第九章_光电式传感器.ppt

1、2020/7/8，1，第9章，光电传感器，2020/7/8，2，引言，光电传感器是一种先将被测物理量的变化转化为光信号的变化，然后通过光电转换元件将光信号转化为电信号的传感器。光电传感器测量方法灵活多样，具有使用方便、非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和快速响应等一系列优点，发展非常迅速。随着激光、光栅、光纤、CCD等器件的出现，光电传感器已经广泛应用于检测和自动控制领域。光电效应是指某些金属、金属氧化物或半导体材料在光的照射下释放电子的现象。光子是具有一定能量的粒子，是以光速运动的粒子流。每个光子都有一定的能量，它的能量e与其频率成正比。9.1光电传感器，2020/7/8，4，9.1.1光电

2、效应，光电效应分为内部光电效应和外部光电效应。物体在光的作用下释放的电子不会从物体表面逃逸，而是只在物体内部移动并改变物体的电特性，这种现象称为内部光电效应，它主要发生在半导体材料中。物体中的电子在光的作用下从物体表面逃逸的现象称为外部光电效应，这种现象主要发生在金属或金属氧化物中。2020/7/8，5，其特征在于光的波长越短，即频率越高，光子能量越大；相反，光的波长越长，光子能量越小。由于光波频率不同，不同颜色的光子具有不同的能量。绿色光子比红色光子有更多的能量。对一个物体的照射可以被看作是一系列粒子以能量轰击该物体。光子和物质之间的连接体是电子。2020/7/8、6、9.1.2外部光电效应

3、器件、光电池、2020/7/8、7、9.1.2外部光电效应器件、光电池伏安特性曲线、2020/7/8、8、9.1.2外部光电效应器件、光子学2020/7/8、10、9.1.2外部光电效应器件、光电倍增管、2020/7/8、11、9.1.2外部光电效应器件、在光电倍增管的每个倍增极D1、D2、D3和阳极上，正电压逐渐增加，即阴极电位最低。从阴极开始，每个倍增电极的电位依次增加，阳极电位最高。相邻电极之间的电压应使次级发射系数大于1。在入射光的作用下，光阴极发射的光电子在D1电场的作用下被高速驱动到倍增极D1，产生二次发射。然后，在D2电场的作用下，更多的二次发射电子被发射到第二倍增器电极，这激发

4、了更多的二次发射电子。如果这种情况继续下去，一个光电子将激发更多的二次发射电子，这些电子将不断地增加。最后，阳极收集的电子数将达到阴极发射电子数的105，106倍，即光电倍增管的灵敏度比普通光电池高几万到几百万倍。因此，光电倍增管在很弱的光照下也能产生很大的光电流。2020/7/8，12，9.1.2外部光电效应器件和光电倍增管的主要参数(1)倍增系数m(2)光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度。2020/7/8，13，9.1.3光电效应器件和光电倍增管的主要参数(1)倍增系数m(2)光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度。2020/7/8，14，1光敏电阻，也称为光导管，是一种同质半导体光电元件。它

5、具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高、抗冲击、抗振动、抗过载能力强、使用寿命长等特点。(1)光敏电阻的原理和结构。当光敏电阻被点亮时，由于内部光电效应，其导电性增强，电阻R0的值减小，因此流经负载电阻R1和当照明停止时，光电效应将立即消失，电阻将恢复到其原始值。2020/7/8/16，光敏电阻，当光敏电阻点亮时，电阻值减小。2020年7月8日，17日，(2)光敏电阻的基本特性和主要参数。光敏电阻的伏安特性。光致抗蚀剂的伏安特性，2020/7/8，18，光致抗蚀剂的照明特性光致抗蚀剂的光谱特性。2020/7/8，19，光致抗蚀剂的频率特性暗电阻、亮电阻和光电流。光敏电阻受光照

6、射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。未受光照射时的电阻称为暗电阻，此时流动的电流称为暗电流。2020/7/8，20，光敏电阻的温度特性。2020/7/8，21，2光电晶体管，包括光电二极管、光电晶体管和光电晶体管，其工作原理基于内部光电效应。光电晶体管的灵敏度高于光电二极管，但其频率特性较差。目前，光电晶体管广泛应用于光纤通信、红外遥控器、光电耦合器、伺服电机速度检测控制、光电读出装置等场合。光敏晶闸管主要用于光开关电路，2020/7/8，22，(1)光电晶体管、光电二极管的结构和工作原理。通常处于反向偏置状态。当没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，称为暗电流。1个负引脚2个

7、管芯3个外壳4个玻璃电容器5个正引脚6N型衬底7个二氧化硅保护环8个二氧化硅透明保护层9个铝引出电极10P型扩散层11P结12个金属引出，2020/7/8，23个光电二极管剖面，光电二极管阵列，包含1024个InGaAs元素的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。2020/7/8，24，形状为红外发射和接收对管，红外发射管，红外接收管，2020/7/8，25，光电晶体管，集电极电流是原来光电电流的两倍。因此，光电晶体管的灵敏度比光电二极管高许多倍。光敏晶体管，2020/7/8，26，形状为光电晶体管，2020/7/8，27，光敏晶闸管，也称为光控晶闸管(LCR)，其特点是工作电压高，有的可达数百伏

8、，其导通电流远大于光电晶体管，因此其输出功率很大，将广泛用于自动检测和控制及日常生活中光谱特征。2020/7/8、30、伏安特性、2020/7/8、31、光电晶体管的照明特性、2020/7/8、32、光电晶体管的温度特性、2020/7/8、33、光电晶体管的频率特性、常用的光电池有两种，一种是金属半导体型，另一种是PN结型，如硒光电池、硅光电池、锗光电池等。2020/7/8，35，硅光电池的结构和工作原理，用导线连接P区和N区，电流在电路中流动，2020/7/8，36，光电池形状，光敏表面，2020/7/8，37，可提供较大电流的大面积光电池形状，2020/7，39，典型的光电开关结构，1个发

9、光元件2个接收元件3外壳4个导线5个反射器6个窗口，2020/7/8，40，光电开关轮廓，2020，2020/7/8/42，光电开关广泛用作工业控制、自动包装线和安全装置中的光控制和光检测装置。它可用作自动控制系统中的物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警和计算机输入接口。2020/7/8，43，9.1.4光电传感器的应用，1。烟气浊度监测器的烟囱中的烟气浊度是通过烟囱中光传输的变化来检测的。如果煤烟的雾度增加，煤烟粒子对光源发出的光的吸收和折射将增加，到达接收端的光将减少，因此光电探测器输出的信号将减弱；相反，当烟雾的浊度降低时，光电探测器输出的信号将增加。，2020/7/8，44

10、，9.1.4光电传感器的应用，吸收式烟气浊度检测器框图，2020/7/8，45，9.1.4光电传感器的应用，2。如图所示，光电速度传感器是一个转盘，转盘上有一个固定在待测速度轴上的孔，转盘一侧的白炽灯通过转盘上的一个小孔发出恒定的光。2020/7/8，46，9.1.4光电传感器的应用，光电脉冲转换电路，2020/7/8，47，9.2红外传感器是一种检测物体红外辐射的敏感器件。所谓红外辐射是红外光，它是太阳光谱的一部分，波长范围为0.761000米，是红外光在电磁波谱中的位置。在工程中，红外波段分为四部分：近红外、中红外、远红外和远红外。2020/7/8，48，9.2.1红外辐射基本定律，1。斯特凡玻尔兹曼定律物体的温度越高，辐射的能量就越大，公式如下。2020/7/8，49，9.2.1红外辐射基本定律2。如果几个物体在同一个温度场中，每个物体的散热能力与其吸收能力成正比，这就是希霍夫定律。其表达式为，2020/7/8，50，9.2.1红外辐射基本定律，3。维恩位移定律。热辐射发出的电磁波包含各种波长。物体的峰值辐射波长与物体本身的绝对温度成反比，即，2020/7/8，51，9.2.2红外传感器的组成和原理通常由光学系统、敏感元件(也称为探测器)、前置放大器和信号调制器组成。红外探测器是红