光学传感器概况课件

1、模块三 传感器原理及检测实训光学传感器浙江经济职业技术学院徐文3.6.1 光学传感器概述3.6.2 光电效应3.6.3 光电器件3.6.4 光学传感器实验返回首页3.6 光学传感器返回首页3.6.1 光学传感器概述x1光源光通路光电器件测量电路光量光量电量x2输出X1被测量直接引起光源光量的变化X2被测量在光传播过程中调制光量对光量的调制方法：返回首页3.6.1 光学传感器概述常用光源发光器件物体辐射光白炽光源气体放电光源发光二极管激光器GaP、SiC可见光LEDGaAs红外LED1、常用光源返回首页3.6.1 光学传感器概述2、半导体激光二极管650 nm LD返回首页3.6.1 光学传感器

2、概述带尾纤大功率LD1.55 um LD模块808 nm 大功率LD返回首页3.6.1 光学传感器概述返回首页3.6.2 光电效应 不同频率或波长的光具有不同的能量波动性：以光速运动，干涉、衍射粒子性：具有一定的质量和能量的粒子光以光速运动的粒子流波粒二象性光照 半导体 电子在物体内部运动内光电效应返回首页3.6.2 光电效应金属金属氧化物半导体光照 电子 光电效应是光电传感器的基本转换原理金属金属氧化物光照 电子逸出物体表面外光电效应1、定义及分类返回首页3.6.2 光电效应 只有当入射光能量大于电子逸出功(f f0)时， 才能产生光电子，红限频率f0=A/h 光电流与入射光强成正比 光电子

3、逸出物体表面具有初始动能，负截止电压 从光照至发射电子，时间 10-9 s2、外光电效应电子吸收光子能量克服物质的束缚，电子逸出功转化为逸出电子的动能返回首页3.6.2 光电效应3、内光电效应光生电子-空穴对内光电效应绝大多数的高电阻率半导体，受光照射吸收光子能量后，会产生电阻率降低而易于导电的现象(2)红限频率(3)载流子数目增多、电导率变大(4)光导型光电器件:光敏电阻、光电二极管、光电晶体管返回首页3.6.2 光电效应 对于每种半导体材料存在一个入射光的波长限 入射光光强愈强，电导率愈大 入射光波长 禁带宽度3、内光电效应条件：入射光能量大于半导体材料的禁带宽度返回首页3.6.2 光电效

4、应光照下，使半导体产生一定方向电动势的现象。4、光生伏特效应3.6.3.1 光电管3.6.3.2 光电倍增管3.6.3.3 光敏电阻3.6.3.4 光电二极管3.6.3.5 光伏电池3.6.3.6 光电器件特性3.6.3.7 光电器件类型返回首页3.6.3 光电器件返回首页1、光电管光电发射型光电器件真空光电管：适合于要求温度影响小和灵敏度稳定的场合充气光电管：适合于要求灵敏度高的场合图4-4-2 光电管基本电路3.6.3 光电器件返回首页光谱特性：工作电压不变，入射光波长与灵敏度（量子效率）的关系光谱特性取决于阴极材料，不同阴极材料的光电管其灵敏度分布不同 0.2 0.4 0.6 25 20

5、 15 10 5 00.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.5 0.4 0.3 0.2 0.13.6.3 光电器件返回首页伏安特性：一定光通量照射下，光电管阳极与阴极间的电压与电流的关系。光电特性：光电管工作电压一定时，入射光通量与光电流的关系 20 40 60 80 100 120 4 3 2 1 0 0.5 1 1.5 2.0 2.580604020 0 3.6.3 光电器件返回首页3.6.3 光电器件国产光电管的技术参数返回首页3.6.3 光电器件 适合在微弱光下使用，但是不能接受强光刺激，否则易于损坏。图4-4-4 光电倍增管的结构及电路2、光电倍增管返回首页3.6.3 光电器件

6、10-16 10-12 10-8 10-4 1 102 10-2 10-6 10-10 灵敏度高光电管：0.1 lm 光通量 5 uA 光电流光电倍增管： 0.0001 lm 光通量 1000 uA 光电流返回首页3.6.3 光电器件 50 100 150 12 10 8 6 4 2 0 250 500 750 1000 1250 1500 106 105 104 103 102 返回首页3.6.3 光电器件国产光电倍增管的技术参数返回首页3.6.3 光电器件3、光敏电阻光导型光电器件返回首页3.6.3 光电器件不受光照时的电阻值暗阻，一般在兆欧数量级受光照时的电阻值亮阻，一般在几千欧以下 0

7、.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5100 80 60 40 20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05非线性：不适合于作 测量元件返回首页3.6.3 光电器件光敏电阻的伏安特性 50 100 6 5 4 3 2 1光敏电阻硫化铅的温度特性 0 1.0 2.0 3.0 4.0100 80 60 40 20返回首页3.6.3 光电器件4、光电二极管光导型光电器件提高光电转换能力： 面积大、浅结的PN结管芯结构光电二极管电路返回首页3.6.3 光电器件光电二极管的光谱特性曲线 250 500 750 10

8、00 1250 1500 1750 2000100 80 60 40 20 0 返回首页3.6.3 光电器件光电二极管的技术参数返回首页3.6.3 光电器件光电二极管基本电路光电晶体管电路光电二极管的基本电路返回首页3.6.3 光电器件光电二极管光控应用电路返回首页3.6.3 光电器件5、光伏型光电器件光电池光生伏特效应光照射引起PN结两端产生电动势的现象(2)光电池直接将光能转变为电动势的光电器件（有源传感器）PN结光生伏特效应原理图返回首页3.6.3 光电器件光电池应用电路返回首页3.6.3 光电器件硒光电池的光谱特性 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2100 80 60 40

9、 20 0 电压源：将光量转变为电动势硒光电池硅光电池硒光电池的结构（1）硒光电池返回首页3.6.3 光电器件硒光电池的伏安特性（2）硅光电池硅光电池的结构返回首页3.6.3 光电器件硅光电池的光谱特性 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2100 80 60 40 20 0 硅光电池的伏安特性返回首页3.6.3 光电器件硅光电池的光照特性 0 2000 4000 6000 8000 10000 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 100 80 60 40 20 返回首页3.6.3 光电器件6、光电器件特性（1）光电特性和光照特性光电特性：当光电器件电极上的电压一定时，光电

10、流 I 与入射于光电器件上的光通量 间的关系即 I = F ( ) 。光照特性：当光电器件电极上的电压一定时，光电流 I 与光电器件上照度 E 的关系即I = F ( E ) 。（2）光谱特性光谱特性：光电流（一般以最大值的百分数或相对灵敏度表示）与入射光波长的关系 I = F ( )返回首页3.6.3 光电器件光电特性和光照特性曲线希望：曲线斜率要大，且斜率最好是常数返回首页3.6.3 光电器件光谱特性曲线返回首页3.6.3 光电器件 结论：当光电器件的光谱特性与光源辐射能量的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率较高。在检测时，光电器件的最佳灵敏度最好在需要测量的波长处。（3）伏安

11、特性 伏安特性：在给定的光通量或照度下，光电流 I 与光电器件两端电压 U 的关系即 I = F (U) 应用：帮助计算选择光电元件的负载电阻，设计整个线路（4）频率特性 频率特性：在同样的电压和同样幅值的光强度下，光电器件输出的光电流 I 或灵敏度 S 随入射光强度变化频率 f 的关系 I =F1( f ) 或 S = F2( f )。返回首页3.6.3 光电器件伏安特性曲线返回首页3.6.3 光电器件频率特性曲线（要求：曲线平直，且频带宽 ）(a) 光电管(b) 光敏电阻(c) 光电池(d) 光电晶体管返回首页3.6.3 光电器件（5）温度特性 温度特性：光电器件的光电特性和光谱特性随温度

12、变化 结论：1）对温度的影响可采取温度补偿或修正措施； 2）可通过控制工作环境温度，达到最大灵敏度。返回首页3.6.3 光电器件温度变化对元件特性的影响返回首页3.6.3 光电器件7、光电器件类型（1）透射式 光源发出一定的光通量，穿过被测对象，部分被吸收，其余到达光电器件转变为电信号输出 应用：测量透明度和浑浊度透射式光电传感器返回首页3.6.3 光电器件反射式光电传感器（2）反射式 光源发出一定的光通量到被测对象，由于物体性质或状态损失了一部分光通量，余下部分反射到光电器件上 应用：测量表面粗糙度返回首页3.6.3 光电器件辐射式光电传感器 （3）辐射式 光源本身就是被测对象，被测对象发出的光通量被光电器件接受 应用：光电高温计和炉子燃烧监视装置返回首页3.6.3 光电器件 （4）遮挡式 光源发出一定的光通量，射到光电器件上，光路途中遇到被测对象遮挡了一部分光，由此改变了