第7章 光電式與光纖傳感器.doc

感測(cè)技術(shù)講義第7章 光電式傳感器光電式傳感器（Photoelectric Sensor）：以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，將光信號(hào)（光量的變化）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電量的變化）的一種傳感器。7.1 光電效應(yīng)（Photoelectric Effect, Photoeffect）愛因斯坦光子學(xué)說：光是由一連串具有一定能量的粒子組成，其能量大小等于。普朗克常數(shù)光的頻率（）不同頻率的光具有不同的能量，光的頻率越高，其光子能量越大。光照射到物體表面后產(chǎn)生光電效應(yīng)，分為兩類：1. 外光電效應(yīng)（光電發(fā)射 Photoeletric Emission）在光線作用下，能使物體內(nèi)的電子逸出物體表面的現(xiàn)象。基于外光電效應(yīng)的光電器件（光敏元件）：光電管、光電倍增管根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程： （能量守恒定律）A0 某物體的電子的逸出功V電子的逸出速度。結(jié)論:（1）當(dāng)光子能量，即時(shí)，才有光電子逸出物體表面，產(chǎn)生外光電效應(yīng)。當(dāng)，即（紅限頻率）時(shí)，光電子的。當(dāng)時(shí)，不論光強(qiáng)度有多大，都不會(huì)使物體發(fā)射出光電子，不會(huì)產(chǎn)生外光電效應(yīng)。（2）光電子的初動(dòng)能取決于光的頻率，。2. 內(nèi)光電效應(yīng)（Inner Photoeffect）（1）光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，某些物體（本征半導(dǎo)體）內(nèi)部的原子釋放電子，這些電子并不逸出物體表面，但使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的效應(yīng)被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件：光敏電阻為實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須滿足即：入射光的波長(zhǎng)必須（波長(zhǎng)限）（2）光生伏特效應(yīng) 在光線作用下，物體（半導(dǎo)體）內(nèi)部的原子釋放電子，這些電子并不逸出物體表面，但使物體產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)被稱為光生伏特效應(yīng)。 基于光生伏特效應(yīng)的光電器件：光電池、光敏二極管、光敏三極管7.2 外光電效應(yīng)的光電器件1. 光電管（真空） 2. 光電倍增管陽(yáng)極電流I為：i光電陰極的光電流；各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)；n光電倍增管極數(shù)。 光電倍增管的電流放大倍數(shù)為7.3 內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件1. 光敏電阻（光電導(dǎo)管Photoconductor, Photoconductive Tube）（1）工作原理基于光電導(dǎo)效應(yīng)。無光照時(shí)，RG很大，I很?。挥泄庹諘r(shí)，RG急劇減小，I迅速增大。（2）光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性 暗電阻、亮電阻、光電流暗電阻在未受到光（某種波長(zhǎng)）照射時(shí)的阻值稱為暗電阻，流過的電流為暗電流。亮電阻在受到光（某種波長(zhǎng)）照射時(shí)的阻值稱為亮電阻，流過的電流為亮電流。光電流=亮電流暗電流暗電阻越大，亮電阻越小，則光敏電阻的性能越好。即暗電流要小，亮電流要大。一般，暗電阻1M, 亮電阻n2時(shí)，一部分入射光折射入光疏物質(zhì)，其余部分反射回光密物質(zhì)。 斯乃爾定理： （ 因?yàn)?，所以 ）始終： 臨界狀態(tài)： 臨界角： 當(dāng)時(shí)，發(fā)生全反射7.5.3 光纖的傳（導(dǎo)）光原理根據(jù)斯乃爾定理 （1） （2） （空氣）由（1）得：由（2）得：臨界狀態(tài)：實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角： （數(shù)值孔徑）結(jié)論：1 纖芯和包層介質(zhì)的折射率差值越大，數(shù)值孔徑就越大，光纖的集光能力越強(qiáng)。 數(shù)值孔徑反映了光纖的集光能力。2當(dāng)時(shí)，光線會(huì)透入包層而消失。3當(dāng)時(shí)，光線在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射而向前傳播，光在光纖內(nèi)經(jīng)過無數(shù)次的全反射，就從光纖的一端以光速傳播到另一端，這就是光纖傳光的基本原理。7.5.4 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類1. 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理傳統(tǒng)傳感器：以機(jī)電測(cè)量為基礎(chǔ)，把測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的電信號(hào)的裝置。導(dǎo)線 被測(cè)量 電源 敏感元件 信號(hào)接收器 信號(hào)處理 導(dǎo)線 光纖傳感器：以光學(xué)測(cè)量為基礎(chǔ)，把測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置。光纖 被測(cè)量 光發(fā)送器 敏感元件 光接收器 信號(hào)處理 光纖 光纖傳感器的基本工作原理：光纖 光纖 被測(cè)量 調(diào)制光信號(hào) 光信號(hào) 光調(diào)制器 光探測(cè)器 光解調(diào)器 非電量（被測(cè)量） 光： 電磁波 波長(zhǎng) 光的電矢量E： A 光波的振幅光波的振動(dòng)頻率光波的相位將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與光相互作用，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的光信號(hào)，再經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。2. 光纖傳感器的分類（1） 非功能型（傳光型）光纖傳感器光纖 被測(cè)量 光發(fā)送器 敏感元件 光接收器 信號(hào)處理 光纖：僅起傳（導(dǎo)）光作用敏感元件：非光纖型優(yōu)點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)，成本低，占據(jù)了光纖傳感器的絕大多數(shù)。缺點(diǎn)：靈敏度低（2） 功能型（傳感型）光纖傳感器光纖 被測(cè)量 光發(fā)送器 光纖敏感元件 光接收器 信號(hào)處理 光纖：不僅起傳光作用，而且作為敏感元件敏感元件：光纖型優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高缺點(diǎn)：成本高（因需用特殊的光纖和先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)）7.5.5 光纖傳感器的調(diào)制原理1. 強(qiáng)度調(diào)制利用被測(cè)量的因素改變光纖中光的強(qiáng)度，再通過檢測(cè)光強(qiáng)的變化來測(cè)量外界物理量，稱為強(qiáng)度調(diào)制。2. 波長(zhǎng)和頻率調(diào)制利用外界被測(cè)量的因素改變光纖中光的波長(zhǎng)或頻率，然后，再通過檢測(cè)光纖中光的波長(zhǎng)或頻率的變化來測(cè)量外界物理量，分別稱為波長(zhǎng)調(diào)制和頻率調(diào)制。3. 相位調(diào)制利用被測(cè)量的因素改變光纖中光波的相位，再通過檢測(cè)光波相位變化來測(cè)量外界物理量，稱為相位調(diào)制。4. 偏振調(diào)制7.5.6 光電傳感器與光纖傳感器應(yīng)用舉例（P172）1. 煙塵濁度檢測(cè)儀