《光电测量技术》ppt课件

1、第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 1. 1.了解光电丈量的根本知识及光电器件的特性了解光电丈量的根本知识及光电器件的特性2. 2.了解常用的光电器件及其运用了解常用的光电器件及其运用3. 3.掌握光纤传感器的检测原理及其简单运用掌握光纤传感器的检测原理及其简单运用学学 习习 要要 求求第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电式传感器：将被丈量的变化转换成光量的变化，光电式传感器：将被丈量的变化转换成光量的变化，再经过光电元件把光量变化转换成电信号的一种安装。再经过光电元件把光量变化转换成电信号的一种安装。 光电传感器的物理根底是光电效应。光电传感器的物理根底是光电效应。 10

2、.1 10.1 光电丈量根底知识光电丈量根底知识x1光量光量光量光量电量电量x2输出输出第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电效应分两大类型：外光电效应和内光电效应光电效应分两大类型：外光电效应和内光电效应第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 物体在光的照射下产生电子发射的景象称为光电发射效应或外光电效应。 E=hfh普朗克常数，普朗克常数，h=6.6310-34JS；f是光的频率。是光的频率。光子的能量光子的能量E与它的频率成正比与它的频率成正比(爱因斯坦光量子实爱因斯坦光量子实际际)第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 物体外表遭到光的照射，外表内的电子与光子碰撞，发

3、生能量转移，光子把全部能量转移给电子，使电子的能量添加。假设电子的能量超越逸出功A0时，电子就逸出物体外表产生光电发射。假设不思索电子热运动的能量，产生光电发射的条件是：光子能量hf超越外表逸出功A0。光子能量超越外表逸出功的部分，表现为电子的能量。mv2/2=hf-A0v-电子逸出时的速度；电子逸出时的速度；m-电子的质量。电子的质量。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 爱因斯坦光电方程阐明光电发生服从以下定律：爱因斯坦光电方程阐明光电发生服从以下定律：1 1物体外表发射的电子数物体外表发射的电子数( (光电流光电流) )与光强成正比；与光强成正比；2 2光电子的动能随光的频率成正比

4、的添加，而与光强无关；光电子的动能随光的频率成正比的添加，而与光强无关；3 3要使光电子逸出物体外表，必需要使光电子逸出物体外表，必需 hfA0 hfA0。对于每种物体。对于每种物体都存在一个极限频率红限频率都存在一个极限频率红限频率f0 f0 ，当入射光的频率低，当入射光的频率低于这个频率时，无论光强多强，都不会有光电子发射出来。于这个频率时，无论光强多强，都不会有光电子发射出来。mv2/2=hf-A0第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 在真空的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极和阳极。在真空的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极和阳极。m m(1)(1)构造和任务原理构造和任务原理 ( (真

5、空光电管真空光电管) )10.2 10.2 光电器件的特性光电器件的特性光电管的分类光电管的分类: :真空光电管、充气光电管真空光电管、充气光电管光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁，光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上，阴有的是涂在半圆筒形的金属片上，阴极对光敏感的一面是向内的，在阴极极对光敏感的一面是向内的，在阴极前装有单根金属丝或环状的阳极。当前装有单根金属丝或环状的阳极。当阴极遭到适当波长的光线照射时便发阴极遭到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这样在光电管内就有电子流，在引，这样在光电管内就有电子流，在外电路

6、中便产生了电流。外电路中便产生了电流。 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 充气光电管充气光电管 构造和真空光电管根本一样，所不同的仅是在玻璃泡内充以构造和真空光电管根本一样，所不同的仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体，如氩或氖。当光电极被光照射而发射电子时，少量的惰性气体，如氩或氖。当光电极被光照射而发射电子时，光电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的原子，使其电离，使阳光电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的原子，使其电离，使阳极电流急剧添加，提高了光电管的灵敏度。极电流急剧添加，提高了光电管的灵敏度。 充气光电管的优点充气光电管的优点: :灵敏度高灵敏度高; ; 缺陷缺陷: :灵敏度随电压

7、显著变化、稳定性、频率特性等比真空光灵敏度随电压显著变化、稳定性、频率特性等比真空光电管差。电管差。 (2) (2) 主要性能主要性能光电管的伏安特性光电管的伏安特性 当光通量一定时，光电管的当光通量一定时，光电管的电流与阳极电压的关系。电流与阳极电压的关系。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电管的光照特性光电管的光照特性 当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时， 光通量与光光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。电流之间的关系为光电管的光照特性。 氧化铯阴极光电管的光照特性呈线性关系。氧化铯阴极光电管的光照特性呈线性关系。 锑化铯阴极光

8、电管的光照特性呈非线性关系。锑化铯阴极光电管的光照特性呈非线性关系。 光电管的灵敏度光电管的灵敏度: :光照特性曲线的斜率。光照特性曲线的斜率。1:氧化铯阴极光电管氧化铯阴极光电管2:锑化铯阴极光电管锑化铯阴极光电管第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电管的光谱特性光电管的光谱特性 资料不同的光电阴极光电管有不同的红限频率资料不同的光电阴极光电管有不同的红限频率f0 f0 ，可用于不，可用于不同的光谱范围。同的光谱范围。 光电管的光谱特性光电管的光谱特性: :光电管对不同频率光的敏感度。光电管对不同频率光的敏感度。 对不同波长区域的光，应选用不同资料的光电阴极。对不同波长区域的光，应

9、选用不同资料的光电阴极。 2 2 光电倍增管及根本特性光电倍增管及根本特性 在入射光极为微弱时，光电管产生的光电流很小，在这在入射光极为微弱时，光电管产生的光电流很小，在这种情况下即使光电流能被放大，但信号和噪声同时被放大了，种情况下即使光电流能被放大，但信号和噪声同时被放大了，为抑制这个缺陷，要采用光电倍增管。为抑制这个缺陷，要采用光电倍增管。(1) (1) 光电倍增管的构造和任务原理光电倍增管的构造和任务原理第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 它由光电阴极、假设干个倍增极和阳极三部分组成。光电阴极是由半导体光电资料锑铯制造的，入射光就在它上面打出光电子。倍增极数目在414个不等。

10、在各倍增极上加上一定的电压，阳极搜集电子，外电路构成在各倍增极上加上一定的电压，阳极搜集电子，外电路构成电流输出。任务时，各个倍增极上均加上电压，阴极电流输出。任务时，各个倍增极上均加上电压，阴极K K电位最低。电位最低。从阴极开场，各个倍增极从阴极开场，各个倍增极E1E1、E2E2、E3E3、E4E4或更多电位依次或更多电位依次升高，阳极升高，阳极A A电位最高。入射光在光电阴极上激发电子，由于各电位最高。入射光在光电阴极上激发电子，由于各极间有电场存在，所以阴极激发电子被加速轰击第一倍增极，在极间有电场存在，所以阴极激发电子被加速轰击第一倍增极，在遭到一定数量的电子轰击后，能放出更多的电子

11、，称为遭到一定数量的电子轰击后，能放出更多的电子，称为“二次电二次电子。子。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电倍增管之倍增极的外形设计光电倍增管之倍增极的外形设计成每个极都能接受前一极的二次电子，成每个极都能接受前一极的二次电子，而在各个倍增极上顺序加上越来越高而在各个倍增极上顺序加上越来越高的正电压。这样假设在光电阴极上由的正电压。这样假设在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子，这于入射光的作用发射出一个电子，这个电子将被第一倍增极的正电压所加个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极，设这时第一倍速而轰击第一倍增极，设这时第一倍增极有增极有 个二次电子发出，这个二

12、次电子发出，这 个电子个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又添加电子又添加 倍，经过倍，经过n n个倍增极后，个倍增极后，原先电子将变为原先电子将变为nn个电子，这些电子个电子，这些电子最后被阳极所搜集而在光电阴极与阳最后被阳极所搜集而在光电阴极与阳极之间构成电流。极之间构成电流。 1R2R3R4R5RLR1D2D3D4DOUTUKAI第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 2) 主要参数 倍增系数M M等于各倍增电极的二次电子发射系数i的乘积。M=in (n个倍增电极的i都一样)阳极电流I=iin ( i光电阴极的光电流) 光电倍增管的电流放大倍数=

13、I/i=in 光电阴极灵敏度和倍增管总灵敏度光电阴极灵敏度和倍增管总灵敏度 光电阴极的灵敏度光电阴极的灵敏度一个光子在阴极上打出的平均电子数。一个光子在阴极上打出的平均电子数。 光电倍增管的总灵敏度光电倍增管的总灵敏度一个光子在阳极上产生的平均电子数。一个光子在阳极上产生的平均电子数。 极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太极间电压越高，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，否那么将会损坏。不能受强光照射，否那么将会损坏。第第1010章章 光电测量技术光电测

14、量技术 暗电流和本底脉冲暗电流和本底脉冲 普通在运用光电倍增管时，必需把管子放在暗室里避光普通在运用光电倍增管时，必需把管子放在暗室里避光运用，使其只对入射光起作用；但由于环境温度、热辐射和运用，使其只对入射光起作用；但由于环境温度、热辐射和其它要素的影响。即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍其它要素的影响。即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。这种暗电流可用补偿电路加有电流，这种电流称为暗电流。这种暗电流可用补偿电路加以消除。以消除。 光电倍增管的阴极前面放一块闪烁体，就构成闪烁计数器。光电倍增管的阴极前面放一块闪烁体，就构成闪烁计数器。在闪烁体遭到人眼看不见的宇宙

15、射线的照射后，光电倍增管就在闪烁体遭到人眼看不见的宇宙射线的照射后，光电倍增管就会有电流信号输出，这种电流称为闪烁计数器的暗电流，普通会有电流信号输出，这种电流称为闪烁计数器的暗电流，普通把它称为本底脉冲。把它称为本底脉冲。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 10.3 10.3 常用光电传感器及其运用常用光电传感器及其运用1 1 光敏电阻光敏电阻(1) (1) 构造和原理构造和原理 光敏电阻又称光导管。光敏电阻是用半导光敏电阻又称光导管。光敏电阻是用半导体资料制成的。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄体资料制成的。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电的一层半导体物

16、质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。范围内透射率最大。 梳状电极光电导透光窗口外壳绝缘基体玻璃支柱引脚AA第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光敏电阻利用光电导效应制成，普通选用禁带宽度较宽的半导体资料。 光电导原理：当入射光照到半导体上时，光子的能量假设大于禁带

17、宽度，即hfEg,那么电子受光子的激发由价带越过禁带跃迁到导带，在价带中留下带正电的空穴，在外加电压作用下，导带中的电子和价带中的空穴同时参与导电，即载流子数增多使其电阻下降。原理：光敏电阻在遭到光的照射时，由于内光电效应使其导原理：光敏电阻在遭到光的照射时，由于内光电效应使其导电性能加强，电阻电性能加强，电阻RGRG值下降，流过负载电阻值下降，流过负载电阻RLRL的电流及其两的电流及其两端电压也随之变化。光线越强，电流越大。当光照停顿时，端电压也随之变化。光线越强，电流越大。当光照停顿时，光电效应消逝，电阻恢复原值。光电效应消逝，电阻恢复原值。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 (2

18、) (2) 光敏电阻的特性光敏电阻的特性暗电阻、暗电流暗电阻、暗电流 暗电阻：假设将光敏电阻置于无光照条件下，测得的光敏暗电阻：假设将光敏电阻置于无光照条件下，测得的光敏电阻的阻值。这时，在给定任务电压下测得光敏电阻中的电流电阻的阻值。这时，在给定任务电压下测得光敏电阻中的电流称为暗电流。称为暗电流。亮电阻、光电流亮电阻、光电流 亮电阻：光敏电阻在光照条件下，测得的光敏电阻的阻值亮电阻：光敏电阻在光照条件下，测得的光敏电阻的阻值( (亮电阻普通在几千欧姆亮电阻普通在几千欧姆) ) 。这时在任务电压下测得的电流称为。这时在任务电压下测得的电流称为亮电流。亮电流。 光电流：亮电流和暗电流之差称为光

19、电流光电流：亮电流和暗电流之差称为光电流I I。 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 运用不同资料制成的光敏电阻，有着不同的光谱特性。运用不同资料制成的光敏电阻，有着不同的光谱特性。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 1: 1:硫化镉、硫化镉、2: 2:硫化铊、硫化铊、3: 3:硫化铅。硫化铅。光敏电阻的光电特性光敏电阻的光电特性 在一定电压作用下，光敏电阻的在一定电压作用下，光敏电阻的光电流光电流I I与照射光通量与照射光通量的关系称为光的关系称为光电特性。电特性。 光敏电阻的光电特性具有非线性。光敏电阻的光电特性具有非线性。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 时间常数时间

20、常数 当光敏电阻遭到光照时，光电流要经过一定时间才干到达当光敏电阻遭到光照时，光电流要经过一定时间才干到达稳定值。同样，光照停顿后，光电流也要经过一定时间才干稳定值。同样，光照停顿后，光电流也要经过一定时间才干恢复到暗电流。恢复到暗电流。 光敏电阻的光电流随光强度变化的惯性，通常用时间常数光敏电阻的光电流随光强度变化的惯性，通常用时间常数 表示。时间常数反映了光敏电阻对光照呼应的快慢程度。不表示。时间常数反映了光敏电阻对光照呼应的快慢程度。不同资料的光敏电阻有着不同的时间常数。同资料的光敏电阻有着不同的时间常数。 2 2 光电池光电池 光电池基于阻挠层的光电效应任务的。光电池基于阻挠层的光电效

21、应任务的。 在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光电元在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光电元件。本质上它就是电压源。件。本质上它就是电压源。 光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。砷化镓光电池等。 其中硅光电池和硒光电池用途广泛。其中硅光电池和硒光电池用途广泛。 本课程引见硅和硒两种光电池. (1) (1) 构造原理构造原理 硅光电池是在一块硅光电池是在一块N N型硅片型硅片上，

22、用分散的方法掺入一些上，用分散的方法掺入一些P P型型杂质例如硼构成杂质例如硼构成PNPN结。结。 入射光照射在PN结上时，假设光子能量hf大于半导体资料的禁带宽度Eg，那么在PN结内产生电子-空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P型区，电子移向N型区，使P型区带正电，N型区带负电，因此PN结产生电势。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 硒光电池是在铝片上涂硒，再用溅射的工艺，在硒层上构成一层半透明的氧化硒。在正反两面喷上低溶合金作为电极。在光线照射下，镉资料带负电，硒资料上带正电，构成光电流或光电势。 (2) (2) 主要特性主要特性光电池的光谱特性光电池的光谱特性不同光电池的光谱峰值

23、位置不同。不同光电池的光谱峰值位置不同。如硅光电池在如硅光电池在8000 8000 附近，硒附近，硒光电池在光电池在5400 5400 附近。附近。 AA光半透明金属膜硒半导体金属底盘)(um波长%相对灵敏度第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 硅光电池的光谱范围广，即为450011000 之间，硒光电池的光谱范围为34007500 。因此硒光电池适用于可见光，常用于照度计测定光的强度。AA光电池的光照特性光电池的光照特性 光电池在不同的光强照光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和射下可产生不同的光电流和光生电动势。光生电动势。 短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压短路电

24、流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx2000lx时就趋于饱和时就趋于饱和了。因此把光电池作为丈量元件时，应把它当作电流源的了。因此把光电池作为丈量元件时，应把它当作电流源的方式来运用，不宜用作电压源。方式来运用，不宜用作电压源。 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电池的短路电流：是反映外接负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流。而光电池的内阻是随着照度添加而减小的，所以在不同照度下可用大小不同的负载电阻为近似“短路条件。 从实验中知道，负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系越好，且线性范围越宽。

25、对于不同的负载电阻，可在不同的照度范围内，使光电流与光强坚持线性关系，所以运用光电池作丈量元件时，所用负载电阻的大小，应根据光强的详细情况而定。总之，负载电阻越小越好。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电池的频率特性光电池的频率特性 光电池在作为丈量、计数、接纳元件光电池在作为丈量、计数、接纳元件时，常用交变光照。时，常用交变光照。 光电池的频率特性：反映光的交变频光电池的频率特性：反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。率和光电池输出电流的关系。 硅光电池可以有很高的频率呼应硅光电池可以有很高的频率呼应 光电池的温度特性光电池的温度特性 光电池的开路电压和短路电流随温光电池的开路

26、电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到运用光度变化的情况。由于它关系到运用光电池设备的温度漂移，影响到丈量精电池设备的温度漂移，影响到丈量精度或控制精度等主要目的，因此它是度或控制精度等主要目的，因此它是光电池的重要特征之一。光电池的重要特征之一。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 开路电压随温度升高而下降的速度较快开路电压随温度升高而下降的速度较快; ; 短路电流随温度升高而缓慢添加。短路电流随温度升高而缓慢添加。 当用光电池作丈量元件时，在系统设计中应思索到温度的当用光电池作丈量元件时，在系统设计中应思索到温度的漂移，采取相应的措施来进展补偿。漂移，采取相应的措施来进展补偿。

27、3 3 光敏二、三极管光敏二、三极管1) 1)光敏二极管光敏二极管(1) (1) 构造和任务原理构造和任务原理 光敏二极管又称光电二极管，与普通二极管在构造上是类光敏二极管又称光电二极管，与普通二极管在构造上是类似的。似的。 在光敏二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜，入射光经过玻璃透镜正好射在管芯上。发光二极管的管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。发光二极管管芯的光敏面是经过分散工艺在N型单晶硅上构成的一层薄膜。光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 做得较大，而管芯上的电做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，极面积做得较小，PNPN

28、结的结的结深比普通半导体二极管结深比普通半导体二极管做得浅，这些构造都是为做得浅，这些构造都是为了提高光电转换的才干。了提高光电转换的才干。与普通硅半导体二极管一与普通硅半导体二极管一样，在硅片上生长了一层样，在硅片上生长了一层二氧化硅维护层，它把二氧化硅维护层，它把PNPN结的边缘维护起来，提高结的边缘维护起来，提高了管子的稳定性，减小了了管子的稳定性，减小了暗电流。暗电流。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光敏二极管在电路中处于反向偏置，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流(暗电流)很小。当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子及光生空穴，因此使PN结的

29、反向电流增大。(2) (2) 主要技术参数主要技术参数最高反向任务电压最高反向任务电压 最高反向任务电压：光敏二极管在无光照条件下，反向最高反向任务电压：光敏二极管在无光照条件下，反向漏电流不大于漏电流不大于0.1A0.1A时所能接受的最高反向电压值。时所能接受的最高反向电压值。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 暗电流暗电流 暗电流：光敏二极管在无光照、最高反向任务电压条件暗电流：光敏二极管在无光照、最高反向任务电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的才干越强。弱光的才干越强。 光电流光电流 光电流是指光敏

30、二极管遭到一定光照时，在最高反向任务光电流是指光敏二极管遭到一定光照时，在最高反向任务电压下产生的电流。光电流值越大越好。电压下产生的电流。光电流值越大越好。灵敏度灵敏度 是反映光敏二极管对光敏感程度的一个参数，用在每微是反映光敏二极管对光敏感程度的一个参数，用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示。灵敏度越高，阐瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示。灵敏度越高，阐明光敏二极管对光的反响就越灵敏。明光敏二极管对光的反响就越灵敏。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 呼应时间呼应时间 表示光敏二极管将光信号转换成电信号所需求的时间。呼表示光敏二极管将光信号转换成电信号所需求的时间。呼应

31、时间越短，阐明光敏二极管将光信号转换成电信号的速度越应时间越短，阐明光敏二极管将光信号转换成电信号的速度越快，也就是光敏二极管的任务频率越高。快，也就是光敏二极管的任务频率越高。结电容结电容 指光敏二极管中指光敏二极管中PNPN结的结电容。结电容越小，发光二极管结的结电容。结电容越小，发光二极管的任务频率就越高。的任务频率就越高。 正向压降正向压降 指给光敏二极管以一定的正向电流时，光敏二极管两端的指给光敏二极管以一定的正向电流时，光敏二极管两端的电压降。它反映了光敏二极管正向特性的好坏。电压降。它反映了光敏二极管正向特性的好坏。 光谱范围和峰值波长光谱范围和峰值波长 不同资料制成的光敏二极管

32、有着不同的光谱特性，反映了不同资料制成的光敏二极管有着不同的光谱特性，反映了光敏二极管对不同波长的光反响的灵敏度是不同的。光敏二极管对不同波长的光反响的灵敏度是不同的。 峰值波长峰值波长: :光敏二极管反响最灵敏的波长。光敏二极管反响最灵敏的波长。 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 2) 2) 光敏三极管光敏三极管(1) (1) 构造和任务原理构造和任务原理光敏三极管光敏三极管:PNP:PNP型和型和NPNNPN型。型。 光敏三极管像普通三极管一样有两个PN结，具有电流增益。当集电极加上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置形状。当光线照射在集电结的基区时，会产生电子-空穴对，光生电

33、子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极和发射极间的电压升高，便有大量的电子流向集电极，构成输出电流，且集电极电流为光电流的倍。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 (2) 光敏三极管的主要特性 光敏三极管的光谱特性 光敏三极管存在一个最正确灵敏度的峰值波长。当入射光的波长添加时，相对灵敏度要下降。 光敏三极管的伏安特性光敏三极管的伏安特性 光敏三极管在不同照度下的伏安特性，就像普通晶体管光敏三极管在不同照度下的伏安特性，就像普通晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只需将入射光照在发射在不同的基极电流时的输出特性一样。只需将入射光照在发射极极e e与基极与基极b b之间的之间的PNPN结

34、附近，所产生的光电流看作基极电流，结附近，所产生的光电流看作基极电流，可将光敏三极管看作普通的晶体管，光敏三极管能把光信号变可将光敏三极管看作普通的晶体管，光敏三极管能把光信号变成电信号，且输出的电信号较大。成电信号，且输出的电信号较大。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光敏三极管的光照特性光敏三极管的光照特性 光敏三极管的输出电流光敏三极管的输出电流I I和照度之间的关系，它们之间呈和照度之间的关系，它们之间呈近似线性关系。当光照足够大几千勒克斯时，会出现饱近似线性关系。当光照足够大几千勒克斯时，会出现饱和景象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开和景象，从而使光敏三极管既

35、可作线性转换元件，也可作开关转换元件。关转换元件。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光敏三极管的温度特性光敏三极管的温度特性 光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。 温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大，所以电子线路中应该对暗电流进展温度补偿，否那么大，所以电子线路中应该对暗电流进展温度补偿，否那么将会导致输出误差。将会导致输出误差。 光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性 光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率呼应

36、。载电阻可以提高频率呼应。光敏三极管的频率呼应比光光敏三极管的频率呼应比光敏二极管差。敏二极管差。 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 10.4 10.4 光纤传感器光纤传感器第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。 单模光纤的纤芯直径通常为212m，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种方式传播，普通相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 2SiO522OPOGe、1n2SiO432SiFOB、2n纤芯包层塑料套管涂敷层mm1外层直径

37、um200100第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 2211sinsinnn1n光密介质2n光疏介质aabbccab11CC290212sinnnCC10d1n2n0nABCC1光折射与反射的光折射与反射的snell定律定律第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 数值孔径数值孔径NA :NA :描画集光的才干描画集光的才干( (反映纤芯接受光量的多少反映纤芯接受光量的多少) )222101NAnnnsincNANA意义：无论光源发射功率多大，只需入射光处于意义：无论光源发射功率多大，只需入射光处于2c2c的光的光角内，光纤才干导光。角内，光纤才干导光。NANA是光纤的一个重要参数。

38、普通希是光纤的一个重要参数。普通希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过大，会呵斥光信号畸变，所以要适中选择数值孔径的数值。过大，会呵斥光信号畸变，所以要适中选择数值孔径的数值。普通光线所处环境为空气，普通光线所处环境为空气，n0=1n0=1。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 调制器调制器光源入射光纤出射光纤光探测器输出第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光源入射光纤出射光纤光探测器输出调制器第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 几种常用的光纤传感器几种常用的光纤传感器1 1 光纤加速度传感器光纤加速度

39、传感器 第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 2 光纤位移传感器 光纤位移传感器是利用光导纤维传输光信号的功能，根据探测到的反射光的强度来丈量被测反射外表的间隔。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 入射光纤接收光纤光源被测物体x位移dd位移光电流输出axmImd0入射光纤接收光纤被测物体dAB利用光导纤维传输光利用光导纤维传输光信号的功能，根据探信号的功能，根据探测到的反射光的强度测到的反射光的强度来丈量被测反射外表来丈量被测反射外表的间隔。的间隔。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 1.1.光纤探头端部紧贴被测部件时，发射光纤中的光不能反射到光纤探头端部紧贴被测部件时，

40、发射光纤中的光不能反射到接纳光纤中去，因此就不能产生光电流信号；接纳光纤中去，因此就不能产生光电流信号；2.2.被测外表逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测外表的面被测外表逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测外表的面积积A A越来越大，因此相应的发射光锥和接纳光锥重合面积越来越大，因此相应的发射光锥和接纳光锥重合面积B1B1越来越来越大，因此接纳光纤端面上被照亮的区越大，因此接纳光纤端面上被照亮的区B2B2也越来越大，有一个也越来越大，有一个线性增长的输出信号；线性增长的输出信号；3.3.当整个接纳光纤的端面被全部照亮时，输出信号就到达了位当整个接纳光纤的端面被全部照亮时，输出信号就到达了位移

41、移- -输出信号曲线上的输出信号曲线上的“光峰点，光峰点以前的这段曲线叫前光峰点，光峰点以前的这段曲线叫前坡区；坡区；4.4.当被测外表继续远离时，由于被反射光照亮的面积当被测外表继续远离时，由于被反射光照亮的面积B2B2大于大于C C，即有部分反射光没有反射进接纳光纤，但由于接纳光纤更加远即有部分反射光没有反射进接纳光纤，但由于接纳光纤更加远离被测外表，接纳到的光强逐渐减小，光敏检测器的输出信号离被测外表，接纳到的光强逐渐减小，光敏检测器的输出信号逐渐减弱，便进入曲线的后坡区。逐渐减弱，便进入曲线的后坡区。任务原理任务原理第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 在后坡区，信号的减弱与探头

42、和被测外表之间的间隔平方成反比。 在位移-输出曲线的“前坡区中，输出信号的强度添加得非常快，所以这一区域可以用来进展微米级的位移丈量。 “后坡区可用于间隔较远而灵敏度、线性度和精度要求不高后坡区可用于间隔较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的丈量。的丈量。光峰区光峰区: :输出信号对于光强度变化的灵敏度要比对于位移变化的输出信号对于光强度变化的灵敏度要比对于位移变化的灵敏度大得多，所以这个区域可用于对外表形状进展光学丈量。灵敏度大得多，所以这个区域可用于对外表形状进展光学丈量。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 3 3 光纤温度传感器光纤温度传感器 光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力

43、传感光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而广泛运用的光纤传感器。器而广泛运用的光纤传感器。 根据任务原理可分为相位调制型、光强调制型和根据任务原理可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。偏振光型等。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光分别送入两根长度一样的单模光纤中，那么从两根光纤射出光分别送入两根长度一样的单模光纤中，那么从两根光纤射出的光就产生干涉而构成干涉条纹。当探测臂遭到被测温度变化的光就产生干涉而构成干涉条纹。当探测臂遭到被测温度变化时，就会引起两束光的相位差之变化，因此光的干涉条纹就会时，就会引起两束光的相位差之变化，因此光的干涉条纹就会产生挪动，根据挪动的干涉

44、条纹数就可以确定被测温度之大小。产生挪动，根据挪动的干涉条纹数就可以确定被测温度之大小。第第1010章章 光电测量技术光电测量技术 光电传感器的运用光电传感器的运用1 1 烟尘浊度检测仪烟尘浊度检测仪 烟道里的烟尘浊度是经过光在烟道里传烟道里的烟尘浊度是经过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。假设烟道浊输过程中的变化大小来检测的。假设烟道浊度添加，光源发出的光被烟尘颗粒吸收和折度添加，光源发出的光被烟尘颗粒吸收和折射添加，到达光检测器的光减少，因此光检射添加，到达光检测器的光减少，因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。化。 第第1010章章

45、 光电测量技术光电测量技术 2 灯光亮度自动控制器灯光亮度自动控制器 灯光亮度控制器可按照环境光照强度自动调理灯光亮度控制器可按照环境光照强度自动调理白炽灯或荧光灯的亮度，从而使室内的照明自动坚白炽灯或荧光灯的亮度，从而使室内的照明自动坚持在最正确形状，防止人们产生视觉疲劳。持在最正确形状，防止人们产生视觉疲劳。 控制器主要由环境光照检测电桥、放大器、积控制器主要由环境光照检测电桥、放大器、积分器、比较器、过零检测器、锯齿波构成电路、双分器、比较器、过零检测器、锯齿波构成电路、双向晶闸管等组成。过零检测器对向晶闸管等组成。过零检测器对50Hz市电电压的每市电电压的每次过零点进展检测，并控制锯齿波构成电路次过零点进展检测，并控制锯齿波构成电路,使其产使其产生与市电同步的锯齿波电压，该电压加在比较器的生与市电同步的锯齿波电压，该电压加在比较器的同相输入端。同相输入端。 由光敏电阻与电阻组成的电桥将环境光照的变由光敏电阻与电阻组成的电桥将环境光照的变化转换成直流电压的变化，该电压经放大并由积分化转换