傳感器光電式傳感器

1、傳感器原理及應(yīng)用2014年5月21日Principles and Applications of Transducer機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院 主主 講：黃海鴻講：黃海鴻 電電 郵：郵： 地地 址：機(jī)械樓址：機(jī)械樓417室室1編碼器在智能汽車上的應(yīng)用n光電編碼器、激光雷達(dá)和GPS數(shù)據(jù)的使用-50050100050100150 x / my / m掃描匹配軌跡航位推算軌跡道路邊緣SE (a) 用單傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行定位 (b) 多傳感器數(shù)據(jù)融合結(jié)果2問題n某光柵的柵線密度是某光柵的柵線密度是100100線線/mm/mm，要使形成莫爾條，要使形成莫爾條紋寬度為紋寬度為10mm10mm，求柵

2、線夾角是多少？，求柵線夾角是多少？3第七章 光電式傳感器n應(yīng)用光電效應(yīng)原理，將光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成電信號的器件n當(dāng)光束投射到某些物質(zhì)表面時(shí)，光子將穿透其表層，物質(zhì)中的電子獲得能量，或者物質(zhì)的電阻值變化，或產(chǎn)生電動勢，從而實(shí)現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換n第一節(jié) 光電效應(yīng)和光電元件n第二節(jié) 光電式傳感器應(yīng)用47.1 光電效應(yīng)和光電元件n光電效應(yīng)n光由具有一定能量的光粒子組成，每個(gè)光子的能量E正比于光的頻率v，即 E = hv = hc / 式中，h 普朗克常數(shù)；c 光速；光波波長n光照射在物體（半導(dǎo)體材料）上，相當(dāng)于一串具有能量的光粒子轟擊該物體，物體吸收光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從

3、而產(chǎn)生了電效應(yīng)。n外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)57.1 光電效應(yīng)和光電元件n外光電效應(yīng)n在光照的作用下，物體中的電子吸收入射光子能量后逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象。向外發(fā)射的電子稱為光電子。n產(chǎn)生條件：入射光子的能量E大于該物體的逸出功A0。多余的能量將轉(zhuǎn)換成電子的動能。根據(jù)能量守恒定理， hv = mv02 + A0 式中，h 普朗克常數(shù)； v 光的頻率； m 電子質(zhì)量；v0 電子逸出速度；A0 電子逸出面的功n物體的光頻閾值（即紅限頻率）決定逸出功A0的大小。n電子逸出表面時(shí)具有初始動能，則會有光電流產(chǎn)生。n入射光的頻譜成份不變時(shí)，產(chǎn)生的光電效應(yīng)與發(fā)光強(qiáng)度成正比。愛因斯坦光電效應(yīng)方程67.1 光

4、電效應(yīng)和光電元件n外光電效應(yīng)n根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量。n當(dāng)光線頻率低于紅限頻率時(shí)，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，若入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。n光強(qiáng)愈大，入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。n外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時(shí)間不超過10-9s。hv = mv02 + A077.1 光電效應(yīng)和光電元件n外光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)n當(dāng)紫外線照射鋅板時(shí)，電子從鋅板表面飛出來，使鋅板帶正電，與其連接的驗(yàn)電器帶電，兩片金屬箔因帶同種電荷互斥而張開。n在光電器

5、件外加正向電壓，檢測光電流（受電場力的功影響）；正向電壓為零時(shí)，仍存在光電流；加反向截止電壓后，電場力的功與電子初始動能抵消，光電流為零。鋅板驗(yàn)電器弧光燈I IIW = U q87.1 光電效應(yīng)和光電元件n外光電效應(yīng)n光電元件：紫外光電管、光電倍增管等n當(dāng)紫外線照射在紫外管陰極板上時(shí)，電子克服金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等。 紫 外 線I II97.1 光電效應(yīng)和光電元件n外光電效應(yīng)器件光電管n由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。有

6、真空光電管和充氣光電管兩類。n當(dāng)光照在陰極上時(shí)，陽極收集從陰極上逸出的電子，在外電場作用下形成電流。 光陽極光電陰極光窗連接電路光通量I II107.1 光電效應(yīng)和光電元件n外光電效應(yīng)器件光電管的主要特性n伏安特性n在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性真空光電管的伏安特性曲線5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012IA/ AU / V光通量光通量光通量 電壓電壓 電流電流 光波長光波長?117.1 光電效應(yīng)和光電元件n外光電效應(yīng)器件光電管的主要特性n光照特性n當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電

7、壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性光電管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/ A1.02.51曲線1為氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極光電管光照特性曲線，成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。 127.1 光電效應(yīng)和光電元件n外光電效應(yīng)器件光電管的主要特性n光譜特性n當(dāng)入射光的頻率高于物體的紅限頻率后，如果光強(qiáng)相同，隨著入射光頻率不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量也會不同，即同一光電管對不同頻率的光的靈敏度不同。n光電流與入射光的波長（或頻率）之間的關(guān)系，稱為光譜特性，或頻

8、譜特性。n對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。n其他特性n暗電流n頻率特性137.1 光電效應(yīng)和光電元件n外光電效應(yīng)器件光電倍增管n當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾A，不容易探測，需要用光電倍增管放大電流。n由光陰極、次陰極(倍增電極)和陽極三部分組成。光陰極由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級；陽極收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍。入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極147.1 光電效應(yīng)和光電元件n外光電效應(yīng)器件光電倍增管主要參數(shù)n倍增系數(shù)M n倍增系數(shù)M等于n個(gè)倍增電極的二次電

9、子發(fā)射系數(shù)的乘積。如果n個(gè)倍增電極的都相同，則M = nn陽極電流 I 與光電陰極的光電流i之間的關(guān)系為： I = i nn光電倍增管的電流放大倍數(shù)為 = I / i =nnM與所加電壓有關(guān)，電壓穩(wěn)定性要在0.1以內(nèi)，如果有波動，倍增系數(shù)也要波動，因此M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落，穩(wěn)定性為1左右。一般陽極和陰極之間的電壓為10002500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為50100V。所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計(jì)漲落，從而減小測量誤差157.1 光電效應(yīng)和光電元件n外光電效應(yīng)器件光電倍增管主要參數(shù)n光電陰極靈敏度n一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)n光電倍增管總靈敏度n一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均

10、電子數(shù)n光電倍增管的最大靈敏度可達(dá)10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)n由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會損壞167.1 光電效應(yīng)和光電元件n外光電效應(yīng)器件光電倍增管光照特性n反應(yīng)陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對于較好的管子，在很寬的范圍之內(nèi)，當(dāng)入射光通量小于10-4lm時(shí)，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性。與直線最大偏離是3%10131010109107105103101在45mA處飽和10141010106102光通量/1m陽極電流/A177.1 光電效應(yīng)和光電元件n內(nèi)光電效應(yīng)n在光的

11、照射下，半導(dǎo)體材料的電阻率發(fā)生變化、或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象n光電導(dǎo)效應(yīng)（如：光敏電阻）n在光照下，半導(dǎo)體材料中的電子吸收了光子能量，躍遷到自由狀態(tài)，激發(fā)出電子空穴對，使載流子濃度增加，加大了材料的電導(dǎo)率（即電阻率的倒數(shù)）n光生伏特效應(yīng)（如：光電池、光敏晶體管）n在光照下，物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電動勢187.1 光電效應(yīng)和光電元件n內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)n當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。為實(shí)現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，即 hv

12、= hc / = 1.24 / Eg 式中, v、入射光的頻率和波長n一種光電導(dǎo)體，存在一個(gè)照射光的波長限C，只有波長小于C的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子在能級間的躍遷，從而使光電導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。197.1 光電效應(yīng)和光電元件n內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)n光敏電阻n又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。n光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。 A光導(dǎo)電材料絕緣襯低引線電極引線光電導(dǎo)體207.1 光電效應(yīng)和光電元件n內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)n光敏電阻21Cds光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號光敏電阻的結(jié)構(gòu)

13、和符號（a）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) （b）電極電極 （c）符號符號1-光導(dǎo)層光導(dǎo)層 2-玻璃窗口玻璃窗口 3-金屬外殼金屬外殼 4-電極電極5-陶瓷基座陶瓷基座 6-黑色絕緣玻璃黑色絕緣玻璃 7-電極引線電極引線n內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)n光敏電阻7.1 光電效應(yīng)和光電元件227.1 光電效應(yīng)和光電元件n內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)n光敏電阻材料n除硅、鍺以外，還有硫化物、硒化物、碲化物等半導(dǎo)體材料n光敏電阻的特點(diǎn)n靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強(qiáng)和壽命長等。n許多光敏電阻對紅外線敏感，適宜于紅外線光譜區(qū)工作。n由于光照特性的非線性，不適宜于測量要求線性的場合，常用作開

14、關(guān)式光電信號的傳感元件。n靈敏度易受濕度的影響，因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。n需要外部電源，有電流時(shí)會發(fā)熱。一般光敏電阻使用時(shí)，應(yīng)采取降溫措施！一般光敏電阻使用時(shí)，應(yīng)采取降溫措施！237.1 光電效應(yīng)和光電元件n內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)n利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。在光照下，PN結(jié)附近吸收光子能量，產(chǎn)生的自由電子濃度增加（電子空穴對濃度增加），在外加電場和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)電子進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)空穴進(jìn)入P區(qū)，最后通過PN結(jié)的反向電流加大，形成了光電流。n光電池n把太陽能轉(zhuǎn)變成電能，又稱太陽電池。n目前,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。n硅光電池價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外

15、光。n硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長0.56m)，最適宜制造照度計(jì)。n砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它主要用于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等的電源。247.1 光電效應(yīng)和光電元件n內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)n光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理n硅光電池是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流

16、流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。+光PNSiO2RL(a) 光電池的結(jié)構(gòu)(b) 光電池的工作原理I光 P N257.1 光電效應(yīng)和光電元件n內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)n光敏二極管n光敏二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾A到幾十A。n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)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。n按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有

17、同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。RL 光PN連接電路PN光267.1 光電效應(yīng)和光電元件n內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)n光敏二極管n在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小。光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流。n受光照射時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。n光敏二極管的光照特性是線性的，所以適

18、合檢測等方面的應(yīng)用。277.1 光電效應(yīng)和光電元件n內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)n光敏三極管n有PNP型和NPN型兩種。結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似。它的基極一邊做的很大，以擴(kuò)大光的照射面積，且基極不接引線。n當(dāng)集電極加上正電壓、基極開路時(shí)，集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí)，會產(chǎn)生電子-空穴對，在內(nèi)電場的作用下，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的倍，因此具有電流增益。NNPe bcPPN bec RL E連接電路287.1 光電效應(yīng)和光電元件n光譜n光波：波長為10106nm的電磁波n可見光：

19、波長380780nmn紫外線：波長10380nm波長300380nm稱為近紫外線波長200300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長10200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線n紅外線：波長780106nm波長3m（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3m 的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線遠(yuǎn)紫外遠(yuǎn)紫外近紫外近紫外可見光可見光近紅外近紅外遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外極遠(yuǎn)紫外0.01105波長/m1297.1 光電效應(yīng)和光電元件n光源n鎢絲白熾燈n用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的發(fā)光范圍：可見光外、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。n壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差。n發(fā)光二極管（

20、LED）n由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，發(fā)射單色光光波、紅外光，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。n激光器n理想光源，方向性好，頻率單純。n氣體放電燈307.1 光電效應(yīng)和光電元件n光電式傳感器的類型n模擬式光電傳感器：將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流輸出、且與被測量之間是單值關(guān)系n光源本身是被測物發(fā)出的，光通量射向光電元件，如：照度計(jì)、光電比色高溫計(jì)。n恒定光源發(fā)射，其光通量穿過被測物且被部分吸收，如：透明度、混濁度的測試。n恒定光源發(fā)射，被測物進(jìn)行反射改變光通量，如粗糙度，紙張的白潔度測試。n恒定光源發(fā)射，被被測物遮擋部分，減弱光通量，如：被測物的位置、尺寸大小、

21、振蕩狀態(tài)等測量。n脈沖式光電傳感器：將被測量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的光電流輸出，一般可用作開關(guān)器件，用于光繼電器式檢測裝置中，或多類計(jì)數(shù)器、轉(zhuǎn)速表中 317.2 光電式傳感器應(yīng)用n光電轉(zhuǎn)速傳感器nI 在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。nII 在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。2312 31I II327.2 光電式傳感器應(yīng)用n光電轉(zhuǎn)速傳感器n由開孔圓盤、光源、光敏元件及縫隙板等組成。開孔圓盤的輸入軸與被測軸相連接，光源發(fā)出的光通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上，光敏元件將其轉(zhuǎn)為電信號輸出。n通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率，得到被測轉(zhuǎn)速。開孔圓盤337.2 光電式傳感器應(yīng)用n用于生產(chǎn)流水線的檢測n檢測生產(chǎn)流水線上瓶蓋及商標(biāo)的實(shí)例。除記數(shù)外，還可進(jìn)行位置檢測(如裝配體有沒有到位)、質(zhì)量檢查(如瓶蓋是否壓上，標(biāo)簽是否漏貼等)。347.2 光電式傳感器應(yīng)用n條形碼掃描n條形碼由黑白相間、粗細(xì)不同的線條組成。n掃描裝置的末端為光電讀入頭，由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏三極管組成。當(dāng)末端在條形碼上移動時(shí)，若