第八章光电式传感器PPT讲稿.ppt

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1、第八章光电式传感器第1页，共57页，编辑于2022年，星期三*被测量81基本工作原理 光电式传感器基本原理：核心光电式传感器基本元件：光通量变化电量光源光学元件光电元件（1）开关型（2）光通量变化型（3）图像型光电式传感器基本类型：（光电转速表，光电继电器等）（光电转速表，光电继电器等）（CCD）第2页，共57页，编辑于2022年，星期三*外光电效应外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面，而向外发射的现象。（光电管、光电倍增管等）光子能量：逸出功：爱因斯坦光电效应方程：普朗克常数h=6.6261034（J.S）光的频率电子质量电子逸出速度讨论讨论1、光电子能否产生取决于光子的能量是

2、否大于该物体的表面逸出功；2、入射光的光谱不变，产生的光电流与光强度成正比关系，光越强，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多；3、光电子逸出物体表面具有初动能，因此光电管即使没有阳极电压，也会有光电流产生。MR光线F阳阴iU光电管GKA第3页，共57页，编辑于2022年，星期三*内光电效应内光电效应受光照的物体电导率发生变化，或产生光生电动势效应，称为内光电效应。（光敏电阻、光电池等）第4页，共57页，编辑于2022年，星期三*82光电传感器的基本元件一，光源普通电光源：热辐射光源：白炽灯气体放电灯：氖灯，日光灯固体发光光源：发光二极管第5页，共57页，编辑于2022年，星期三*1，钨

3、丝正电阻特性：在工作时的电阻（热电阻）冷态（20）时的电阻（冷电阻）。热电阻1216倍冷电阻。为防止启动时过电流，可采用恒流源供电或灯丝预热。2，电源电压：额定电压使用寿命短（一）白炽灯 靠电能将灯丝加热至白炽而发光。多采用钨丝作灯丝。第6页，共57页，编辑于2022年，星期三*（二）发光二极管（LED）用半导体P-N结将电能光在P-N结两端加电压：势垒的高度和宽度减小，从而克服能带势垒。电子空穴流过P-N结时，产生复合，释放能量：发光（固体发光光源）机理电子和空穴扩散。内电场阻止电子和空穴的进一步扩散。形成势垒。电子从N区流向P区，空穴从P区流向N区。在形成PN结时：第7页，共57页，编辑于

4、2022年，星期三*发光的颜色和光波长由二极管基片的半导体材料而定。发光二级管的光谱特性发光二级管的电流电压特性第8页，共57页，编辑于2022年，星期三*二，光学元件与光路：三，光电元件光电量（一）光敏电阻（又称光导管）：在光线作用下，电子吸收能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化（电阻值变化），这种现象称为“光导效应”。光照的光子能量半导体材料产生电子-空穴载流子电导率（电阻率）光照愈强，阻值愈低。即：反射镜、透镜 构成光路光电元件就是用来把的一种器件原理第9页，共57页，编辑于2022年，星期三*2，主要参数和基本特性（1）光电流：无光照暗电阻 M 暗电流 有光照亮电阻 K

5、 亮电流 光电流亮电流-暗电流（2）伏安特性：结论结论：1、在恒定的光照下，光敏电阻是线性电阻，服从欧姆定律；即外加电压越高，光电流越大；2、在给定电压下，光电流的大小随光照的增强而增大。U-I关系曲线光敏电阻两端所加的电压与电流的关系曲线。第10页，共57页，编辑于2022年，星期三*（3）光照特性（光电特性）：为曲线特性，I=f(),非线性，光照较大时，出现饱和。不宜做光通量变化的光电元件，而作开关元件。光电流与光通量关系曲线饱和（光照强度）（光电流）2，主要参数和基本特性（续）光敏电阻的光电流I与光通量 的关系曲线称为光敏电阻的光照特性。结论结论：第11页，共57页，编辑于2022年，星

6、期三*（4）光谱特性：灵敏度K与波长关系 图8-5，可见不同材料的光敏电阻具有不同光谱特性，光源的发光波长应当与光敏电阻光谱特性峰值的波长相接近，以提高灵敏度。2，主要参数和基本特性（续）结论结论：第12页，共57页，编辑于2022年，星期三*（5）响应时间与频率特性光敏电阻的光电流有惯性。上升时间t1下降时间t2=时间常数不同频率特性 不同材料不同光照 不同响应时间 频率特性光电器件输出电压（电流）的振幅或相对灵敏度随入射光通量的调制频率的变化关系。时间常数光敏电阻自停止光照到电流下降到原来的63所需要的时间。2，主要参数和基本特性（续）第13页，共57页，编辑于2022年，星期三*（6）温

7、度特性温度一般用电阻温度系数表示：2，主要参数和基本特性（续）第14页，共57页，编辑于2022年，星期三*（二）光电池光生伏特效应：P-N结电场阻挡层光照PN结 电子-空穴光生载流子光生电动势1，原理：形成正电位形成负电位第15页，共57页，编辑于2022年，星期三*光电池的种类硅光电池硒光电池第16页，共57页，编辑于2022年，星期三*2，基本特性（1）光谱特性 见图8-8，不同材料，峰值位置不同。可根据光源 光电池，以获最佳光谱响应。第17页，共57页，编辑于2022年，星期三*（2）光照特性：图8-9开路电压曲线照度饱和非线性 光生电动势短路电流曲线光电流密度 所谓光电池的短路电流是

8、指外接负载电阻相对于它的内阻来讲很小时的电流值。-线性第18页，共57页，编辑于2022年，星期三*注意JC与负载电阻有关，实测硅光电池在不同负载电阻情况的光照特性。负载电阻_线性好负载电阻200_显著变坏 短路电流第19页，共57页，编辑于2022年，星期三*（3）频率特性 光电池作为测量，计算，接收元件时常用调制光输入。则频率特性指相对输出电流随调制光的调制频率变化的关系。见图8-10相对输出电流：第20页，共57页，编辑于2022年，星期三*当温度开路电压U（T）曲线变化 快短路电流I（T）曲线变化 缓慢宜作电流源 光电池作测量元件时，为防温度漂移须恒温或温度补偿。（4）温度特性 图8-

9、11第21页，共57页，编辑于2022年，星期三*（三）光敏晶体管一，光敏管的结构和工作原理 光照PN结产生电子-空穴对（光生）少数载流子增加反向电流增大 光照电流光敏二极管：第22页，共57页，编辑于2022年，星期三*光敏三极管：光敏三级管灵敏度优于光敏二极管光电流基极电流集电极电流 基极电流第23页，共57页，编辑于2022年，星期三*二，基本特性：（1）光谱特性：硅:锗:确定光源和光电器件的最佳匹配在一定照度下，光敏晶体管输出的光电流（或相对光谱灵敏度）随波长的变化而变化。相对光谱灵敏度：能量太小不能达到PN结第24页，共57页，编辑于2022年，星期三*（2）光照特性：Ic(Ec)关

10、系 照度 1、光敏二极管线性好；反向电压越大，光电流越大；2、光敏三极管起始灵敏度底；在大电流时有饱和现象。讨论讨论：集电极输出电流光敏三级三管光照特性第25页，共57页，编辑于2022年，星期三*（3）伏安特性：1、光敏三极管比光敏二级管灵敏度大上百倍；2、在零偏压下时，光敏二极管仍有光电流输出，而三极管没有。（4）温度特性：1、暗（光）电流随温度升高而升高。2、温度补偿。（5）频率特性：光敏管的响应时间常数一般：第26页，共57页，编辑于2022年，星期三*（四）光电倍增管利用外光电效应和二次电子发射相结合，把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子获得倍增的一种光电器件。特点特点：放大倍数很

11、高，可达106108，用于探测微弱信号；光电特性的线性关系好；工作频率高达100MHZ；性能稳定，使用方便；供电电压高；玻璃外壳，抗震性差；价格昂贵，体积大；第27页，共57页，编辑于2022年，星期三*第28页，共57页，编辑于2022年，星期三*光电倍增管组成光电倍增管组成光窗（光窗（Input window)光电阴极光电阴极(Photo cathode)电子光学系统电子光学系统电子倍增系统电子倍增系统(Dynodes)阳极阳极(Anode)第29页，共57页，编辑于2022年，星期三*光点阴极光窗倍增系统第30页，共57页，编辑于2022年，星期三*阳极1，二次电子发射：由高速电子冲击而

12、使物体产生电子发射的现象。第31页，共57页，编辑于2022年，星期三*第32页，共57页，编辑于2022年，星期三*原理图原理图几百万电子伏特动能的电子落到物体表面上时，将一部分的能量传给该物体中的电子，使这些电子从物体表面逸出。2，工作原理：第33页，共57页，编辑于2022年，星期三*3，基本特性：（1）积分灵敏度（阳极灵敏度）106数量级，单位A/lm阴极积分灵敏度M倍增管放大倍数 光阴极对于一定波长辐射的光的灵敏度称为光谱灵敏度。对于复合光（白光）的灵敏度称为积分灵敏度，可以用光照灵敏度表示:第34页，共57页，编辑于2022年，星期三*（3）阳极特性：阳极电流Ia随照射到光阴极上的

13、光通量的增大而增大。阳极电流Ia与光通量关系：（2）放大倍数 在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极信号电流与阴极信号电流之比。工作电压增高，光电倍增管的放大倍数也越大。UM饱和曲线 光通量Ia（4）光电特性：例：特性线性3特性非线性lm第35页，共57页，编辑于2022年，星期三*应用第36页，共57页，编辑于2022年，星期三*4,光电倍增管的基本电路第37页，共57页，编辑于2022年，星期三*83新型光电元器件第38页，共57页，编辑于2022年，星期三*一，电荷耦合摄象器件 CCD（一）基本组成部分1，光敏元组成结构：图8-20工作原理：势阱光生电子电荷色象素（MOS）光敏元阵光生电荷

14、图象（与光照强度对应）第39页，共57页，编辑于2022年，星期三*横向光电效应：当光照射到PN结上时，除了产生结电势外，还将产生侧向光生电动势。侧向光生电动势的符号在光照越过中心时改变，光生电动势的大小与光照相对于灵敏面中心位置有关。若在感光面上安上两个电极，就可得与光照中心位置相对应的光电流。PIN型PSD工作原理：图8-26a,b)IA正比于p到B距离IB正比于p到A距离二，半导体光电位置敏感器件（PSD）第40页，共57页，编辑于2022年，星期三*即测出D，则可求得x为光点的位置。其与总电流I0无关，即不受光强度影响。第41页，共57页，编辑于2022年，星期三*一维PSD外形图 图

15、8-27 a)等效图为8-26 b)第42页，共57页，编辑于2022年，星期三*二维PSD外形图 图8-27 b)等效图为8-28第43页，共57页，编辑于2022年，星期三*3，测位置和光强：光强与总电流I0有关。4，信号只与光的重心位置有关，而与光聚焦无关。特点特点：第44页，共57页，编辑于2022年，星期三*1，光到纤维的传光特性折射率传输原理传输原理：当光线从光密物质射向光疏物质，而入射角大于临界角，光线产生全反射全反射全反射全反射。三，光导纤维（光纤）设纤芯纤芯纤芯纤芯和包层包层包层包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图2.4。光线在光纤端

16、面以小角度从空气入射到纤芯(n0n2)。第45页，共57页，编辑于2022年，星期三*图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理光纤传输的全反射原理第46页，共57页，编辑于2022年，星期三*改变角度，不同相应的光线将在纤纤纤纤芯芯芯芯与包包包包层层层层交界面发生反射或折射。根据全反射原理全反射原理，存在一个临界角c。当c时，相应的光线将在交界面折射进入包包包包层层层层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。第47页，共57页，编辑于2022年，星期三*数值孔径反映纤芯接收光量的多少，其意义是：无论光源发射功率有多大，只有2张角之间的光功率能被光纤接

17、收（及传播）。如图8-29数值孔径NA容许的最大入射角由下式求得：上式中：折射率：环境（空气n=1）-纤芯-包层第48页，共57页，编辑于2022年，星期三*根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为数数数数值值值值孔孔孔孔径径径径(Numerical Aperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律斯奈尔定律斯奈尔定律斯奈尔定律 NA=n0sinc=n1cosc ，n1sinc=n2sin90(2.2)n0=1，由式（2.2）经简单计算得到 式中=(n1-n2)/n1为纤芯纤芯纤芯纤芯与包层包层包层包层相对折射率差相对折射率差相对折射率差相对折射率差。NANA表表表表示示示示光光光光纤纤纤纤接接接

18、接收收收收和和和和传传传传输输输输光光光光的的的的能能能能力力力力，NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率越高。对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好;但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限限限限制制制制了了了了信信信信息息息息传传传传输输输输容容容容量量量量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。(2.3)第49页，共57页，编辑于2022年，星期三*时时时时间间间间延延延延迟迟迟迟 根据图2.4，入射角为的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，

19、在不大的条件下，其传播时间即时时时时间间间间延迟延迟延迟延迟为 式中c为真空中的光速。由式(2.4)得到最最大大入入射射角角(=c)和最最小小入入射角射角(=0)的光线之间时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟差差近似为(2.4)(2.5)这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽，或称为信号畸变信号畸变信号畸变信号畸变。由此可见，突变型多模光纤突变型多模光纤突变型多模光纤突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟不同而产生的。第50页，共57页，编辑于2022年，星期三*光纤结构和类型光纤结构和类型 光纤结构光纤结构 光光纤纤（Op

20、tical Fiber）是是由由中中心心的的纤纤芯芯和和外外围围的的包包层层同同轴轴组组成成的圆柱形细丝的圆柱形细丝。纤纤芯芯的折折射射率率比包包层层稍高，损损耗耗比包包层层更低，光能量主要在纤纤芯芯内传输。包包层层为光的传输提供反反射射面面和光光隔隔离离，并起一定的机机械械保护作用。设纤纤芯芯和包包层层的折折射射率率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。第51页，共57页，编辑于2022年，星期三*图图2.1 光纤的外形光纤的外形第52页，共57页，编辑于2022年，星期三*光纤类型光纤类型 光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高高纯纯度度石石英英（SiO2）制

21、成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，突变型多模光纤突变型多模光纤（Step-Index Fiber,SIF）渐变型多模光纤渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber,GIF）单模光纤单模光纤（Single-Mode Fiber,SMF）相对于单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤而言，突突突突变变变变型型型型光光光光纤纤纤纤和渐渐渐渐变变变变型型型型光光光光纤纤纤纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤多模光纤第53页，共57页，编辑于2022年，星期三*第54页，共57页，编辑于2022年，星期三*光纤模式：光波沿光纤传播的途径和方式 在光纤中传播的模式很多，这对信息的

22、传播是不利的。因为同一光信号采用很多模式传播，会使光信号分裂为不同时间到达接收端的多个小信号，从而导致合成信号畸变。第55页，共57页，编辑于2022年，星期三*2、光导纤维的出射光特性一般而言，经光纤后出射的光为发散光。3、光纤几何形状对其特性的影响（1）光纤端面倾斜的影响（2）光纤弯曲的影响光纤在弯曲部位仍能很好地全反射。d-几十个微米，所以，弯曲部分仍可认为是直线（3）光纤直径变化的影响第56页，共57页，编辑于2022年，星期三*4、光纤传感器的特点1、灵敏度、线性度、动态响应好；2、尺寸小；3、耐高温，耐水性；4、可绕性；5、频带宽；6、非电连接，无机械可动部件。5、光电传感器的应用第57页，共57页，编辑于2022年，星期三