光电式式传感器精简

1、光电式式传感器精简第1页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一第9章光电式传感器9.1 光电器件 9.2 光纤传感器 9.3 红外传感器 9.4 超声波传感器 思考题与习题 第2页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一1.光电效应指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。 可分为外光电效应和内光电效应两种。(1) 外光电效应在光的作用下，物体内的电子(光电子)逸出物体表面向外发射的现象。如光电管、光电倍增管等。9.1 光电器件第3页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一光束由光子组成，光子是以光速运动的粒子流，具有能量，每个光

2、子的能量为 E=h (9-1)式中：h=6.62610-34Js,为普朗克常数;为光的频率(s-1)。9.1 光电器件第4页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一9.1 光电器件 光照射物体时,当物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时,电子就会逸出物体表面,形成光电子发射,光子能量超过逸出功的部分为逸出电子的动能。根据能量守恒有 或 称为爱因斯坦光电效应方程第5页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一9.1 光电器件光电子能否产生,取决于光电子的能量是否大于该物体表面电子逸出功A0。不同材料具有不同的逸出功,因此对于某种材料而言便有一个频率限。 当入射光的

3、频率低于此频率限时,无论光强多大,也不能激发电子;反之,当入射光的频率高于此频率限时,即使光线微弱也会有光电子发射出来。第6页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一(2) 内光电效应在光线作用下,受光照的物体的电阻率发生变化,或产生光生电动势的现象。光电导效应在光照时,半导体材料吸收了入射光子的能量。当光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度时,就激发电子-空穴对,增加了载流子的浓度,半导体电导率增大,该现象称为光电导效应。如光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等。9.1 光电器件第7页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一(2) 内光电效应在光线作用下,受光照的物体

4、的电阻率发生变化或产生光生电动势的现象。光生伏特效应物体受光照而产生一定方向的电动势的现象,称为光生伏特效应。 光生伏特型光电器件是自发电式,属于有源器件。常用的有光电池等。9.1 光电器件第8页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一光电器件的性能主要从伏安特性、光照特性、光谱特性、温度特性和频率特性来描述。9.1.2 光敏电阻9.1.3 光敏二极管/光敏三极管9.1.4 光电池9.1.5 光电耦合器件9.1 光电器件第9页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一1. 原理与结构光敏电阻又称为光导管,由半导体材料制成,是纯电阻器件。光敏电阻不受光照时,电阻值很大,

5、电路中电流很小;受到一定波长的光照射时,阻值急剧减小。9.1.2 光敏电阻外形第10页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一(1)暗电阻与暗电流光敏电阻在不受光照射时的电阻,此时流过的电流称为暗电流；(2)亮电阻与亮电流在受光照射时的电阻,此时流过的电流称为亮电流。(3)光电流亮电流与暗电流之差称为。9.1.2 光敏电阻原理与结构基本概念：第11页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一 通常,暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,也就是说：暗电流越小,光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。9.1.2 光敏电阻原理

6、与结构基本概念：第12页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一2.光敏电阻的基本特性(1) 伏安特性在一定的照度下,光敏电阻两端的电压与电流的关系。硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线如图。9.1.2 光敏电阻图9-2 硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线在一定范围内呈直线。偏压一定时,光照度越大,光电流越大；光照度一定时,所加电压越大,光电流越大,且没有饱和现象。能无限大么？阻值与电压、电流无关不能,因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限定。第13页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一(2) 光谱特性也称光谱响应,指光敏电阻的光电流与入射波长的关系。与光敏

7、电阻的材料有关。9.1.2 光敏电阻基本特性波长不同, 灵敏度不同。硫化镉光敏电阻光谱响应的峰值在可见光区域,常用于光度量的测量,如照度计;图9-3 光敏电阻的光谱特性根据光谱特性的不同,依据检测对象的不同()选择合理的光敏电阻。第14页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一图9-4 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性(3) 温度特性反映的是温度变化对光敏电阻的光谱响应、灵敏度、暗电阻等的影响。9.1.2 光敏电阻基本特性峰值随着温度的上升向波长短的方向移动,故该光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。为了提高灵敏度或者为了能够接收较长波段的辐射,将元件降温使用。第15页，共62页，20

8、22年，5月20日，4点22分，星期一图9-5 硫化镉光敏电阻的光照特性曲线(4) 光照特性在一定外加电压作用下,光电流和光照强度之间的关系。9.1.2 光敏电阻基本特性光照特性曲线的斜率(光电流与入射光光通量之间比)称为光电管的灵敏度或光敏电阻的灵敏度。第16页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一图9-5 硫化镉光敏电阻的光照特性曲线(4) 光照特性在一定外加电压作用下,光电流和光照强度之间的关系。9.1.2 光敏电阻基本特性光照特性曲线呈非线性关系,因此不宜作为测量元件,而多用于开关信号的传递。不同材料的光敏电阻光照特性不同。第17页，共62页，2022年，5月20日，4

9、点22分，星期一(5) 频率特性当光敏电阻受到光照时,光电流要经过一段时间才能达到稳定;而在停止光照时,光电流也不立刻为零光敏电阻的时延特性。不同材料的光敏电阻时延特性不同,所以其频率特性也就不同。9.1.2 光敏电阻基本特性第18页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一1.结构及工作原理(1) 光敏二极管9.1.3 光敏二极管和晶体管图9-7 光敏二极管结构简图和符号第19页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态。 无光照射时,反向电阻很大,反向电流很小; 光照射在PN结上时,形成光电流。光的照度越大,光电流越大。电流一般

10、为几uA到几十uA。9.1.3 光敏二极管图 9-8 光敏二极管接线图第20页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一图9-9 NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路(a)光敏晶体管结构简图；(b)光敏晶体管基本电路(2) 光敏晶体管光敏晶体管有两个PN结,发射极做得很大,以扩大光的照射面积,大多数光敏晶体管的基极无引出线。9.1.3 光敏晶体管第21页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一光敏二极管和光敏三极管的特性比较：光照特性光电流和照度之间的关系。光敏二极管的光照特性是线性,适合检测。光敏三极管的光照特性是近似线性,当光照足够大(几十Klx)时,会出现饱和现

11、象。因此既可作为线性转换元件,也可作开关元件。9.1.3 光敏二极管和光敏晶体管第22页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一2.基本特性(1) 伏安特性:硅光敏管在不同照度下的伏安特性。图9-10 硅光敏管的伏安特性(a) 光敏二极管的伏安特性(b)硅光敏晶体管的伏安特性光电流不受偏压影响恒流源。偏压对光电流有影响。在同样的照度下,光敏晶体管输出的光电流比相同管型的二极管大上百倍9.1.3 光敏二极管和光敏晶体管第23页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一(2) 光谱特性实际应用时,可见光或赤热状态物体的探测,一般都用硅管;对红外光的探测,锗管较适合。图9-

12、11 光敏二极管和晶体管的光谱特性9.1.3 光敏二极管和光敏晶体管第24页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一(3) 频率特性光电流与光照调制频率之间的关系图9-12 光敏晶体管的频率特性减小负载电阻可提高频率响应,但输出电压响应亦减小。9.1.3 光敏二极管和光敏晶体管第25页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一光电三极管的频率响应比光电二极管差。(3) 频率特性光电流与光照调制频率之间的关系9.1.3 光敏二极管和光敏晶体管对于锗管,入射光的调制频率要求在2KHz以下.硅管的频率响应比锗管好.第26页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期

13、一(4) 温度特性指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。9.1.3 光敏二极管和光敏晶体管图9-13 光敏晶体管的温度特性第27页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一(4) 温度特性 温度变化对光电流影响很小,对暗电流影响很大。故在电子线路中应对暗电流进行温度补偿,否则将导致输出误差。9.1.3 光敏二极管和光敏晶体管图9-13 光敏晶体管的温度特性第28页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一光电池是利用光生伏特效应直接将光能转换为电能的器件，又称为太阳能电池。光电池常用材料是硅和硒，也可以使用锗、硫化镉、砷化镓等。9.1.4 光电池第29页，共62页，20

14、22年，5月20日，4点22分，星期一硅光电池价格便宜,转换效率高、寿命长、适合接收红外光。硒光电池转换效率低、寿命短、适合接收可见光,最适宜制作照度计。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高,在宇宙飞船、卫星、太阳探测器等电源方面有发展前途。9.1.4 光电池第30页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一1. 结构及工作原理当入射光照射PN结时,若光子的能量足够大,则可以在PN结内产生电子-空穴对,在结电场的作用下,空穴移向P型区,电子移向N型区,在N区和P区之间出现电位差光生电动势9.1.4 光电池图9-14 硅光电池结构原理图及等效电路第31页，共62页，2022年，5月20

15、日，4点22分，星期一2.光电池的基本特性(1) 光谱特性:取决于光电池的材料9.1.4 光电池图9-15 光电池的光谱特性硒光电池在可见光谱范围内有较高灵敏度,适合测可见光。硅光电池应用范围在400nm1200nm,可在很宽的范围内使用。第32页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一2.光电池的基本特性(1) 光谱特性:取决于光电池的材料9.1.4 光电池图9-15 光电池的光谱特性光电池的选用与光 源结合。光谱特性的峰值与使用温度有关(T升高,图形左移)。第33页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一(2) 光照特性指在光电流与照度之间的关系以及光生电动势与

16、照度之间的关系9.1.4 光电池基本特性图9-16 硅光电池的光照特性短路电流与光照强度呈线性关系;开路电压与光照度呈非线性关系,且当照度在2000 Lx时趋于饱和。开路电压与光照度呈非线性关系,且当照度在2000 Lx时趋于饱和。第34页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一(2) 光照特性指在光电流与照度之间的关系以及光生电动势与照度之间的关系9.1.4 光电池基本特性图9-16 硅光电池的光照特性光电池作为测量元件时,应当作为 源,不宜作为 源。电流电压第35页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一光电池在不同照度下,其内阻也不同,应适当的选择电阻使满足“

17、短路”的条件充分利用照度与光电流的线性关系。负载电阻越小,两者的线性关系越好,其线性范围越宽。9.1.4 光电池基本特性第36页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一(3) 频率特性9.1.4 光电池基本特性图9-17 硅光电池和硒光电池的频率特性频率特性与材料、结构、使用条件有关。硅光电池具有较高的频率响应,而硒光电池则较差。第37页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一(4)温度特性开路电压和短路电流随温度变化的情况。9.1.4 光电池基本特性图9-18 硅光电池的温度特性开路电压随温度的升高而下降的速度较快,而短路电流随温度的升高而缓慢增加。该特性关系到应

18、用光电池的设备的温度漂移,影响到测量和控制精度等指标。第38页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一(4)温度特性开路电压和短路电流随温度变化的情况。9.1.4 光电池基本特性图9-18 硅光电池的温度特性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。第39页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一 以光为媒介进行耦合来传递电信号,可实现电隔离, 因而提高了系统的抗干扰能力。由于它具有单向信号传输功能,因而多用于电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关等。9.1.5 光电耦合器件光耦(a)光敏三极管型光耦(b)达林顿型光耦第40页，共62页，202

19、2年，5月20日，4点22分，星期一组合形式：9.1.5 光电耦合器件光耦第41页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一2.光电开关当有不透光的物体位于透射式开关中间或物体经过反射式开关时,接收元件收到的信号将发生变化,产生一个检测脉冲。9.1.5 光电耦合器件图9-20 光电开关的结构透射式反射式第42页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一1. 光电转速传感器9.1.7 光电器件的应用图9-26 光电数字转速表工作原理图第43页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一图9-27 光电转换电路光照V1 流经R1电流增大 V2通V3通V4止Uo为高

20、9.1.7 光电器件的应用光电转速传感器第44页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一图9-27 光电转换电路无光照V1 流经R1电流减小 V2止V3止V4通Uo为低9.1.7 光电器件的应用光电转速传感器第45页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一9.2.1 光纤结构及传光原理1.光纤的结构光纤是光导纤维的简称,结构如图。折射率n1n29.2 光 纤 传 感 器图 9-30 光纤的基本结构第46页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一图9-31 光纤的传光原理2.光纤的传光原理基于光的全内反射若要在界面上发生全反射,i应大于某临界角,以使折射

21、角90。根据斯涅耳(Snell)光的折射定律,有 n0 sini=n1 sin (9-8) n1 sini=n2 sin (9-9)9.2 光 纤 传 感 器第47页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一 欲发生全反射,应使c=90(临界折射角)n0 sini=n1 sin n1 sini=n2 sin9.2.1 光纤传光原理当=c=90时,有第48页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一9.2.1 光纤传光原理光纤处于空气中时，n01，有 满足上述条件,光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射,以锯齿波形状在纤芯内向前传播,最后从光纤的另一端面射出光纤的传光原理。

22、第49页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一3.光纤的基本特性(1) 数值孔径(NA)定义 (9-14) 9.2.1 光纤传光原理数值孔径表征了光纤的集光能力,NA越大,集光能力越强,耦合效率越高。但数值孔径NA过大时,会造成光信号畸变。通常石英的NA取0.20.4。第50页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一(2) 光纤模式指光波传播的途径和方式。 分为单模光纤和多模光纤9.2.1 光纤传光原理基本特性第51页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一 工作原理：通过外界信号(温度、压力、应变、位移、振动等)对光进行调制,引起光的强度、波长、频

23、率、相位、偏振态等性质的变化,即光被外界参数调制。光纤传感器一般分为功能型(传感型)传感器和非功能型(传光型)传感器两类。9.2.2 光纤传感器的工作原理第52页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一(1) 功能型传感器: 又称为传感型传感器,利用光纤本身的特性或功能将光纤作为敏感元件。(2) 非功能型传感器: 又称为传光型传感器,它利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤作为信息的传输介质。9.2.2 光纤传感器的工作原理分类：第53页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一1. 光纤传感器的液位检测9.2.3 光纤传感器的应用有液体时,由于液体对光的折射,光纤传

24、感器接收到光信号;无液体时,光纤传感器接收不到投光光纤发出的光。液面的控制精度可达1 mm。第54页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一2. 光纤旋涡流量传感器9.2.3 光纤传感器的应用当液体或气体流经与其垂直的光纤时,流体流动受到光纤的阻碍,根据流体力学原理,光纤的下游两侧将产生有规则的旋涡,旋涡的频率f近似与流体的流速成正比。图9-34 光纤旋涡流量传感器结构示意图第55页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一主要应用：(1) 红外辐射计(2) 搜索和跟踪系统(3) 热成像系统(4) 红外测距和通信系统: 用于距离测量和通信，如红外测距仪、红外无线通信抄表系统等；(5) 混合系统:以上各类系统中的两个或多个组合。9.3 红 外 传 感 器第56页，共62页，2022年，5月20日，4点22分，星期一1.红外