传感器与检测技术3光电传感器

1、传感器与检测技术传感器与检测技术第四章光电传感器第四章光电传感器王宏王宏2013年09月1364053525713640535257http:/光电器件光电器件 2红外线传感器红外线传感器3光纤传感器光纤传感器 4光电传感器应用案例光电传感器应用案例5光电效应光电效应1http:/ 将光量转换为电量的器件称为将光量转换为电量的器件称为光电传感器光电传感器或光电元件。或光电元件。光电式传感器的工作原理是：光电式传感器的工作原理是：首先首先把被测量的变化转换成把被测量的变化转换成光信号的变化光信号的变化，然后通过，然后通过光电转换元件光电转换元件变换成电信号变换成电信号光电传感器的工作基础是光电传

2、感器的工作基础是光电效应光电效应光电效应光电效应1http:/4.1.1 4.1.1 外光电效应外光电效应 光电效应按其作用原理可分为光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应外光电效应和内光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。电效应。 基于外光电效应的光电器件有基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管等。等。 我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定)s s)(J106.626h -

3、134-光光的的频频率率（为为普普朗朗克克常常数数式式中中： hEhttp:/电电子子逸逸出出速速度度。电电子子质质量量式式中中：-u -m 002021Amuh 若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A A0 0时时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。，电子就逸出物体表面，产生电子发射。 故要使一个电子逸出，则光子能量故要使一个电子逸出，则光子能量hh必须超出逸出功必须超出逸出功A A0 0 ，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即( (爱因斯坦爱因斯坦光电效应方程光电效应方程) )http:/4.

4、1.2 4.1.2 内光电效应内光电效应 受光照的物体受光照的物体导电率发生变化导电率发生变化，或，或产生光生电动势产生光生电动势的效应叫的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。 1 1）光电导效应光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻光敏电阻等。等。 2 2）光生伏特效应光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方

5、。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电光电池和光敏晶体管池和光敏晶体管等。等。http:/ 在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应。 具有该效应的材料有具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓化镓等。等。 例如，当一定波长的光照射例如，当一定波长的光照射PNPN结时，就产生电子结时，就产生电子- -空空穴对，在穴对，在PNPN结内电场的作用下，空穴移向结内电场的作用下，空穴移向P P

6、区，电子移向区，电子移向N N区，于是区，于是P P区和区和N N区之间产生电压，即光生电动势。区之间产生电压，即光生电动势。 利用该效应可制成各类利用该效应可制成各类光电池光电池。 http:/光电管和光电倍增管同属于用外光电效应制成的光电转换器件光电管和光电倍增管同属于用外光电效应制成的光电转换器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管光电器件光电器件 24.2.1 光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管http:/光电管的结构示意图光电管的结构示意图 光光阳极阳极光电阴极光电阴极光窗光窗1.1.光电管光电管 光电管有光电管有真空光电管和充气光电管真空光电管和充气光电管，或称电子光电管和离子，或称

7、电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳光电管两类。两者结构相似，如图。它们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。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。圆形，置于玻璃管的中央。http:/普通光电管普通光电管 在一个真空泡内装有两个电极：光电在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。阴极和光电阳极。 光电阴极通常是用逸出功小的光敏材光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内

8、壁上做成，其感光面对料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。准光的照射孔。 当光线照射到光敏材料上，便有电子当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。路就产生电流。http:/光电管的符号和电路光电管的符号和电路http:/2. 2. 光电倍增管光电倍增管由于真空光电管的由于真空光电管的灵敏度较低，灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增因此人们便研制了光电倍增管，其工作原理如图。管，其工作原理如图。http:/ 入射光光电阴极第一倍增极阳极

9、第三倍增极光电倍增管的光电倍增管的工作原理工作原理 光电倍增管由光电倍增管由光阴极、光阴极、次阴极次阴极( (倍增电极倍增电极) )以及以及阳极阳极三部分组三部分组成。光阴极是由半导体光电材料成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做锑铯做成；次阴极是在成；次阴极是在镍或铜镍或铜- -铍铍的衬底上涂上的衬底上涂上锑铯材料锑铯材料而形成的，次阴极多的可达而形成的，次阴极多的可达3030级；阳极级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的10105 510108 8倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。倍。即光电倍增管的放大

10、倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍高几万倍到几百万倍。因此。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。http:/主要参数主要参数倍增系数倍增系数 M M niM电流放大倍数电流放大倍数niiI M M与所加电压有关，一般在与所加电压有关，一般在10105 510108 8之间。一般之间。一般阳极和阴极的电压为阳极和阴极的电压为1000V1000V2500V2500V，两个相邻的倍，两个相邻的倍增电极的电压差为增电极的电压差为50V50V100V100V。http:/4.2.

11、2 4.2.2 光敏电阻光敏电阻 光敏电阻又称光导管，光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件为纯电阻元件，其工作原理是基于，其工作原理是基于光电导效应，其光电导效应，其阻值随光照增强而减小阻值随光照增强而减小。 优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机优点：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。械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。 不足：需要外部电源，有电流时会发热。不足：需要外部电源，有电流时会发热。http:/1-1-光导层光导层; ; 2-2-玻璃窗口玻璃窗口; ; 3-3-金属外壳金属外壳; ; 4-4-电极电极

12、; ;5-5-陶瓷基座陶瓷基座; ; 6-6-黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃; ; 7-7-电阻引线。电阻引线。6(a)结构结构 (b)电极电极 (c)符号符号光敏电阻的结构和符号光敏电阻的结构和符号123457RGhttp:/光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数 暗电阻：暗电阻：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流称为暗电流。下流过的电流称为暗电流。 亮电阻：亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光

13、照下的亮电阻。此时流过的电流称为该光照下的亮电流。下的亮电阻。此时流过的电流称为该光照下的亮电流。 光电流：光电流：亮电流与暗电流之差。亮电流与暗电流之差。http:/4.2.3 4.2.3 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管http:/ 光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A A，B B，C C，D D四类；硅光敏二极管四类；硅光敏二极管有有2CU1A2CU1AD D系列、系列、2DU12DU14 4系列。系列。 光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PNPN结结装在管顶，

14、可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于装在管顶，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反向工作状态态，如图所示。，如图所示。PN光光敏二极管符号光敏二极管符号光光光敏二极管接线光敏二极管接线RL PN1.1.光敏二极管光敏二极管http:/ 光敏三极管有光敏三极管有PNPPNP型和型和NPNNPN型两种，如图。其结构与一般型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有三极管很相似，具有电流增益电流增益, ,只是它的发射极一边做的很只是它的发射极一边做的很大大, ,以扩大光的照射面积以扩大光的照射面积, ,且其且其基极不接引线基极不接引线。当集电极加上。当集电极加上正电压

15、正电压, ,基极开路时基极开路时, ,集电极处于反向偏置状态。集电极处于反向偏置状态。PPNNNPe b bc RL Eec2.2.光敏三极管光敏三极管http:/光敏三极管的结构和电路光敏三极管的结构和电路http:/ 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。 由于它可把太阳能直接变电能，又称为由于它可把太阳能直接变电能，又称为太阳能电池太阳能电池。它是发电式有源元。它是发电式有源元件。它有较大面积的件。它有较大面积的PNPN结，当光照射在结，当光照射在PNPN结上时，在结的两端出现电动势。结上时，在结的两端出现电动势。 命名方式命

16、名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池之前。如，硒光电把光电池的半导体材料的名称冠于光电池之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前, ,应用最广、最有发展前途的是硅光电应用最广、最有发展前途的是硅光电池。池。.4光电池光电池光光+PNSiO2RLI光 P Nhttp:/硅光电池的结构如图所示。它是在一块硅光电池的结构如图所示。它是在一块N N型硅片上用扩散的办型硅片上用扩散的办法掺入一些法掺入一些P P型杂质型杂质( (如硼如硼) )形成形成PNPN结。结。当光照到当光照到PNPN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出结

17、区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子电子- -空穴对，在空穴对，在N N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P P区聚积正电荷，这样区聚积正电荷，这样N N区和区和P P区之间出现电位差区之间出现电位差. .1. 1. 工作原理工作原理+光光PNSiO2RL(a) 光电池的结构图光电池的结构图I光(b) 光电池的工作原理示意图光电池的工作原理示意图 P Nhttp:/IUIdUIRLI(a)(b)(c)光电池符号和基本工作电路光电池符号和基本工作电路2. 2. 光电池的表示符号及电路光电池的表示符号及电路 光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。光电池的表示符号、基本电路及等效电路如

18、图所示。http:/4.2.5 4.2.5 光电器件的特性光电器件的特性1 1、光照特性、光照特性在光电器件上加一定电压时，光电流与光通量之间的对应关系。在光电器件上加一定电压时，光电流与光通量之间的对应关系。光电倍增管的光照特性光电倍增管的光照特性光通量/1m与直线最大偏离是3%10131010109107105103101在45mA处饱和10141010106102阳极电流/ Ahttp:/光电管的光照特性光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/ A1.02.51 曲线曲线1 1表示氧铯阴极光电管的光照表示氧铯阴极光电管的光照特性。特性。 曲线曲线2 2为锑铯

19、阴极的光电管光照特为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。性，它成非线性关系。http:/012345I/mA L/lx10002000 下图表示下图表示CdSCdS光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。作光电开关。h

20、ttp:/光敏晶体管的光照特性光敏晶体管的光照特性I / AL/lx200400600800100001.02.03.0 光敏晶体管光敏晶体管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流的输出电流 I I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大性关系。当光照足够大( (几几klx)klx)时，会出现饱和现象，从而时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。http:/L/klx L/klx 5432

21、0.40.5246810开路电压Uoc /V0.4 012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅光电池硅光电池(b)硒光电池硒光电池开路电压短路电流短路电流开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx2000lx时趋时趋向饱和。向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线http:/2 2、光谱特性、光谱特性入射光波与光电器件相对灵敏度或相对光电流间的关系。入射光波与光电器件相对灵敏度或相对光电流间的关系。 光谱特性与光电器件

22、的材料有关。光谱特性与光电器件的材料有关。 硫化铅硫化铅光敏电阻光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。204060801004080120160200240/m312相对灵敏度1-1-硫化镉硫化镉2-2-硒化镉硒化镉3-3-硫化铅硫化铅http:/相对灵敏度/%硅锗入射光/40008000120001600010080604020 0硅的峰值波长为硅的峰值波长为90009000，锗的峰值波长为锗的峰值波长为1500015000。由于锗管的暗电流比硅管由于

23、锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时但对红外线进行探测时, ,则采用锗管较合适。则采用锗管较合适。 光敏三极管光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。相对灵敏度要下降。http:/204060801001.01.20.2I / %12/m1-1-硒光电池硒光电池2-2-硅光电池硅光电池 光电池的光谱特光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光

24、电池在可见光谱性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm540nm附近，适宜测可见光。硅光电附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围池应用的范围400nm1100nm400nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850nm850nm附近，因此硅光电池可附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。以在很宽的范围内应用。http:/3、伏安特性、伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件两端所加电压与光电流之间的关系称在一定的光照射下，对光电器件两端所加电压与光电流之间的关系称为光电器件的伏安特性。为光电器件的伏安特性。5020

25、lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压阳极与末级倍增极间的电压/VIA/ A光电管的伏安特性光电管的伏安特性 光电管的伏安特性如图所示光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的。它是应用光电传感器参数的主要依据。主要依据。http:/5010015020012U/V02040I/ A 图中曲线图中曲线1 1、2 2分别表示照度为分别表示照度为零零及照度为及照度为某值某值时的伏安特性。时的伏安特性。 由曲线可知，在给定偏压下由曲线可知，在给定偏压下, ,光照度较大，光电流也越大。在光照度较大，光电流也越大。在一定的光照

26、度下，所加的电压越一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现大，光电流越大，而且无饱和现象。象。光敏电阻伏安特性光敏电阻伏安特性http:/0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性光敏晶体管的伏安特性 U/V 光敏三极管光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。的伏安特性曲线如图所示。 光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e e与基极

27、与基极b b之间之间的的PNPN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。http:/ 伏安特性可以帮助我们确定伏安特性可以帮助我们确定光敏元件的负载电阻，设计应用光敏元件的负载电阻，设计应用电路。电路。 光电池的伏安特性光电池的伏安特性http:/20406080100I / %f / Hz010102103104硫化铅硫化铅硫化镉硫化镉 4 4、频率特性、频率特性 光敏电阻的频率特性光敏

28、电阻的频率特性 材料特性不同，所以它们的频率特材料特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。用在要求快速响应的场合。光电器件输出电流或灵敏度与入射光线的频率之间的关系。光电器件输出电流或灵敏度与入射光线的频率之间的关系。http:/ 光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性曲线如图所示。曲线如图所示。 光敏三极管的频率特性受光敏三极管的频率特性受负载电阻负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频的影响，减小负载电

29、阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差二极管差。对于锗管，。对于锗管，入射光的调制频率要求在入射光的调制频率要求在5 5k kHzHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。以下。硅管的频率响应要比锗管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率 / HZ相对灵敏度/%光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性http:/204060801000I / %1234512f / kHz1-1-硒光电池硒光电池2-2-硅光电池硅光电池 光电池的频率特性光电池的频率特性

30、 由于光电池由于光电池PNPN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线曲线2 2，而硒光电池则较差，如曲线，而硒光电池则较差，如曲线1 1。http:/I / A100150200-50-1030 5010-30T / C2040608010001.02.03.06.0/mI/mA+20 C+20 C-20 C-20 C5 5、温度特性、温度特性 光电器件的性能光电器件的性能( (灵敏度、暗电阻灵敏度、暗电阻) )受

31、温度的影响较大。这种特性称受温度的影响较大。这种特性称温度特性。温度特性。 光敏电阻光敏电阻随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I I和温度和温度T T的关系如图所示。的关系如图所示。http:/暗电流/mA光电流/mA10 20 30 40 50 60 70T /C25 050100 02003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶体管的温度特性光敏晶体管的温度特性 光敏三极管光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电

32、的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，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行温度补偿，否则将会导致输出误差。路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。http:/2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200U UOCOC- -开路电压开路电压I ISC SC - -短路电流短路电流硅光电池在硅光电池在1000lx1000lx照照度下的温度特性曲线度下的

33、温度特性曲线 光电池的温度特性光电池的温度特性 由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。措施。http:/不同光电器件的响应时间有所不同。光敏电阻较慢，约为不同光电器件的响应时间有所不同。光敏电阻较慢，约为（10101 11010）s s，一般不能用于要求快速响应的场合

34、。，一般不能用于要求快速响应的场合。 工业用的硅光敏二极管的响应时间为（工业用的硅光敏二极管的响应时间为（10105 5 10 107 7）s s左右。左右。 光敏三极管的响应时间比二极管约慢一个数量级，在要求光敏三极管的响应时间比二极管约慢一个数量级，在要求快速响应或入射光、调制光频率较高时应选用硅光敏二极管。快速响应或入射光、调制光频率较高时应选用硅光敏二极管。 6 6、响应时间、响应时间http:/红外线传感器红外线传感器3http:/ 凡是存在于自然界的物体，例如人体、火焰甚至于冰都会放射出红外凡是存在于自然界的物体，例如人体、火焰甚至于冰都会放射出红外线，只是其发射的红外线的波长不同

35、而已。线，只是其发射的红外线的波长不同而已。 人体的温度为人体的温度为36363737，所放射的红外线波长为，所放射的红外线波长为9 9lOmlOm( (属于远红外属于远红外线区线区) )，加热到，加热到400400700700的物体，其放射出的红外线波长为的物体，其放射出的红外线波长为3 35m5m( (属于属于中红外线区中红外线区) )。红外线传感器可以检测到这些物体发射出的红外线，用于测。红外线传感器可以检测到这些物体发射出的红外线，用于测量、成像或控制。量、成像或控制。 用红外线作为检测媒介，来测量某些非电量，比可见光作为媒介的检用红外线作为检测媒介，来测量某些非电量，比可见光作为媒介

36、的检测方法要好。测方法要好。 http:/4.3.1 红外辐射红外辐射 红外线也称红外光或红外辐射，它是一种电磁波，其波长范围在电磁波红外线也称红外光或红外辐射，它是一种电磁波，其波长范围在电磁波谱中的位置如图所示。由图可见，它是波长位于可见光和微波之间的一种不谱中的位置如图所示。由图可见，它是波长位于可见光和微波之间的一种不可见光。可见光。 红外光的最大特点是具有光热效应，能红外光的最大特点是具有光热效应，能辐射热量辐射热量，它是光谱中最大光热，它是光谱中最大光热效应区。效应区。 http:/红外光检测的优越性红外光检测的优越性 1 1可昼夜测量可昼夜测量 红外线红外线( (指中、远红外线指

37、中、远红外线) )不受周围可见光的影响，故可在昼不受周围可见光的影响，故可在昼夜进行测量。夜进行测量。 2 2不必设光源不必设光源 由于待测对象发射出红外线，故不必设光源。由于待测对象发射出红外线，故不必设光源。 3 3适用于遥感技术适用于遥感技术 大气对某些特定波长范围的红外线吸收甚少大气对某些特定波长范围的红外线吸收甚少(2(22.6m2.6m，3 35m5m，8 814m14m三个波段称为三个波段称为“大气窗口大气窗口”) )，故适用于遥感技术。，故适用于遥感技术。 http:/4.3.2 红外探测器红外探测器红外探测器由红外探测器由光学系统，敏感元件，前置放大器、信号调制器光学系统，敏

38、感元件，前置放大器、信号调制器组成，组成，光学系统是其重要组成部分，根据光学系统的结构分为光学系统是其重要组成部分，根据光学系统的结构分为反射式反射式和和透透射式射式两种。两种。（1 1）反射式红外探测器）反射式红外探测器1.浸没透镜 2.敏感元件 3.前置放大器 5.次反射镜 6. 主反射镜 http:/（2 2）透射式红外探测器）透射式红外探测器1.光谱 2.保护窗口 3.光栅 4.透镜 5.浸没透镜 6. 敏感元件 7.前置放大器 http:/4.3.3 4.3.3 红外传感器应用红外传感器应用 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。当物体红外测温仪是利用热辐射体在红外

39、波段的辐射通量来测量温度。当物体温度低于温度低于10001000时，他向外辐射的不再是可见光而是红外光，可用红外探时，他向外辐射的不再是可见光而是红外光，可用红外探测器检测其温度测器检测其温度1 1、红外线测温仪、红外线测温仪http:/http:/http:/2、红外线气体分析仪、红外线气体分析仪红外气体分析仪红外气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性吸收的特是根据气体对红外线具有选择性吸收的特性来对气体成分进行分析。不同的气体的吸收波段不同。性来对气体成分进行分析。不同的气体的吸收波段不同。http:/1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

40、测器 9放大器http:/3、红外无损探伤仪、红外无损探伤仪http:/这些是现在无损探伤技术的仪器、电脑软件及在电脑中的红外无损探伤的显示。http:/http:/光纤传感器能抗电磁干扰；安全；灵巧轻便；使用方便光纤传感器能抗电磁干扰；安全；灵巧轻便；使用方便光纤传感器光纤传感器 4http:/4.4.1 4.4.1 光纤传感器概述光纤传感器概述 将光源入射的光束经由光纤送入调制区将光源入射的光束经由光纤送入调制区, ,在调制区内在调制区内, ,外界被测参外界被测参数与进入调制区的光相互作用使光的性质如数与进入调制区的光相互作用使光的性质如强度、波长、频率、相位、强度、波长、频率、相位、偏振

41、态偏振态等发生变化成为被调制的信号光，再经过光纤送入光敏器件、解等发生变化成为被调制的信号光，再经过光纤送入光敏器件、解调器而获得被测参数。调器而获得被测参数。http:/光纤传感器的分类光纤传感器的分类光纤传感器按照光纤的使用方式可分为功能型传感器和非功能型传光纤传感器按照光纤的使用方式可分为功能型传感器和非功能型传感器。感器。 功能型传感器是利用光纤本身的特性随被测量发生变化，利用光纤功能型传感器是利用光纤本身的特性随被测量发生变化，利用光纤作为敏感元件，又称为传感型光纤传感器。作为敏感元件，又称为传感型光纤传感器。 非功能型传感器是利用其他敏感元件来感受被测量变化，光纤仅作非功能型传感器

42、是利用其他敏感元件来感受被测量变化，光纤仅作为光的传输介质，也称为传光型光纤传感器或称混合型光纤传感器。为光的传输介质，也称为传光型光纤传感器或称混合型光纤传感器。功能型功能型(FF):(FF):传光且敏感传光且敏感( (传感型传感型) )非功能型非功能型(NFF):(NFF):只传光只传光.(.(传光型传光型) )http:/光纤传感器结构光纤传感器结构http:/光导纤维是用比头发丝还细的石英玻璃制成的，每根光光导纤维是用比头发丝还细的石英玻璃制成的，每根光纤由圆柱形的内芯和包层组成。内芯的折射率略大于包层纤由圆柱形的内芯和包层组成。内芯的折射率略大于包层的折射率。的折射率。 光是直线传播

43、的。然而入射到光纤中的光线却能限制光是直线传播的。然而入射到光纤中的光线却能限制在光纤中，而且随着光纤的弯曲而走弯曲的路线，并能传在光纤中，而且随着光纤的弯曲而走弯曲的路线，并能传送到很远的地方去。送到很远的地方去。 光纤的直径比光的波长大很多，可以用几何光学的方光纤的直径比光的波长大很多，可以用几何光学的方法来说明光在光纤中的传播。法来说明光在光纤中的传播。光纤传感元件光纤传感元件http:/4.4.2 光导纤维的结构和传输原理光导纤维的结构和传输原理1 1、光纤的结构、光纤的结构http:/http:/2 2、光纤的传输原理、光纤的传输原理http:/（1 1）数值孔径：）数值孔径： 无论

44、光源发射功率有多大，只有无论光源发射功率有多大，只有22张角之内的光功率张角之内的光功率能被光纤接收。角能被光纤接收。角22与光纤内芯和包层材料的折射率有关与光纤内芯和包层材料的折射率有关，我们将，我们将的正弦定义为光纤的数值孔径（的正弦定义为光纤的数值孔径（NANA）。）。一般希望有大的数值孔径一般希望有大的数值孔径, ,以利于耦合效率的提高以利于耦合效率的提高, ,但但数值孔径越大数值孔径越大, ,光信号畸变就越严重光信号畸变就越严重, ,所以要适当选择。所以要适当选择。 212221)(sinnnNA http:/ 0212221)(nndv （2）光纤模式光纤模式简单地说就是光波沿光纤

45、传输的途径和方式。光纤模式简单地说就是光波沿光纤传输的途径和方式。 多模光纤中，同一光信号采用很多模式传输，会使这一光信号分裂为多模光纤中，同一光信号采用很多模式传输，会使这一光信号分裂为不同时间到达接收端的多个小信号，导致合成信号畸变。不同时间到达接收端的多个小信号，导致合成信号畸变。 希望模式数量越少越好，尽可能在单模方式下工作，即单模光纤。阶希望模式数量越少越好，尽可能在单模方式下工作，即单模光纤。阶跃型的圆筒光纤内传播的模式数量可简单表示为：跃型的圆筒光纤内传播的模式数量可简单表示为：http:/光纤传感器的种类很多，工作原理也各不相同，但都离不开光纤传感器的种类很多，工作原理也各不相

46、同，但都离不开光的调制和解调两个环节。光的调制和解调两个环节。 光调制就是把某一被测信息加载到传输光波上。光调制就是把某一被测信息加载到传输光波上。 承载了被测信息的已调制光，传输到光探测系统后再经解承载了被测信息的已调制光，传输到光探测系统后再经解调，便可获得所需的该被测信息。调，便可获得所需的该被测信息。 常用的光调制方法有强度调制、相位调制、频率调制、偏常用的光调制方法有强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制等几种。振调制等几种。 4.4.3 4.4.3 常用光纤传感器常用光纤传感器http:/ 1. 光纤压力传感器http:/2. 光纤血流传感器http:/光电传感器应用案例光电传感器应用案例5http:/220VC1路灯CJD-108V200F200FC2C3100FR1R3R5R7R4R6R7R2J470k200k10k6 . 3 kBG1280k25k57k10kBG2BG3BG42CR6.5.1 路灯自动控制器路灯自动控制器http:/6.5.2 6.5.2 光电式数字转速表光电式数字转速表http:/ 6.5.3 6.5.3 物体长度及运动速度的检测物体长度及运动速度的检测http