气体，该气体对4.65 m的红外线有较强的吸收能力， 而参比气室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个吸收气室的红外线光造成能量差异，使两吸收室压力不同，测量边的压力减小，于是薄膜偏向定片方向， 改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容c。如被测气体的浓度愈大，两

20、束光强的差值也愈大， 则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。 2021年11月2日70图8 19 红外线气体分析仪结构原理图 95657412381光 源 ； 2抛 物 体 反 射 镜 ； 3同 步 电 动机 ； 4切 光 片 ； 5滤 波 气 室 ； 6参 比 室 ；7测 量 室 ； 8红 外 探 测 器 ； 9放 大 器2021年11月2日71 图8-19所示结构中还设置了滤波气室，其目的是为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如co气体和co2在45 m波段内红外吸收光谱有部分重叠，则co2的存在对分析co气体带来影响，这种影响称为干