《光電傳感器原理》ppt課件

1、 CH8 光電式傳感器光電式傳感器光電器件12紅外傳感器34光電傳感器應(yīng)用舉例光電開(kāi)關(guān)及光電斷續(xù)器概述概述非電量電量非電量光電器件非接觸、響應(yīng)快、可靠 8.1 光電器件光電器件光電器件：將光能光能轉(zhuǎn)換為電能電能的一種傳感器件, 它是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。 光電器件特點(diǎn)：響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 使用方便有較高的可靠性因此在自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中, 應(yīng)用非常廣泛。 v光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)類(lèi)型光電效應(yīng)類(lèi)型機(jī)理機(jī)理(光線作用下光線作用下)實(shí)例實(shí)例備注備注內(nèi)光電效應(yīng)物體的電導(dǎo)性能改變光敏電阻外光電效應(yīng)電子逸出物體表面光電管、光電倍增管光生伏特效應(yīng) 物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)

2、勢(shì)光電池、 光敏晶體管一、一、 光敏電阻光敏電阻 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻（光導(dǎo)管）, 它幾乎都是用半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料制成光敏電阻沒(méi)有極性, 純粹是一個(gè)電阻器件, 使用時(shí)既可加直流電壓, 也可以加交流電壓。無(wú)光照時(shí), 光敏電阻值（暗電阻）很大很大, 電路中電流-暗電流）暗電流）很小很小。 當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí), 它的阻值-亮電阻）急劇減少, 電路中電流迅速增大。光敏電阻演示 當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）暗電流（越小越好）一般希望暗電阻越大越好暗電阻越大越好, 亮電阻越小越好亮電阻越小

3、越好,此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。 實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí), 亮電阻在幾千歐以下。 光敏電阻是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì), 半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極, 金屬電極與引出線端相連接, 光敏電阻就通過(guò)引出線端接入電路。為了防止周?chē)橘|(zhì)的影響, 在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜, 漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。2、 光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù)（） 暗電阻光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱(chēng)為暗電阻, 此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為暗電流。 （） 亮電阻光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱(chēng)為亮電阻, 此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。 （） 光電流亮電流與暗電流之差稱(chēng)為光電流。3、 光敏電阻的基

4、本特性光敏電阻的基本特性（1） 伏安特性：在一定照度下, 流過(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱(chēng)為光敏電阻的伏安特性。由圖可見(jiàn), 光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi), 其I-U曲線為直線，說(shuō)明其阻值與入射光量有關(guān), 而與電壓、電流無(wú)關(guān)。（2） 光譜特性：光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱(chēng)為光譜特性, 亦稱(chēng)為光譜響應(yīng)。 對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng), 光敏電阻的靈敏度是不同的。硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域, 常被用作光度量測(cè)量（照度計(jì)）的探頭硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū), 常用做火焰探測(cè)器的探頭（3） 溫度特性：溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng), 同時(shí), 光敏電阻的靈敏度和暗電阻都

5、要改變, 尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。因此, 硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。 對(duì)于可見(jiàn)光的光敏電阻, 其溫度影響要小一些 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。 它裝在透明玻璃外殼中, 其PN結(jié)裝在管的頂部, 可以直接受到光照射。 二、二、 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管將光敏二極管的將光敏二極管的PN 結(jié)設(shè)結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管方，光照射到光敏二極管的的PN結(jié)時(shí)，電子結(jié)時(shí)，電子-空穴對(duì)空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流與照度數(shù)量增加，光電流與照度成正比。成正比。

6、 光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)：1）、在沒(méi)有光照射時(shí), 反向電阻很大, 反向電流很小, 這反向電流稱(chēng)為暗電流。 2）、當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí), 光子打在PN結(jié)附近, 使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)。它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng), 形成光電流。3）、光的照度越大, 光電流越大。 因此光敏二極管在不受光照射時(shí), 處于截止?fàn)顟B(tài), 受光照射時(shí), 處于導(dǎo)通狀態(tài)。 光敏二極管的反向偏置接線 在沒(méi)有光照時(shí)，由于在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。（暗電流）很小。光敏光敏二二極管的極管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照光敏晶體管與一

7、般晶體管很相似, 具有兩個(gè)PN結(jié), 只是它的發(fā)射極一邊做得很大, 以擴(kuò)大光的照射面積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引出線, 當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí), 集電結(jié)就是反向偏壓；當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí), 就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì), 從而形成光電流, 相當(dāng)于三極管的基極電流。由于基極電流的增加, 因此集電極電流是光生電流的倍, 所以光敏晶體管有放大作用。 光敏三極管v 材料：光敏二極管和光敏晶體管的材料幾乎都是硅v 在形態(tài)上, 有單體型和集合型集合型是在一塊基片上有兩個(gè)以上光敏二極管, 比如在后面講到的CCD圖像傳感器中的光電耦合器件, 就是由光敏晶體管和其它發(fā)光元件組合而成的。光

8、敏二極管外形 包含包含1024個(gè)個(gè)InGaAs元件元件的線性光電二極管陣列，可用的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。于分光鏡。（） 光譜特性：光敏二極管和晶體管的光譜特性曲線如圖8 - 8所示。從曲線可以看出, 硅的峰值波長(zhǎng)約為0.9m, 鍺的峰值波長(zhǎng)約為1.5m, 此時(shí)靈敏度最大, 而當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加或縮短時(shí), 相對(duì)靈敏度也下降。一般來(lái)講, 鍺管的暗電流較大, 因此性能較差, 故在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí), 一般都用硅管。 但對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí), 鍺管較為適宜。 2、 基本特性基本特性（） 伏安特性：圖中可見(jiàn), 光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。 （3） 溫度特性：光敏晶體管

9、的溫度特性是指其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。 從特性曲線可以看出, 溫度變化對(duì)光電流影響很小, 而對(duì)暗電流影響很大, 所以在電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償, 否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。表8-2列出幾種硅光電二極管的特性參數(shù)。PIN光電二極管PIN光電二極管是在光電二極管是在P區(qū)和區(qū)和N區(qū)之間區(qū)之間插入一層電阻率很大插入一層電阻率很大的的I層層，從而，從而減小了減小了PN結(jié)的電容結(jié)的電容，提高了工作頻率提高了工作頻率。PIN光敏二極管的光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高工作電壓（反向偏置電壓）高，光電光電轉(zhuǎn)換效率高轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小暗電流小，其，其靈敏度比普通的光敏二極管靈敏度比普通的光敏

10、二極管高得多高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十兆赫響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十兆赫應(yīng)用：各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器應(yīng)用：各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、的接收管（紅外波段）、UHF 頻帶小信號(hào)開(kāi)關(guān)頻帶小信號(hào)開(kāi)關(guān)、中波頻中波頻帶帶到到1000MHZ之間電流控制、可變衰減器、各種通信之間電流控制、可變衰減器、各種通信設(shè)備收發(fā)天線的高頻功率開(kāi)關(guān)切換和設(shè)備收發(fā)天線的高頻功率開(kāi)關(guān)切換和RF領(lǐng)域的高速開(kāi)領(lǐng)域的高速開(kāi)關(guān)等。關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極管二極管還可用于測(cè)量還可用于測(cè)量紫外線紫外線或或射射線線等。等。APD光敏二極管（雪崩光敏二極管）硅雪崩光電二極管是采用硅雪崩

11、光電二極管是采用n+p-p+型結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)光和近型結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)光和近紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器它具有它具有高響應(yīng)度高響應(yīng)度，高信噪比高信噪比，高響應(yīng)速度高響應(yīng)速度等特點(diǎn)，等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于可廣泛應(yīng)用于微光信號(hào)檢測(cè)微光信號(hào)檢測(cè)、長(zhǎng)距離光纖通信、激光、長(zhǎng)距離光纖通信、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對(duì)抗系統(tǒng)。測(cè)距、激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對(duì)抗系統(tǒng)。但所需供電電壓高半導(dǎo)體探測(cè)器種類(lèi)半導(dǎo)體探測(cè)器種類(lèi) 光電三極管光電三極管PNPINAPD線性線性非線性非線性線性響應(yīng)度響應(yīng)度低低較高較高高最高最高頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)(帶寬帶寬)kHzGHzGHz所需電壓所需電壓0V5V5V數(shù)十?dāng)?shù)十100光電池是一種直接將光

12、能轉(zhuǎn)換為電能直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。 光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源電源, 電路中有了這種器件就不需要外加電源。 光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)”。 它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié), 當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面, 例如p型面時(shí), 若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度, 那么p型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴, 電子空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散, 在結(jié)電場(chǎng)的作用下, 最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。 三、三、 光電池光電池光電池的基本特性有以下幾種：（） 光譜特性：光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度是不同的。從圖中可知, 不同材料的光電池, 光譜響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的入射光波

13、長(zhǎng)是不同的, 硅光電池在0.8m附近, 硒光電池在0.5 m附近。 硅光電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為0.41.2 m, 而硒光電池的范圍只能為0.380.75 m。 可見(jiàn)硅光電池可以在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)得到應(yīng)用。 （） 光照特性：光電池在不同光照度下, 光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的, 它們之間的關(guān)系就是光照特性。 從圖中看出, 短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度成線性關(guān)系 開(kāi)路電壓(負(fù)截電阻RL無(wú)限大時(shí))與光照度的關(guān)系是非線性的并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)就趨于飽和了。因此光把電池作為測(cè)量元件時(shí), 應(yīng)把它當(dāng)作電流源當(dāng)作電流源的形式來(lái)使用, 不能用作電壓源。 短路電流短路電流硅光電池的開(kāi)路電壓和短路電流與光照

14、的關(guān)系曲線。 (3) 溫度特性：光電池的溫度特性是描述光電池的開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移, 影響到測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo), 因此溫度特性是光電池的重要特性之一。從圖中看出, 開(kāi)路電壓隨溫度升高而下降的速度較快, 而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對(duì)光電池的工作有很大影響, 因此把它作為測(cè)量器件應(yīng)用時(shí), 最好能保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。 表 8 - 3 為國(guó)產(chǎn)硅光電池的特性參數(shù)。 由表可見(jiàn), 硅光電池的最大開(kāi)路電壓為600mV, 在照度相等的情況下, 光敏面積越大，輸出的光電流也越大。光電池外形光敏面光敏面能提供較大電流的大

15、面積光電池外形其他光電池及在照度測(cè)量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池柔光罩下面為圓形光電池光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用太陽(yáng)能賽車(chē)太陽(yáng)能賽車(chē)太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)模型太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)模型太陽(yáng)能太陽(yáng)能 硅光電池板硅光電池板光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）太陽(yáng)能發(fā)電太陽(yáng)能發(fā)電光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用v紅外技術(shù)是在最近幾十年中發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)。 它已在科技、 國(guó)防和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。 v紅外傳感器按其應(yīng)用可分為以下幾方面: 紅外輻射計(jì)，用于輻射和光譜輻射測(cè)量; 搜索和跟蹤系統(tǒng),

16、 用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo), 確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤; 熱成像系統(tǒng), 可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像, 如紅外圖像儀、 多光譜掃描儀等; 紅外測(cè)距和通信系統(tǒng); 混合系統(tǒng), 以上各類(lèi)系統(tǒng)中的兩個(gè)或多個(gè)的組合8.2 紅外傳感器紅外傳感器一、一、 紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ)紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ)v紅外輻射俗稱(chēng)紅外線, 它是一種不可見(jiàn)光, 由于是位于可見(jiàn)光中紅色光以外的光線, 故稱(chēng)紅外線。v它的波長(zhǎng)范圍大致在0.761000 m, 紅外線在電磁波譜中的位置如圖波長(zhǎng)增大、頻率減小波長(zhǎng)減小、頻率增大紫外線紅外線工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分, 即近紅外、 中紅外、 遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外v 紅外輻射的物

17、理本質(zhì)是熱輻射熱輻射。v 一個(gè)熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過(guò)紅外線輻射出來(lái)的。v 物體的溫度越高, 輻射出來(lái)的紅外線越多, 輻射的能量就越強(qiáng)。v 紅外線被物體吸收時(shí), 可顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮躹紅外輻射和所有電磁波一樣紅外輻射和所有電磁波一樣, 是以波的形式在空間是以波的形式在空間直線傳播直線傳播的。的。v它在大氣中傳播時(shí)它在大氣中傳播時(shí), 大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線存大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線存在不同的吸收帶在不同的吸收帶, 紅外線氣體分析器就是利用該特紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的性工作的, 空氣中對(duì)稱(chēng)的雙原子氣體空氣中對(duì)稱(chēng)的雙原子氣體, 如如N2、O2、H2等不吸收紅外線等不吸收紅外線v

18、紅外線在通過(guò)大氣層時(shí)紅外線在通過(guò)大氣層時(shí), 有三個(gè)波段有三個(gè)波段透過(guò)率高透過(guò)率高, 它它們是們是22.6 m、35 m和和814 m, 統(tǒng)稱(chēng)它們?yōu)榻y(tǒng)稱(chēng)它們?yōu)椤按髿獯翱诖髿獯翱凇眝這三個(gè)波段對(duì)紅外探測(cè)技術(shù)特別重要這三個(gè)波段對(duì)紅外探測(cè)技術(shù)特別重要, 因?yàn)榧t外探因?yàn)榧t外探測(cè)器一般都工作在這三個(gè)波段（大氣窗口）之內(nèi)測(cè)器一般都工作在這三個(gè)波段（大氣窗口）之內(nèi)二、二、 紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示系統(tǒng)等組成。電路及顯示系統(tǒng)等組成。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心。紅外探測(cè)器種類(lèi)很多紅外探測(cè)器種類(lèi)

19、很多, 常見(jiàn)的有兩大類(lèi)常見(jiàn)的有兩大類(lèi): 熱探測(cè)器光子探測(cè)器1. 熱探測(cè)器熱探測(cè)器熱探測(cè)器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)紅外輻射的熱效應(yīng), 探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高溫度升高, 進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)的變化, 便可確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。 紅外線 溫度升高 有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化與光子探測(cè)器相比, 熱探測(cè)器的探測(cè)率探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低低, 響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。但熱探測(cè)器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬響應(yīng)波段寬, 響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域, 可以在室溫下工作在室溫下工作, 使用方使用方便便, 應(yīng)用仍相當(dāng)廣泛。 熱探測(cè)器主要類(lèi)型有熱釋電型、熱敏電阻型、 熱電偶型和氣體型探測(cè)器。而熱釋電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器在熱探測(cè)器中探測(cè)率最高探測(cè)率最高, 頻率