ch4光电与光纤传感器

1、第第4 4章章 光电式传感器原理与应用光电式传感器原理与应用第一节第一节 光电传感器光电传感器第二节第二节 光纤传感器光纤传感器6/27/20222 光电传感器光电传感器是利用光敏元件将是利用光敏元件将光信号光信号转换为电信号转换为电信号的装置。的装置。 使用它测量非电量时，首先将这些非电物理量的变使用它测量非电量时，首先将这些非电物理量的变化转换成光信号的变化，再由光电传感器将光信号的变化转换成光信号的变化，再由光电传感器将光信号的变化转变为电信号的变化。化转变为电信号的变化。 光电传感器的这种测量方法具有光电传感器的这种测量方法具有结构简单、非接触、结构简单、非接触、高可靠、高精度和反应速

2、度快高可靠、高精度和反应速度快等特点。等特点。6/27/20223光波光波： 波长为波长为101010106 6nmnm的电磁波的电磁波可见光可见光：波长：波长380780nm380780nm紫外线紫外线：波长：波长10380nm10380nm， 波长波长300380nm300380nm称为近紫外线称为近紫外线 波长波长200300nm200300nm称为远紫外线称为远紫外线 波长波长10200nm10200nm称为极远紫外线，称为极远紫外线，红外线红外线：波长：波长78010780106 6nmnm 波长波长3m3m（即（即3000nm3000nm）以下的称近红外线）以下的称近红外线 波长超

3、过波长超过3m 3m 的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。光谱分布如图所示。补充：光谱补充：光谱6/27/20224远紫外远紫外近紫外近紫外可见光可见光近红外近红外远红外远红外极远紫外极远紫外0.010.11100.050.55波长波长/mm频率频率/Hz10155101410145101351015101631018光 的 波 长 与 频 率 的 关 系 由 光 速 确 定 ， 真 空 中 的 光 速光 的 波 长 与 频 率 的 关 系 由 光 速 确 定 ， 真 空 中 的 光 速c c=2.99793=2.9979310101010cm/scm/s，通常，通

4、常c c3310101010cm/scm/s。光的波长。光的波长和和频率频率的关系为的关系为 的单位为的单位为HzHz，的单位为的单位为cmcm。 =31010cm / s补充：光谱补充：光谱6/27/20225发光范围：发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。件都能和它配合接收到光信号。特点：特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收寿命短而且发热大、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。光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘

5、钨灯，其在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。体积较小，光效高，寿命也较长。 常见的光源常见的光源1 1、钨丝白炽灯、钨丝白炽灯 6/27/20226 电流流经气体或金属蒸气，使之放电而发光，利用这种原电流流经气体或金属蒸气，使之放电而发光，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。理制成的光源称为气体放电光源。 其光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。其光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。 低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯统称为光谱灯，常用低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯统称为光谱灯，常用作单色光源。还有氙灯。作单色光源。还有氙

6、灯。 经常用作光电检测仪器的单色光源。经常用作光电检测仪器的单色光源。2 2、气体放电光源、气体放电光源常见的光源常见的光源6/27/20227常见的光源常见的光源2 2、气体放电光源、气体放电光源6/27/20228 什么是电致发光器件？什么是电致发光器件？ 固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件。的器件称为电致发光器件。 哪些器件属于电致发光器件？哪些器件属于电致发光器件？ 主要有发光二极管、半导体激光器、电

7、致发光屏等。主要有发光二极管、半导体激光器、电致发光屏等。3 3、电致发光器件、电致发光器件常见的光源常见的光源6/27/20229目前，高亮度目前，高亮度LEDLED主要用途及市场有显示器背光源（如手机、主要用途及市场有显示器背光源（如手机、PDAPDA）、标志（如户外显示）、景观照明、汽车、电子设备、）、标志（如户外显示）、景观照明、汽车、电子设备、交通信号灯及照明等。交通信号灯及照明等。 常见的光源常见的光源6/27/20221019601960年，美国科学家梅曼制成了世界第一台红宝石激光器，年，美国科学家梅曼制成了世界第一台红宝石激光器，它能产生频率单一、方向性好、能量集中的光它能产生

8、频率单一、方向性好、能量集中的光激光。激光。常见的光源常见的光源6/27/202211一、光电效应一、光电效应第一节第一节 光电传感器光电传感器 19051905年德国物理学家年德国物理学家爱因斯坦爱因斯坦用用光量子学说解释了光电发射效应，光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得并为此而获得19211921年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖。学奖。 光电效应：光电效应：当采用光照射某一当采用光照射某一物体时，该物体就受到一连串能物体时，该物体就受到一连串能量为量为hh的光子轰击，其内部电子的光子轰击，其内部电子获得能量并释放出来的现象。获得能量并释放出来的现象。6/27/202212一、一、 光电

9、效应光电效应外光电效应：外光电效应：在光辐射的作用下，电子从物体表面逸出的在光辐射的作用下，电子从物体表面逸出的物理现象，被释放出来的电子，逸出受光物体表面，在空间形物理现象，被释放出来的电子，逸出受光物体表面，在空间形成电位。成电位。外光电效应符合爱因斯坦公式：外光电效应符合爱因斯坦公式：212hmvA式中式中h h 普朗克常数普朗克常数 光的频率光的频率) sJ (10626. 634h6/27/202213 内光电效应：内光电效应：在当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变在当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象。它多发生于半导体内。根据工作化，或产生光生电动势的

10、现象。它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为原理的不同，内光电效应分为光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应两类：两类：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合状态过渡到自由状在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。态，而引起材料电导率的变化的现象。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向的电动势的现象。在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。一、一、 光电效应光电效应6/27/202214光电管当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，当阴极受到适当波长的光

11、线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。在外电路中便产生了电流。二、二、 光电器件光电器件6/27/202215真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差 6

12、/27/202216二、 光电器件光电倍增管光电倍增管在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电流光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极组成：光电阴极+若干倍增极若干倍增极+阳极阳极 6/27/202217光电倍增管的结构与工作原理 光电阴极光电倍增极阳极倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射 二次电子发射系数=二次发射电子数入射电子数若倍增极有n，则倍增率为n6/27/202218二、二、 光电器件光电器件（一）半导体光敏器件（一）半导体光敏器

13、件1 1 光敏电阻光敏电阻 A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬底引线电极引线光敏电阻6/27/2022191 1 光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到光照当光敏电阻受到光照时，光生电子时，光生电子空穴对空穴对增加，阻值减小，电流增加，阻值减小，电流增大。增大。 光敏电阻具有很高光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。因此应用比较广泛。 6/27/202220光敏电阻的主要参数（1）暗电阻和暗电

14、流）暗电阻和暗电流光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值称为暗电阻，电流称为暗电流。（2）亮电阻和亮电流）亮电阻和亮电流光敏电阻在某一光照下的阻值称为该光照下的亮电阻，电流称为亮电流。（3）光电流）光电流亮电流和暗电流之差称为光电流。光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，性能越好。暗电流小、光电流大的光敏电阻的灵敏度越高。6/27/2022211.2光敏电阻的基本特性 （1 1）伏安特性）伏安特性 （2 2）光照特性）光照特性（3 3）光谱特性）光谱特性（4 4）响应时间和频率特性）响应时间和频率特性（5 5）温度特性）温度特性6/27/202222（1）伏安特性 在一定照度下，光

15、敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系 在给定的偏压情况下，光照度越在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。等因素有关。6/27/202223 （2）光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系。光敏电阻的光电流与光强之间的关系。 由于光敏电阻的光照特由于

16、光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜性呈非线性，因此不宜作为测量元件，作为测量元件，一般在自动控制系统中一般在自动控制系统中常用作常用作开关式光电信号开关式光电信号传感元件。传感元件。 6/27/202224（3）光谱特性 光敏电阻对不同光敏电阻对不同波长的光，灵敏波长的光，灵敏度是不同的。度是不同的。 选用光敏电阻时，选用光敏电阻时，应该根据应该根据光源考光源考虑虑，才能得到较，才能得到较好的效果。好的效果。 6/27/202225 （4）响应时间 光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。间上有一个滞后。 通常用响应时间

17、通常用响应时间t表示。表示。 6/27/202226光敏电阻的频率特性 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。的频率特性也就不尽相同。 6/27/202227（5）温度特性 光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。暗电阻和灵敏度都下降。 硫化镉光敏电阻的温度特性硫化镉光敏电阻的温度特性 121212%100)(CRTTRR温度系数温度系数: 在一定光照下，温度每变化在一定光照下，温度每变化1，光敏电阻阻值的平均变化率光敏电阻阻值的平均变化率 6/2

18、7/202228温度对光谱特性影响 随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 6/27/2022292 2 光电池光电池 光电池是利用光生伏特效应直接把光能转变成电能的器件，光电池是利用光生伏特效应直接把光能转变成电能的器件，又称为又称为太阳能电池太阳能电池。硅光电池是用单晶硅制硅光电池是用单晶硅制成，在一块成，在一块N N型硅片上用型硅片上用扩散的方法掺入一些扩散的方法掺入一些P P型型杂质

19、而形成一个大面积杂质而形成一个大面积的的P-NP-N结，结，P P层做得很薄，层做得很薄，从而使光线能穿透照到从而使光线能穿透照到P P-N-N结上。结上。6/27/202230当光照到当光照到PNPN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子激发出电子- -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，区聚积正电荷，这样这样N N区和区和P P区之间出现电位差区之间出现电位差光生电动势光生电动势。 工作原理：工作原理：2 2 光电池光电池6/27/202231 硅光电池价格便宜，硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，

20、适于接受红外光转换效率高，寿命长，适于接受红外光。 硒光电池光电转换效率低硒光电池光电转换效率低(0.02(0.02) )、寿命短，适于接收可见、寿命短，适于接收可见光光( (响应峰值波长响应峰值波长0.56m)0.56m)，最适宜制造照度计最适宜制造照度计。 砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，因此，它在宇宙飞船、卫太阳光谱最吻合。且工作温度最高，因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。目前，应用最广、最有发展前途的是目

21、前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池硅光电池。2 2 光电池光电池6/27/202232 光谱特性光谱特性：光电池的光谱特性取决于：光电池的光谱特性取决于材料材料。 硒光电池在可见光谱硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，范围内有较高的灵敏度，峰值波长在峰值波长在500nm500nm附近，附近，适宜测可见光。适宜测可见光。 硅光电池应用的范围硅光电池应用的范围4 400nm1200nm00nm1200nm，峰值波长，峰值波长在在800nm800nm附近，因此可在附近，因此可在很宽的范围内应用。很宽的范围内应用。光电池的选用与光源结合；其光谱特性峰值与使用温度有关。光电池的选用与光源结合；其

22、光谱特性峰值与使用温度有关。2 2 光电池光电池6/27/2022332.1 基本特性(1) 光谱特性(2) 光照特性(3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性6/27/202234 （1）光谱特性 光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的. 6/27/202235(2)光照特性 不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。 短路电流与光照度短路电流与光照度成线性关系；开路成线性关系；开路电压与光照度是非电压与光照度是非线性的。线性的。光电池作为测量元光电池作为测量元件使用时，应把它件使用时，应把它当作当作电流源电流源的形式的形式来使用。来使用。 6

23、/27/202236负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽。而且线性范围越宽。 6/27/202237(3)频率响应 指输出电流随调制光频率变化的关系。指输出电流随调制光频率变化的关系。 硅光电池具有较硅光电池具有较高的频率响应高的频率响应,用用于高速计数的光于高速计数的光电转换。电转换。 6/27/202238 (4)温度特性 开路电压和短路电开路电压和短路电流随温度变化的关流随温度变化的关系。系。 关系到应用光电池关系到应用光电池的仪器的温度漂移，的仪器的温度漂移，影响到测量精度或影响到测量精度或控制精度等重要指控制精度等重要指

24、标标。 硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性(照度照度1000lx)6/27/202239 (5)稳定性 当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的。光电池的性能是相当稳定的。 硅光电池的性能比硒光电池更稳定。硅光电池的性能比硒光电池更稳定。 影响性能和寿命因素影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺光电池的材料及制造工艺使用环境条件使用环境条件 6/27/2022403 3 光敏二极管光敏二极管 光敏二极管的光敏二极管的P-NP-N结装在管的顶部结装在管的顶部, ,上面有一个透镜制成的窗上面有一个透镜制成的窗口，以便入射

25、光集中在口，以便入射光集中在P-NP-N结；光电二极管使用时往往工作在结；光电二极管使用时往往工作在反反向偏置向偏置状态。状态。6/27/2022414 4 光敏晶体管光敏晶体管 也称光敏三极管，有也称光敏三极管，有PNPPNP型和型和NPNNPN型两种，其结构与一般三型两种，其结构与一般三极管很相似，具有电流增益；只是它的基极极管很相似，具有电流增益；只是它的基极- -集电极结面积很大集电极结面积很大, ,以扩大光的照射面积，且其基极无引出线。以扩大光的照射面积，且其基极无引出线。 当集电极加上正电压，基极开路时，集电结处于反向偏置当集电极加上正电压，基极开路时，集电结处于反向偏置状态。状态

26、。6/27/202242基本特性（1）光谱特性 （2）伏安特性（3）光照特性（4）温度特性（5）频率响应6/27/202243（1）光谱特性 入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降 硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。 6/27/202244（2）伏安特性硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性 6/27/202245 （3）光照特性）光照特性 硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照

27、特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好光敏二极管的光照特性曲线的线性较好 6/27/202246 （4）温度特性 其暗电流及光电流与温度的关系其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。6/27/202247（5）频率响应 具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系。 硅光敏晶体管的频率响应硅光敏晶体管的频率响应 6/27/202248( (二二) ) 基本特性与参数基本特性与参数1.1.光谱响应特性与光谱灵敏度光谱响应特性与光谱灵敏度光电池的光谱响应曲线光电池的光谱响应曲线光敏

28、晶体管的光谱响应曲线光敏晶体管的光谱响应曲线6/27/202249( (二二) ) 基本特性与参数基本特性与参数2.2.光照特性与积分灵敏度光照特性与积分灵敏度光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性012345I/mA L/lx10002000左图表示了在一定外加电压下，左图表示了在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它线均呈非线性。因此它不宜作不宜作定量检测元件定量检测元件，这是光敏电阻，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制的不足之处。一般

29、在自动控制系统中用作光电开关。系统中用作光电开关。6/27/202250( (二二) ) 基本特性与参数基本特性与参数2.2.光照特性与积分灵敏度光照特性与积分灵敏度二极管的光照特性是二极管的光照特性是线性线性适合检测等方面的应用。适合检测等方面的应用。三极管三极管近似线性近似线性，当光照足够大，当光照足够大( (几几klx)klx)时，会出现时，会出现饱和现象饱和现象，因此既可作线性转换元件，也可作开关元件。因此既可作线性转换元件，也可作开关元件。6/27/202251( (二二) ) 基本特性与参数基本特性与参数 光敏电阻的光照特性曲线几乎都是非线性的；光敏电阻的光照特性曲线几乎都是非线性

30、的； 光敏二极管的光照特性一般具有较好的线性；光敏二极管的光照特性一般具有较好的线性； 光敏晶体管在一定的照度范围内，其光照特性也可表现出光敏晶体管在一定的照度范围内，其光照特性也可表现出较好的线性。较好的线性。2.2.光照特性与积分灵敏度光照特性与积分灵敏度6/27/202252( (二二) ) 基本特性与参数基本特性与参数3.3.伏安特性伏安特性0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性U/V6/27/202253二极管的光电流与所加偏压几乎无关二极管的光电流与所加偏压几乎无关恒流源恒流源。三极管的偏压。三极管的偏压对光电

31、流有明显的影响，当光照度保持一定，偏压较小时，光电对光电流有明显的影响，当光照度保持一定，偏压较小时，光电流随着偏压的增大而增大，偏压增大到一定程度时，光电流处于流随着偏压的增大而增大，偏压增大到一定程度时，光电流处于近似饱和状态。近似饱和状态。( (二二) ) 基本特性与参数基本特性与参数6/27/202254( (二二) ) 基本特性与参数基本特性与参数 光敏电阻的伏安特性均有良好的线性关系；在给定的工作光敏电阻的伏安特性均有良好的线性关系；在给定的工作电压下，光照度愈大，光电流愈大；在一定的光照下，所加电压下，光照度愈大，光电流愈大；在一定的光照下，所加电压愈高，光电流愈大。但最高工作电

32、压受允许耗散功率的电压愈高，光电流愈大。但最高工作电压受允许耗散功率的限制；限制； 光敏二极管的伏安特性中，在低反偏电压下，光电流随电光敏二极管的伏安特性中，在低反偏电压下，光电流随电压的变化比较敏感，当反偏电压加大后，光电流几乎与所加压的变化比较敏感，当反偏电压加大后，光电流几乎与所加偏压无关，而仅取决于光照强度；偏压无关，而仅取决于光照强度； 光敏晶体管的伏安特性与光敏二极管相似，但在给定的光光敏晶体管的伏安特性与光敏二极管相似，但在给定的光照下，光电流比同管型的二极管要大上百倍。照下，光电流比同管型的二极管要大上百倍。3.3.伏安特性伏安特性6/27/202255( (二二) ) 基本特

33、性与参数基本特性与参数4.4.频率特性与响应时间频率特性与响应时间频率特性与材料、结构尺寸和使用条件等有关。频率特性与材料、结构尺寸和使用条件等有关。由于光电池由于光电池PNPN结面积较结面积较大，极间电容大，故大，极间电容大，故频频率特性较差率特性较差。硅光电池具有较高的频硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池则率响应，而硒光电池则较差。较差。6/27/202256频率特性受负载电阻的影响频率特性受负载电阻的影响减小负载电阻可以提高频率响减小负载电阻可以提高频率响应。但同时也减小了输出光电信号。应。但同时也减小了输出光电信号。光敏三极管的频率响光敏三极管的频率响应比光电二极管差。应比光电二极

34、管差。对于锗管，入射光的对于锗管，入射光的调制频率要求在调制频率要求在2kHz2kHz以下。硅管的频率响以下。硅管的频率响应要比锗管好。应要比锗管好。4.4.频率特性与响应时间频率特性与响应时间( (二二) ) 基本特性与参数基本特性与参数6/27/202257 1)1)暗电阻、亮电阻、光电流暗电阻、亮电阻、光电流 光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗暗电阻电阻，或，或暗阻暗阻。此时流过的电流称为。此时流过的电流称为暗电流暗电流。例如。例如MG41-21MG41-21型型光敏电阻暗阻大于等于光敏电阻暗阻大于等于0.1M0.1M。 光敏电

35、阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为为亮电阻亮电阻或或亮阻亮阻。此时流过的电流称为。此时流过的电流称为亮电流亮电流。MG4121MG4121型型光敏电阻亮阻小于等于光敏电阻亮阻小于等于1k1k。5.5.暗电流暗电流( (二二) ) 基本特性与参数基本特性与参数6/27/202258 1)1)暗电阻、亮电阻、光电流暗电阻、亮电阻、光电流 亮电流与暗电流之差称为亮电流与暗电流之差称为光电流光电流。 显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏

36、度就高。是说暗电流要小，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏度就高。 5.5.暗电流暗电流( (二二) ) 基本特性与参数基本特性与参数6/27/2022595.5.暗电流暗电流( (二二) ) 基本特性与参数基本特性与参数 温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大。所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行以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿温度补偿，否则将会导致输出误，否则将会导致输出误差。差。光敏三极管的温度特性曲线光敏三极管的温度特性曲线 A A6/27/2022606.6.温度特性温度特性( (二二) ) 基本特性与参数基本特性与参数上图是硫

37、化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。从图中可以看出，上图是硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。从图中可以看出，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，有时为了提它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，有时为了提高灵敏度，或为了能接受远红外光而采取高灵敏度，或为了能接受远红外光而采取降温措施降温措施。 光敏三极管的温度特性曲线光敏三极管的温度特性曲线6/27/202261三、光电传感器的构成三、光电传感器的构成（一）基本组成（一）基本组成 光电传感器主要由光辐射源、光学通路、光电器件以及测量光电传感器主要由光辐射源、光学通路、光电器件以及测量电路等组成。电路等组成。被测的非电量对光通量有两

38、种作用途径：被测的非电量对光通量有两种作用途径： 被测量被测量X X1 1直接对辐射源作用，并使辐射光通量直接对辐射源作用，并使辐射光通量1 1的某一参数发的某一参数发生变化；生变化； 被测量被测量X X2 2作用于光学通路中，对传播过程中的光通量进行调制。作用于光学通路中，对传播过程中的光通量进行调制。6/27/202262（二）光学通路（二）光学通路1.1.光学通路的功能光学通路的功能会聚光束会聚光束 凸透镜凸透镜 准直光束准直光束 凸透镜凸透镜分离光束分离光束 分束镜、分光镜分束镜、分光镜折转光路折转光路 平面镜、棱镜平面镜、棱镜光学扫描光学扫描通过被测目标的运动实现扫描；通过被测目标的

39、运动实现扫描；通过探测器的运动实现扫描；通过探测器的运动实现扫描；通过光学视场的移动实现扫描。通过光学视场的移动实现扫描。6/27/202263（二）光学通路（二）光学通路1.1.光学通路的功能光学通路的功能辐射通量的调制辐射通量的调制 切光片、滤光片切光片、滤光片调制盘的作用：调制盘的作用：1 1使恒稳的光能转变成交变的光能使恒稳的光能转变成交变的光能 2 2产生目标所在空间位置的信号编码产生目标所在空间位置的信号编码3 3空间滤波空间滤波抑制背景的干扰抑制背景的干扰 6/27/202264（二）光学通路（二）光学通路1.1.光学通路的功能光学通路的功能辐射通量的调制辐射通量的调制 切光片、

40、滤光片切光片、滤光片2.2.光学通路的类型光学通路的类型 按其工作的光谱范围分为可见光、红外、紫外光学系统；按其工作的光谱范围分为可见光、红外、紫外光学系统； 按其所用的光学零件分为透镜、反射镜、反射镜按其所用的光学零件分为透镜、反射镜、反射镜- -透镜光学透镜光学系统及应用纤维光学元件的光学系统；系统及应用纤维光学元件的光学系统； 按其构成方式可分为单通道和双通道；按其构成方式可分为单通道和双通道；6/27/202265（二）光学通路（二）光学通路单通道：单通道：辐射光源与光电接收器之间仅有一条光学通道。辐射光源与光电接收器之间仅有一条光学通道。 常应用于当测量对象本身就是辐射光源的情况。常

41、应用于当测量对象本身就是辐射光源的情况。双通道：双通道：常应用于对辐射通量施加的作用是发生在光纤从辐射常应用于对辐射通量施加的作用是发生在光纤从辐射 体到光电接收器件的传播路径上的情况。体到光电接收器件的传播路径上的情况。1 1）空间双光路）空间双光路2 2）时间双光路）时间双光路6/27/202266（三）测量电路（三）测量电路对测量电路的总要求是：对测量电路的总要求是： 能够获得最大的输出信号，最低的噪声和达到最佳匹配。能够获得最大的输出信号，最低的噪声和达到最佳匹配。常用的光电转换电路有：常用的光电转换电路有：1 1、光电开关电路、光电开关电路2 2、交变光照的光电转换电路、交变光照的光

42、电转换电路3 3、直流光照的光电转换电路、直流光照的光电转换电路6/27/202267四、光电传感器的应用四、光电传感器的应用 光电传感器具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和光电传感器具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点响应快等优点，应用广泛。，应用广泛。 可以用来检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光可以用来检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成份分析等，也可以用来检测能转换照度、辐射测温、气体成份分析等，也可以用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速

43、度、加速度，以及物体的形状、工作状态的位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。识别等。 按其输出量的性质可分为按其输出量的性质可分为模拟式光电传感器模拟式光电传感器和和开关式（脉开关式（脉冲式）光电传感器冲式）光电传感器。6/27/202268 模拟式光电传感器模拟式光电传感器：将被测量转换为连续变化的光电流。：将被测量转换为连续变化的光电流。 根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度, ,对气体进行对气体进行成分分析成分分析, ,测定液体

44、中某种物质的含量等。测定液体中某种物质的含量等。四、光电传感器的应用四、光电传感器的应用6/27/202269 模拟式光电传感器模拟式光电传感器：将被测量转换为连续变化的光电流。：将被测量转换为连续变化的光电流。 根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。四、光电传感器的应用四、光电传感器的应用6/27/202270 模拟式光电传感器模拟式光电传感器：将被测量转换为连续变化的光电流。：将被测量转换为连续变化的光电流。 光源发出的光通量经被测物遮去其一

45、部分光源发出的光通量经被测物遮去其一部分, ,使作用在光电使作用在光电元件上的光通量减弱元件上的光通量减弱, ,减弱的程度与被测物在光学通路中的位减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。振动等。四、光电传感器的应用四、光电传感器的应用6/27/202271 模拟式光电传感器模拟式光电传感器：将被测量转换为连续变化的光电流。：将被测量转换为连续变化的光电流。 被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件上，也可被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光

46、电元件上。光电高温计、比色高以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。四、光电传感器的应用四、光电传感器的应用6/27/202272光电转速传感器光电转速传感器透射、反射透射、反射四、光电传感器的应用四、光电传感器的应用6/27/202273红外线辐射温度计：红外线辐射温度计： 红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从

47、度计的温度范围可以从-30-3030003000，中间分成若干个不同的，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。规格，可根据需要选择适合的型号。四、光电传感器的应用四、光电传感器的应用6/27/202274四、光电传感器的应用四、光电传感器的应用6/27/202275耳温仪耳温仪红外线辐射温度计红外线辐射温度计集成集成IC 温度测量温度测量6/27/202276被测物吸收光通量的应用实例被测物吸收光通量的应用实例 光电式浊度计和含沙量测量光电式浊度计和含沙量测量将装有浊水的试管插将装有浊水的试管插入仪器中入仪器中6/27/202277被测物吸收光通量的应用实例被测物吸收光通量的应用

48、实例光电式浊度计工作原理光电式浊度计工作原理11恒流源恒流源 22半导体激光器半导体激光器 33半反半透镜半反半透镜 44反射镜反射镜 55被测水样被测水样 6 6、99光电池光电池 7 7、1010电流电流/ /电压转换器电压转换器 88标准水样标准水样 参比通道参比通道 6/27/202278 无烟雾时，光敏元件无烟雾时，光敏元件接收到接收到LEDLED发射的恒定红发射的恒定红外光。而在火灾发生时，外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发经阀值判断电路后，发出报警信

49、号。出报警信号。 烟雾烟雾报警报警烟雾报警器烟雾报警器6/27/202279光电式转速表光电式转速表 光电式转速表光电式转速表属于反射式光电属于反射式光电传感器，它可以传感器，它可以在距被测物数十在距被测物数十毫米外非接触地毫米外非接触地测量其转速。测量其转速。 6/27/202280光电式转速表光电式转速表水水泵泵转转速速测测量量6/27/202281补充：光电耦合器补充：光电耦合器 光电耦合器光电耦合器：发光元件和光电传感器同时封装在一个外壳：发光元件和光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。内组合而成的转换元件。以光为媒介进行耦合来传递电信号，可实现电隔离，在电气上以光为媒介进

50、行耦合来传递电信号，可实现电隔离，在电气上实现绝缘耦合，因而实现绝缘耦合，因而提高了系统的抗干扰能力提高了系统的抗干扰能力。由于它具有单。由于它具有单向信号传输功能，因此适用于数字逻辑中向信号传输功能，因此适用于数字逻辑中开关信号的传输开关信号的传输和在和在逻辑电路中作为逻辑电路中作为隔离器件隔离器件及及不同逻辑电路间的接口不同逻辑电路间的接口。6/27/202282 光电耦合器的基本电路符号光电耦合器的基本电路符号 光电耦合器的特性曲线光电耦合器的特性曲线补充：光电耦合器补充：光电耦合器6/27/202283 光电耦合器的四种基本组合形式光电耦合器的四种基本组合形式(a)(b)(c)&(d)

51、该形式结构简单、成本低，通常用于该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz50kHz以下工作频率的装置内。以下工作频率的装置内。该形式采用高速开关管构成的高速光电耦该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器合器, ,适用于较高频率的装置中。适用于较高频率的装置中。该组合形式采用了放大三极管构成的高该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。动和较低频率的装置中。该形式采用功能器件构成的高速、高传该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。输效率的光电耦合器。补充：光电耦合器补充：光电耦合器6/27/2022

52、84 光电耦合器组成的开关电路光电耦合器组成的开关电路(1)(1)常开、常闭及常开常闭开关电路常开、常闭及常开常闭开关电路常开开关电路常开开关电路Q11Q11Q12Q12补充：光电耦合器补充：光电耦合器6/27/202285 光电耦合器组成的开关电路光电耦合器组成的开关电路(1)(1)常开、常闭及常开常闭开关电路常开、常闭及常开常闭开关电路常闭开关电路常闭开关电路Q21Q21Q22Q22补充：光电耦合器补充：光电耦合器6/27/202286 光电耦合器组成的开关电路光电耦合器组成的开关电路常开常闭开关电路常开常闭开关电路c ca ab b(1)(1)常开、常闭及常开常闭开关电路常开、常闭及常开

53、常闭开关电路补充：光电耦合器补充：光电耦合器6/27/202287 光电耦合器组成的开关电路光电耦合器组成的开关电路(2)(2)逻辑门电路逻辑门电路与门电路与门电路补充：光电耦合器补充：光电耦合器6/27/202288 光电耦合器组成的开关电路光电耦合器组成的开关电路(3)(3)电平转换电路电平转换电路补充：光电耦合器补充：光电耦合器6/27/2022891.1.光敏晶体管的工作原理是基于光敏晶体管的工作原理是基于 效应。效应。 A.A.外光电外光电 B.B.内光电内光电 C.C.光生电动势光生电动势 2.2.下列传感器中，能量控制型传感器是下列传感器中，能量控制型传感器是 和和 ，能量转，能

54、量转换型传感器是换型传感器是 。 A.A.光电式光电式 B.B.应变片应变片 C.C.电容式电容式 3.3.在光电作用下，使物体的内部产生定向电动势的现象称在光电作用下，使物体的内部产生定向电动势的现象称 效效应。应。 A.A.内光电内光电 B.B.外光电外光电 C.C.热电热电 D.D.光生伏特光生伏特 4.4.在光作用下，使电子逸出物体表面的现象称在光作用下，使电子逸出物体表面的现象称 效应。效应。 A.A.内光电内光电 B.B.外光电外光电 C.C.热电热电 D.D.光生伏特光生伏特光电式传感器习题光电式传感器习题6/27/202290结构型传感器，它主要依靠传感器结构参数(如形状、尺寸

55、等)的变化，利用某些物理规律，实现信号的变换，从而检测出被测量，它是目前应用最多、最普遍的传感器。这类传感器的特点是其性这类传感器的特点是其性能以传感器中元件相对结构能以传感器中元件相对结构( (位置位置) )的变化为基础，而与其材料特的变化为基础，而与其材料特性关系不大。性关系不大。 物性型传感器则是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应将被测量直接转换成电量的传感器。例如，热电偶传感器就是利用金属导体材料的温差电动势效应和不同金属导体间的接触电动势效应实现对温度的测量的；而利用压电晶体制成的压力传感器则是利用压电材料本身所具有的压电效应实现对压力的测量。这类传感器的“敏感元件”就是材料

56、本身，无所谓“结构变化”，因此，通常具有响应速度快的特点，而且易于实现小型化、集成化和智能化。 6/27/202291按照传感器的能量转换情况，传感器可分为能量控制型和能量转换型传感器两大类。 所谓能量控制型传感器是指其变换的能量是由外部电源供给的，而外界的变化(即传感器输入量的变化)只起到控制的作用。如电阻、电感、电容等电参数传感器、霍尔传感器等都属于这一类传感器。 能量转换型传感器，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、 热电效应、光电效应等的传感器都属于此类传感器。6/27/202292第二节第二节 光纤传感器光纤传感器 中国古代用中国古代用“烽火台烽火台”报警，欧洲人

57、用旗语传送报警，欧洲人用旗语传送信息，信息， 这些都可以看作是原始形式的光通信。这些都可以看作是原始形式的光通信。 18801880年，美国人贝尔年，美国人贝尔(Bell)(Bell)发明了用光波作载波发明了用光波作载波传送话音的传送话音的“光电话光电话”。光电话证明了用光波作为载。光电话证明了用光波作为载波传送信息的可行性。贝尔光电话是现代光通信的雏波传送信息的可行性。贝尔光电话是现代光通信的雏型。型。 一、光纤通信发展史和现状一、光纤通信发展史和现状1、探索时期的光通信、探索时期的光通信:6/27/202293 18701870年，英国科学家丁达尔做了一个有趣的实验：让年，英国科学家丁达尔

58、做了一个有趣的实验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。丁达尔发现，束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。丁达尔发现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水流弯弯曲曲地传播。这是光的全反射造成的结果。流弯弯曲曲地传播。这是光的全反射造成的结果。1、探索时期的光通信、探索时期的光通信:6/27/202294 1960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石发明了第一台红宝石激光器，激光器， 给光通信带来了新的希望。给光

59、通信带来了新的希望。 激光具有激光具有波谱宽度窄，方向性极好，波谱宽度窄，方向性极好， 亮度极高，以亮度极高，以及频率和相位较一致的良好特性及频率和相位较一致的良好特性。 继红宝石激光器之后，氦继红宝石激光器之后，氦氖氖(He - Ne)激光器、二激光器、二氧化碳氧化碳(CO2)激光器先后出现，并投入实际应用。激光器先后出现，并投入实际应用。 激光激光器的发明和应用，器的发明和应用， 使光通信进入一个崭新的阶段。使光通信进入一个崭新的阶段。 1、探索时期的光通信、探索时期的光通信:6/27/202295 1966 年，英籍年，英籍华华裔裔学学者高者高锟锟指出了利用光指出了利用光纤纤(Optic

60、al Fiber)进进行信息行信息传输传输的可能性和技的可能性和技术术途途径径，奠，奠定了定了现现代光通信代光通信光光纤纤通信的基通信的基础础。 1970 年，光年，光纤研纤研制取得了重大突破。美制取得了重大突破。美国国康宁康宁(Corning)公司公司研研制成功制成功损损耗耗20dB/km的石英光的石英光纤纤。 1973 年，美年，美国贝国贝尔尔(Bell)实验实验室取得了更大成室取得了更大成绩绩，光光纤损纤损耗降低到耗降低到2.5dB/km。 1976 年，日本年，日本电报电话电报电话(NTT)公司公司将将光光纤损纤损耗降低耗降低到到0.47 dB/km(波波长长1.2m)。2、现代光纤通