5-光电式教学课件

1、现代传感器原理 及应用,Modern Transducers,2020/10/11,2,现代传感器,光电式传感器 光纤式传感器 数字式传感器 波与射线传感器 其他新型传感器,2020/10/11,3,应用示例：光电式烟雾报警器,光电式传感器,2020/10/11,4,概述 光电传感器的组成 光电传感器及其应用 新型光电器件,光电式传感器,2020/10/11,5,光电式传感器(Photoelectric Sensor)是以光电器件作为转换元件的传感器的总称。光电传感器可以用来测量直接引起光量变化的其他非电量；也可用来测量能转换成光量变化的其他非电量。,概 述,2020/10/11,6,概 述,

2、传统电测传感器与光电式传感器的区别：,光电传感器的特征是以光电器件作为转换元件。因此，采用光电器件作为转换元件的传感器就统称为光电式传感器。,传统电测传感器：,光电式传感器：,光电器件,各种实现机-电 转换传感器,各种实现光-电 转换传感器,2020/10/11,7,概 述,调制(Modulation)：使一个信号（载波）的某些参数在另一信号（调制信号）的控制下发生变化的过程，称为调制。 光调制：使载波光波的参数随外加信号变化而变化的过程。光调制过程就是将一携带信息的信号叠加在载波光波上，完成这一过程的器件叫做调制器。 解调(Demodulation)：从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解

3、调。 光的解调：光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光强度变化，然后由光电器件进行检测。 光调制技术包括光强度调制、光频率或波长调制、光相位调制和光偏振态调制。其中光强度调制是最常用的调制技术。,2020/10/11,8,光电式传感器的一般主要包括：光源、光通路、光电器件和测量电路四个部分。,光电传感器的组成,被测体或 人造光源,各种光调制器,实现光-电 转换器件,对光电器件输出 的电信号进行 放大或转换,2020/10/11,9,光源,光电传感器的组成,光是电磁波谱中的一员，不同波长光的分布如图所示。其中光电式传感器主要使用的光的波长范围处在紫外至红外之间的区域，一般为可见光和近红外光

4、。 工程检测中的光源，可以由各种发光器件产生产生，也可以是物体的辐射光。 利用物体在不同温度下的辐射光的强度和频谱特性不同进行测温的方法，称为辐射测温法。 工程上常见的是人造光源，人造光源按其工作原理不同，可分为热辐射光源、气体放电光源、电致发光光源和激光光源。,2020/10/11,10,光源,光电传感器的组成,热辐射光源 利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源称为热辐射光源。例如钨丝白炽灯和卤钨灯。 特点：光谱线较丰富，包含可见光与红外光；发光效率低；发热大；寿命短；易碎，电压高，使用有一定的危险。 气体放电光源 电流通过置于气体中的两个电极时，两电极之间会放电发光，利用这种原理制成的光源

5、称为气体放电光源。气体放电光源目前常用的有碳弧、低压水银弧、钠弧、氙弧灯等。 气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关，改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。 特点：效率高，省电，功率大；含有丰富的紫外线和频谱；容易污染环境，玻璃易碎，发光调制频率较低。,2020/10/11,11,光源,光电传感器的组成,电致发光光源 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，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。 特点：体积小，属固体光源，耐振动；无辐射，无污染；功耗低；寿命长；响应快；供电电压低；成本低。 激光光源 某些物质的分子

6、、原子、离子在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子(受激发射)。具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。如各种固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器等。 特点：激光是频率单纯、能量高度集中的光，激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特点。,2020/10/11,12,光电器件,光电传感器的组成,光电器件的作用是将光信号转变为电信号。光电器件的基于光电效应工作的。 光电效应及其典型器件 所谓光电效应是指物体吸收了光能后产生的电效应。,光电效应,外光电效应,内光电效应,光电导效应,光生伏特效应,2020/10/11,13,光电器件,

7、光电传感器的组成,光电效应及其典型器件 外光电效应（ Photoemissive Effect ）及器件 外光电效应：在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象。,“红限”：,光子能量：,2020/10/11,14,光电器件,光电传感器的组成,光电效应及其典型器件 外光电效应及器件,光电倍增管（ Photoemissive Multiplier ）,基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管。 光电管（ Photoemissive Cell ）,2020/10/11,15,光电器件,光电传感器的组成,内光电效应及器件 内光电效应：在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物

8、体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。 光电导效应（ Photoconduction Effect ）及器件 这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应 。,2020/10/11,16,光电器件,光电传感器的组成,内光电效应及器件 光电导效应（ Photoconduction Effect ）及器件 基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管。 光敏电阻（ Photoresistor ）,2020/10/11,17,图5.8 光敏电阻的结构,光敏电阻的结构,2020/10/11,18,光敏电阻,当光敏电阻

9、受到光照时，阻值减小。,2020/10/11,19,光电器件,光电传感器的组成,内光电效应及器件 光电导效应（ Photoconduction Effect ）及器件,光敏二极管（反向偏置PN结）,2020/10/11,20,图5.10 光敏二极管的结构,光敏二极管的结构,2020/10/11,21,光电器件,光电传感器的组成,内光电效应及器件 光电导效应（ Photoconduction Effect ）及器件,光敏三极管,2020/10/11,22,光敏三极管的结构,图5.12 光敏三极管的结构,2020/10/11,23,光敏三极管外形,2020/10/11,24,光电器件,光电传感器的

10、组成,内光电效应及器件 光生伏特效应（ Photovoltaic Effect ）及器件 光生伏特效应是光照引起PN结（正向偏置PN结）两端产生电动势的效应。 基于这种效应的光电器件是光电池。光电池是自发电式有源器件，属于能量转换型、电压输出型传感器。,2020/10/11,25,光电器件,光电传感器的组成,内光电效应及器件 光生伏特效应（ Photovoltaic Effect ）及器件,光电池与外电路的两种连接方式： 开路电压输出：,开路电压与光照度之间呈非线性关系，灵敏度高，宜作开关元件。,短路电流大小与光照成正比，可作线性检测元件使用。,短路电流输出：,2020/10/11,26,光电

11、池外形,光敏面,2020/10/11,27,能提供较大电流的大面积光电池外形,2020/10/11,28,光电池在动力方面的应用,太阳能赛车,太阳能电动机模型,太阳能 硅光电池板,2020/10/11,29,光电池在动力方面的应用（续）,太阳能发电,2020/10/11,30,光电池在动力方面的应用（续）,光电池在人造卫星上的应用,2020/10/11,31,总结：光电效应分类及其典型器件,2020/10/11,32,光电器件,光电传感器的组成,光电器件的性能参数,光照特性 光照特性是光电器件灵敏度的表征，它反映了光电器件输入光量与输出光电流(光电压)之间的关系。 光照特性常用响应率（Resp

12、onse Rate）R来描述：,2020/10/11,33,光电器件,光电传感器的组成,光电器件的性能参数,光谱特性 光电器件光谱特性是指相对灵敏度K与入射光波长之间的关系，又称为光谱响应。,探测器件的性能常用峰值探测率D*表征，D*值大，噪声等效功率小，光电器件性能好。,响应时间 光电器件的响应时间反映它的动态特性。时间响应小，表示动态特性好。对于采用调制光的光电传感器，调制频率上限受响应时间的限制。 峰值探测率 峰值探测率是表征光电器件噪声水平的性能参数。,2020/10/11,34,光电器件,光电传感器的组成,光电器件的性能参数,温度特性 温度变化不仅影响光电器件的灵敏度，同时对光谱特性

13、也有很大影响。在室温条件下工作的光电器件由于灵敏度随温度而变，因此高精度检测时有必要进行温度补偿或使它在恒温条件下工作。 伏安特性 在一定光照下，对光电器件所加端电压与光电流之间的关系为伏安特性。,2020/10/11,35,光电传感器是非接触式测量，根据输出量的性质可以将光电传感器分成模拟式和脉冲式两大类。 模拟式光电传感器 测量原理 模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性，其光子通量是随着被测量而变，光电流就成为被测量的函数，故传感器的输出为连续变化的光电流。 模拟式光电传感器有透射式、反射式、遮光式和辐射式等几种工作方式。,光电传感器及其应用,2020/10/11,36,模拟

14、式光电传感器 (a) 吸收式,光电传感器及其应用,(b) 反射式,(c) 遮光式,(d) 辐射式,2020/10/11,37,应用案例：光电式边缘位置检测纠偏装置,2020/10/11,38,脉冲式光电传感器 测量原理 脉冲式光电传感器利用光电器件受光照的“有”、“无”的两种不同状态，经适当的调理电路输出“通”、“断”的开关信号。即将被测量转换成断续变化的开关信号，又称为开关式光电传感器。,光电传感器及其应用,2020/10/11,39,光电开关的类型及应用,图5.20 光电开关的类型及应用,2020/10/11,40,应用案例(1)：光电数字转速表,2020/10/11,41,光电式转速表测

15、量原理,图5.22 反射式光电转速表结构及原理示意图,2020/10/11,42,应用案例(2)：光电式物体运动速度检测,2020/10/11,43,位置敏感器件 光位置敏感器件是利用光线检测位置的光敏器件。当光照射到硅光电二极管的某一位置时，则光电流I1/I2=R2/R1=x2/x1，故只要测出I1和I2便可求得光照射的位置。,新型光电器件,2020/10/11,44,固态图像传感器（solid image sensor ） 图像传感器是电荷转移器件与光敏阵列元件集为一体构成的，具有自扫描功能的摄像器件。 图像传感器从功能上说，它是一个能把受光面的光像分成许多小单元(称为像元)，并将它们转换

16、成电信号，然后顺序地输送出去的器件。,新型光电器件,2020/10/11,45,固态图像传感器（ solid image sensor ） 从构造上说，图像传感器是一种小型固态集成元件，其核心是电荷转移器件(Charge Transfer Device，CTD)，其中最常用的是电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)。CCD由阵列式排列在衬底上的金属-氧化物-硅(Metal Oxide Semi-Conductor，简称MOS)电容器组成，它具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。,新型光电器件,2020/10/11,46,固态图像传感器 信号电荷的产生 信号电荷的存储,

17、新型光电器件,当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。当有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。,信号电荷的转移,三相CCD的电荷在三相交叠驱动脉冲的作用下，能以一定的方向逐单元地转移； CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下。,2020/10/11,47,固态图像传感器 典型一维图像传感器由一列光敏单元和一列CCD(电荷转移器件)并行构成。,新型光电器件,光敏元与CCD之间有一转移控

18、制栅，其中CCD作为读出移位寄存器。在光照射下，光生少数载流子在光敏元（MOS电容）中积蓄。每个单元所积蓄的电荷量与该单元所接受到的光照度、电荷积蓄时间成正比。在光敏元接受光照一定时间之后，转移控制栅打开，各光敏元所积蓄的电荷就并行地转移到CCD读出移位寄存器上，随后控制栅关闭，光敏元立即开始下一次的光电荷积蓄。与此同时，上一次的一串电荷信号沿移位寄存器顺序地转移并在输出端串行输出。,2020/10/11,48,固态图像传感器 每个光敏元的光电荷量不仅含有光照度信息，而且还含有该单元位置的信息。因此，这种光敏元同时实现了光照度和位置的测量功能。 CCD图像传感器按其像素的空间排列可分为两大类： (1) 线性CCD。主要用于以为尺寸的自动检测，如测量精确的位移量、空间尺寸等，也可以由线阵CCD通过附加的机械扫描，得到二维图像，用以实现字符、图像的识别。 (2) 面阵CCD。主要用于实时摄像，如生产线上工件的装配控制、可视电话以及空间遥感遥测，航空摄影等。,新型光电器件,2020/10/11,49,半导体色敏器件 半导体色敏器件是基于半导体的内光电效应，将光信号转变为电信号的光辐射探测器件 。 半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。 结构及工作原理：,新型光电器件,结构：半导体