传感及其基础检测 10

《传感器与智能检测技术》第8章

光电式传感器【学习目标】1.了解光电效应基础知识；2.了解光电器件基本结构及分类；3.掌握几种光电器件的主要特性；4.了解光电传感器主要应用；5.了解光纤传输基本原理；6.了解光纤传感器基本机构与原理；7.了解光纤传感器基本应用；【重点和难点】重点：光电效应及分类；主要光电元件特性；光电元件应用；光纤工作原理；光纤传感器结构及原理；光纤传感器应用难点：光电效应原理；光电元件特性；光纤传感器结构与原理；【职业素养】1.通过相关基本物理现象的讲解，培养学生热爱科学、探索未来的精神；2.通过相关结构与电路的分析，培养学生精益求精、细心认真的素质；3.通过案例分析、小组协作，培养学生勤学好问、互相帮助的团队精神；学习内容一、光电效应与光电传感器二、光电器件及其特性三、光纤传感器第一节：光电效应与光电传感器一、光电效应与光电传感器定义光电效应光电效应：光照射到某些物质上，光能量作用于该物质，使其释放出电子，从而引起其电特性改变，这一类光致电变的现象称为光电效应。小知识：海因里希・鲁道夫・赫兹（1857年~1894年），德国物理学家，1887-1888年，他通过电火花放电试验，发现了紫外线造成的光电效应现象；该试验还证实了麦克斯韦所提出的电磁波的存在；赫兹还测量了电磁波的速度，并且提出光也是一种电磁波。一、光电效应与光电传感器解释

光电效应1905年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了《关于光的产生和转化的一个启发性观点》。在其中，他提出光量子概念，光子能量与其频率有关：E=h·f。h：普朗克常量（h=6.626×

10-34J·s）；f：光的频率；提出光是一种粒子。他认为，一个光子的能量只能传递给一个电子。因此，要使得一个电子逸出物体表面，光子能量E必须大于物体表面逸出功A0。他凭借该研究，获得了1921年诺贝尔物理学奖。一、光电效应与光电传感器分类

光电效应分类外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面进入外界空间的现象。基于外光电效应的器件有光电管、光电倍增管等。光电导效应：在光照作用下，物体产生的光电子在物体内部流动，改变物体电阻率，称为光电导效应。相关器件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等。光生伏特效应：在光照作用下，物体内产生一定方向电动势的现象。基于该效应的光电器件主要有光电池。一、光电效应与光电传感器基本形式

光电传感器基本形式（a）透射式

（b）反射式

（c）辐射式

（d）开关式第二节：光电器件及其特性二、光电器件及其特性外光电器件

光电管：结构结构

检测电路光电管工作原理与电子二极管类似；工作在反向截止状态。二、光电器件及其特性外光电器件

光电管：基本特性伏安特性光照特性光谱特性二、光电器件及其特性外光电器件

光电倍增管光电倍增管有多个电极，其电压逐次增加。光照射到最低电压电极，激发出空间自由电子；这些电子在空间电场作用下向高一级电极加速运动形成空间电流；这些电子到达高一级电极时具有较高动能，依靠其动能轰击这一级电极，可激发出数量更多的空间自由电子，使得空间自由电子数量增加为原来的η（η>1）倍；这些空间自由电子又在更高一级电极形成的空间电场作用下，向其加速运动，此时空间电流已经为原电流的η倍；经过N及递增后，总的空间电流可达最初的ηN倍，呈指数增长。灵敏度高二、光电器件及其特性内光电型

光敏电阻：原理受到光照后，材料内部吸收光子能量，生成光生电子-空穴对，导致材料载流子浓度增加，对应电阻率下降。二、光电器件及其特性内光电型

光敏电阻：基本特性亮电阻、暗电阻：光敏电阻在室温和全暗条件下测得的电阻为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的电阻为亮电阻，此时流过的电流为亮电流。亮电流于暗电流之差为光电流。伏安特性：注意功耗曲线，防止器件过流烧毁二、光电器件及其特性内光电型

光敏电阻：基本特性光照特性光谱特性注意：非线性比较严重思考：为什么频率高的光，灵敏度也不高啊？二、光电器件及其特性内光电型

光敏电阻频率特性温度特性二、光电器件及其特性内光电型

光敏电阻：结构为提高灵敏度，两电极做成梳状，以提高等效电阻值。二、光电器件及其特性内光电型

光敏二极管光敏二极管与光电管原理类似，都是二极管反向连接，正常情况下截止。当有光照射到反偏的PN节，PN节复合区产生光生电子-空穴对，电子-空穴对在内电场作用下做漂移运动，形成光电流，光电流大小与光照强度成正比。二、光电器件及其特性内光电型

光敏晶体管光敏晶体管c、e极与电源正负极连接，基极悬空。这时，用光照射晶体管反偏的PN节，产生光生电子-空穴对，形成光电流。该光电流可视为晶体管基极电流Ib，光敏晶体管电流Ic=β·Ib。光敏晶体管灵敏度比光敏二极管高。二、光电器件及其特性内光电型

光敏晶体管特性光照特性二、光电器件及其特性内光电型

光敏晶体管特性伏安特性二、光电器件及其特性内光电型

光敏晶体管特性光谱特性频率特性二、光电器件及其特性内光电型

光敏二极管与晶体管特性比较光敏晶体管灵敏度较光敏二极管高；光敏二极管线性度好，常用于精确测量；光敏晶体管线性度略差于光敏二极管；光敏二极管响应快，频率特性好，光敏晶体管响应慢一些；光敏二极管受温度影响较小；光敏晶体管受温度影响较大；二、光电器件及其特性内光电型

光电池：结构及原理光电池结构如左图所示，在由N型硅片上，用扩散方式掺入P型杂质，形成PN节。PN节处，由于正负载流子复合，存在一个较宽的复合区，该区域载流子浓度很低，同时形成一个较强的内电场。当光照射到该PN节上，产生相对应的光生电子-空穴对。这些光生电子-空穴对在内电场作用下产生漂移运动，向PN节两端移动并聚集，光生电子聚集到N区，光生空穴聚集到P区，在PN节两端形成一定浓度的自由电子和空穴区。这些聚集的正负电荷对外形成电场的积分即为光电池的电压。二、光电器件及其特性内光电型

光电池：特性光照特性光谱特性二、光电器件及其特性内光电型

光电池：特性温度特性频率特性二、光电器件及其特性检测电路

光敏电阻检测电路二、光电器件及其特性检测电路

光敏晶体管检测电路二、光电器件及其特性检测电路

光电池检测电路二、光电器件及其特性应用

火焰探测报警器二、光电器件及其特性应用

路灯自动控制装置二、光电器件及其特性应用

光电耦合器二、光电器件及其特性应用

数字转速表二、光电器件及其特性应用

光电断续器第三节：光纤传感器三、光纤传感器光纤传感器

光纤传感器特点体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、可弯曲、灵敏度高、耐腐蚀、防爆性能好、易于远距离传输等特点。可用于测量温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁场、电场、电压、电流、pH值等70多个物理量，在环境检测、自动控制、在线自动检测、故障诊断等领域有着广泛用途。小知识：高锟，美籍华裔物理学家，被称为“光纤之父”，长期从事光纤通信方面的研究。1966年发表《光频率介质纤维表面波导》论文，开创性地提出了光导纤维通信的基本原理。凭借其在光纤传输及通信方面的贡献，他获得了2009年诺贝尔物理学奖。三、光纤传感器结构与原理

光纤结构纤芯由高透明度材料制成，是光线传输的主要通道。包层材料掺杂微量B2O3或SiF4，以降低包层光折射率，包层折射率要求略小于纤芯。保护层采用丙稀醋酸、尼龙等塑料材质，用于增强机械强度和可弯曲性，并保护光纤不受外界物理、化学损伤。三、光纤传感器结构与原理

全反射原理此时的φi称为入射临界角。若φi再增加，折射光线无法进入到包层，光线进入全反射状态。三、光纤传感器光纤光纤种类注意色散问题三、光纤传感器光纤

光纤种类单模光纤：纤芯直径小（一般9μm或10μm），只能传播一种模式。它的主要优点是信号畸变小，线性好，灵敏度高；缺点是制造、连接、耦合困难，适用于远程通信。多模光纤：纤芯直径较大（50μm或62.5μm），传输模式不止一种。其主要问题是模间色散大，信号畸变大，传输性能差；优点是制造、连接、耦合容易，成本低。其一般通信距离只有几公里。三、光纤传感器

光纤的传输损耗光纤传输中的损耗主要有材料吸收损耗（因材料密度及浓度不均匀引起）；散射损耗（因光纤拉制时粗细不均匀引起）；光波导弯曲损耗（因光纤在使用中可能发生弯曲折射引起）。石英光纤损耗较小，性能较好；塑料光纤损耗较大，性能略差。光纤三、光纤传感器光纤传感器

基本结构光纤传感器由光源、光纤和光探测器组成。功能型传输型三、光纤传感器分类按照光波调制参数的不同，可分为：（1）强度调制光纤传感器；（2）相位调制光纤传感器；（3）频率调制光纤传感器；（多普勒效应测速）

（4）偏振调制光纤传感器；按照功能，可分为：光纤温度传感器，光纤位移传感器，光纤振动传感器，光纤流速传感器，光纤电流传感器......。三、光纤传感器应用：传输型

光纤图像传感器三、光纤传感器应用：传输型

光纤温度传感器半导体吸收器，敏感元件完成温度对光强调制，让后再把调制后的光经光纤传回探测器。这里，光纤起到了光线传输的作用。三、光纤传感器应用：传输型

光纤式光电开关该结构通过光纤把光路延申至测量点，实现了光电开关功能；而其电气部分集中在控制端，具有电气安全性好，抗干扰能力强等优点。三、光纤传感器应用：功能性

光纤漩涡式流量传感器图中光纤至于流体管道内，根据流体力学知识，当流体流过障碍物时，会产生卡曼涡旋。该涡旋频率与流体流速成正比；当光纤受到该涡旋作用时，会产生相应的抖动，这会引起光纤长度变化。在测量端，测量光纤的信号会和参考信号产生干涉条纹，当测量光纤抖动时，该干涉条纹也会发生抖动。该抖动频率即为卡曼涡旋频率f，由此我们可以测出流体流速。三、光纤传感器应用：功能性

光纤加速度传感器激光器发出的光经分光器，一路作为参考光源，另一路进入测量光纤。测量光纤与以质量块连接，其与质量块之间的作用力为F=ma，F为作用力，m为质量快质量，a为系统加速度。测量光纤受到F力作用，会产生与子对应的弹性形变。力越大，形变越大，测量光纤长度越长。测量光纤的长度变化会在干涉仪里边改变干涉条纹的位置。这样，通过检测干涉条纹的位置变化，即可得到物体加速度信息。三、光纤传感器应用：功能性

光纤微弯传感器当光纤弯曲角度较大时，部分光会折射到包层中去，导致光纤的光强度下降。三、光纤传感器应用：功能性

光纤微弯传感器激光通过变形器后，强度会因光纤弯曲层度而有所改变，检测输出激光的强度，可以测量变形器变形大小，以及与之对应的外部压力的大小。三、光纤传感器应用：功能性

光纤微弯传感器改变激光入射角度，系统灵敏度也有所变化，入射角大，灵敏度高一些。该传感器可用于水声监听。知识拓展光的认知发展

古希腊、古罗马：粒子说古希腊学者-恩培多克勒-认为：光是火元素，从人眼发出到达物体，这样人就能看到物体了；古罗马时代学者-卢克莱修-认为光是从光源到达人眼，这是光的粒子学说的早期认识。知识拓展光的认知发展

古代中国中国战国时期的科学家-墨子-提出了光是直线传播的，并用小孔成像试验验证了该观点。他还发现了光的平面反射和球面反射现象。知识拓展光的认知发展

近代西方：粒子说16世纪，著名科学家-伽利略-改进了望远镜，用它来观测天体。他还尝试测量光速。17世纪伟大的物理学家-牛顿-是光“粒子说”坚定支持者。牛顿认为光是由微小的粒子组成的，这些光粒子具有质量、速度等物质的基本属性。光粒子从光源发出后，在均匀介质中以直线方式传播，就像一颗颗微小的子弹向前飞行。不同颜色的光对应着不同大小的光粒子。例如，他认为红色光的粒子较大，而紫色光的粒子较小。他还通过三棱镜试验发现了光的色散现象。他的观点可以较好地解释光直线传播、反射、折射等现象，但是无法解释光的干涉、衍射现象。知识拓展光的认知发展

近现代西方：波动说荷兰物理学家-惠更斯-提出光的波动学说。他认为，光是一种波动现象，像水波、声波一样，具有波长、频率、振幅、相位等特征。光以波的形式在空中传播，传播中会出现干涉、衍射、偏振等典型的波动特征。19世纪，英国物理学家-托马斯·杨-的双缝干涉试验以及法国