光學(xué)傳感器概況課件

1、模塊三 傳感器原理及檢測(cè)實(shí)訓(xùn)光學(xué)傳感器浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐文3.6.1 光學(xué)傳感器概述3.6.2 光電效應(yīng)3.6.3 光電器件3.6.4 光學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)返回首頁(yè)3.6 光學(xué)傳感器返回首頁(yè)3.6.1 光學(xué)傳感器概述x1光源光通路光電器件測(cè)量電路光量光量電量x2輸出X1被測(cè)量直接引起光源光量的變化X2被測(cè)量在光傳播過(guò)程中調(diào)制光量對(duì)光量的調(diào)制方法：返回首頁(yè)3.6.1 光學(xué)傳感器概述常用光源發(fā)光器件物體輻射光白熾光源氣體放電光源發(fā)光二極管激光器GaP、SiC可見(jiàn)光LEDGaAs紅外LED1、常用光源返回首頁(yè)3.6.1 光學(xué)傳感器概述2、半導(dǎo)體激光二極管650 nm LD返回首頁(yè)3.6.1 光學(xué)傳感器

2、概述帶尾纖大功率LD1.55 um LD模塊808 nm 大功率LD返回首頁(yè)3.6.1 光學(xué)傳感器概述返回首頁(yè)3.6.2 光電效應(yīng) 不同頻率或波長(zhǎng)的光具有不同的能量波動(dòng)性：以光速運(yùn)動(dòng)，干涉、衍射粒子性：具有一定的質(zhì)量和能量的粒子光以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流波粒二象性光照 半導(dǎo)體 電子在物體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)內(nèi)光電效應(yīng)返回首頁(yè)3.6.2 光電效應(yīng)金屬金屬氧化物半導(dǎo)體光照 電子 光電效應(yīng)是光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理金屬金屬氧化物光照 電子逸出物體表面外光電效應(yīng)1、定義及分類返回首頁(yè)3.6.2 光電效應(yīng) 只有當(dāng)入射光能量大于電子逸出功(f f0)時(shí)， 才能產(chǎn)生光電子，紅限頻率f0=A/h 光電流與入射光強(qiáng)成正比 光電子

3、逸出物體表面具有初始動(dòng)能，負(fù)截止電壓 從光照至發(fā)射電子，時(shí)間 10-9 s2、外光電效應(yīng)電子吸收光子能量克服物質(zhì)的束縛，電子逸出功轉(zhuǎn)化為逸出電子的動(dòng)能返回首頁(yè)3.6.2 光電效應(yīng)3、內(nèi)光電效應(yīng)光生電子-空穴對(duì)內(nèi)光電效應(yīng)絕大多數(shù)的高電阻率半導(dǎo)體，受光照射吸收光子能量后，會(huì)產(chǎn)生電阻率降低而易于導(dǎo)電的現(xiàn)象(2)紅限頻率(3)載流子數(shù)目增多、電導(dǎo)率變大(4)光導(dǎo)型光電器件:光敏電阻、光電二極管、光電晶體管返回首頁(yè)3.6.2 光電效應(yīng) 對(duì)于每種半導(dǎo)體材料存在一個(gè)入射光的波長(zhǎng)限 入射光光強(qiáng)愈強(qiáng)，電導(dǎo)率愈大 入射光波長(zhǎng) 禁帶寬度3、內(nèi)光電效應(yīng)條件：入射光能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度返回首頁(yè)3.6.2 光電效

4、應(yīng)光照下，使半導(dǎo)體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。4、光生伏特效應(yīng)3.6.3.1 光電管3.6.3.2 光電倍增管3.6.3.3 光敏電阻3.6.3.4 光電二極管3.6.3.5 光伏電池3.6.3.6 光電器件特性3.6.3.7 光電器件類型返回首頁(yè)3.6.3 光電器件返回首頁(yè)1、光電管光電發(fā)射型光電器件真空光電管：適合于要求溫度影響小和靈敏度穩(wěn)定的場(chǎng)合充氣光電管：適合于要求靈敏度高的場(chǎng)合圖4-4-2 光電管基本電路3.6.3 光電器件返回首頁(yè)光譜特性：工作電壓不變，入射光波長(zhǎng)與靈敏度（量子效率）的關(guān)系光譜特性取決于陰極材料，不同陰極材料的光電管其靈敏度分布不同 0.2 0.4 0.6 25 20

5、 15 10 5 00.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.5 0.4 0.3 0.2 0.13.6.3 光電器件返回首頁(yè)伏安特性：一定光通量照射下，光電管陽(yáng)極與陰極間的電壓與電流的關(guān)系。光電特性：光電管工作電壓一定時(shí)，入射光通量與光電流的關(guān)系 20 40 60 80 100 120 4 3 2 1 0 0.5 1 1.5 2.0 2.580604020 0 3.6.3 光電器件返回首頁(yè)3.6.3 光電器件國(guó)產(chǎn)光電管的技術(shù)參數(shù)返回首頁(yè)3.6.3 光電器件 適合在微弱光下使用，但是不能接受強(qiáng)光刺激，否則易于損壞。圖4-4-4 光電倍增管的結(jié)構(gòu)及電路2、光電倍增管返回首頁(yè)3.6.3 光電器件

6、10-16 10-12 10-8 10-4 1 102 10-2 10-6 10-10 靈敏度高光電管：0.1 lm 光通量 5 uA 光電流光電倍增管： 0.0001 lm 光通量 1000 uA 光電流返回首頁(yè)3.6.3 光電器件 50 100 150 12 10 8 6 4 2 0 250 500 750 1000 1250 1500 106 105 104 103 102 返回首頁(yè)3.6.3 光電器件國(guó)產(chǎn)光電倍增管的技術(shù)參數(shù)返回首頁(yè)3.6.3 光電器件3、光敏電阻光導(dǎo)型光電器件返回首頁(yè)3.6.3 光電器件不受光照時(shí)的電阻值暗阻，一般在兆歐數(shù)量級(jí)受光照時(shí)的電阻值亮阻，一般在幾千歐以下 0

7、.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5100 80 60 40 20 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05非線性：不適合于作 測(cè)量元件返回首頁(yè)3.6.3 光電器件光敏電阻的伏安特性 50 100 6 5 4 3 2 1光敏電阻硫化鉛的溫度特性 0 1.0 2.0 3.0 4.0100 80 60 40 20返回首頁(yè)3.6.3 光電器件4、光電二極管光導(dǎo)型光電器件提高光電轉(zhuǎn)換能力： 面積大、淺結(jié)的PN結(jié)管芯結(jié)構(gòu)光電二極管電路返回首頁(yè)3.6.3 光電器件光電二極管的光譜特性曲線 250 500 750 10

8、00 1250 1500 1750 2000100 80 60 40 20 0 返回首頁(yè)3.6.3 光電器件光電二極管的技術(shù)參數(shù)返回首頁(yè)3.6.3 光電器件光電二極管基本電路光電晶體管電路光電二極管的基本電路返回首頁(yè)3.6.3 光電器件光電二極管光控應(yīng)用電路返回首頁(yè)3.6.3 光電器件5、光伏型光電器件光電池光生伏特效應(yīng)光照射引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象(2)光電池直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢(shì)的光電器件（有源傳感器）PN結(jié)光生伏特效應(yīng)原理圖返回首頁(yè)3.6.3 光電器件光電池應(yīng)用電路返回首頁(yè)3.6.3 光電器件硒光電池的光譜特性 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2100 80 60 40

9、 20 0 電壓源：將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢(shì)硒光電池硅光電池硒光電池的結(jié)構(gòu)（1）硒光電池返回首頁(yè)3.6.3 光電器件硒光電池的伏安特性（2）硅光電池硅光電池的結(jié)構(gòu)返回首頁(yè)3.6.3 光電器件硅光電池的光譜特性 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2100 80 60 40 20 0 硅光電池的伏安特性返回首頁(yè)3.6.3 光電器件硅光電池的光照特性 0 2000 4000 6000 8000 10000 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 100 80 60 40 20 返回首頁(yè)3.6.3 光電器件6、光電器件特性（1）光電特性和光照特性光電特性：當(dāng)光電器件電極上的電壓一定時(shí)，光電

10、流 I 與入射于光電器件上的光通量 間的關(guān)系即 I = F ( ) 。光照特性：當(dāng)光電器件電極上的電壓一定時(shí)，光電流 I 與光電器件上照度 E 的關(guān)系即I = F ( E ) 。（2）光譜特性光譜特性：光電流（一般以最大值的百分?jǐn)?shù)或相對(duì)靈敏度表示）與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系 I = F ( )返回首頁(yè)3.6.3 光電器件光電特性和光照特性曲線希望：曲線斜率要大，且斜率最好是常數(shù)返回首頁(yè)3.6.3 光電器件光譜特性曲線返回首頁(yè)3.6.3 光電器件 結(jié)論：當(dāng)光電器件的光譜特性與光源輻射能量的光譜分布協(xié)調(diào)一致時(shí)，光電傳感器的性能較好，效率較高。在檢測(cè)時(shí)，光電器件的最佳靈敏度最好在需要測(cè)量的波長(zhǎng)處。（3）伏安

11、特性 伏安特性：在給定的光通量或照度下，光電流 I 與光電器件兩端電壓 U 的關(guān)系即 I = F (U) 應(yīng)用：幫助計(jì)算選擇光電元件的負(fù)載電阻，設(shè)計(jì)整個(gè)線路（4）頻率特性 頻率特性：在同樣的電壓和同樣幅值的光強(qiáng)度下，光電器件輸出的光電流 I 或靈敏度 S 隨入射光強(qiáng)度變化頻率 f 的關(guān)系 I =F1( f ) 或 S = F2( f )。返回首頁(yè)3.6.3 光電器件伏安特性曲線返回首頁(yè)3.6.3 光電器件頻率特性曲線（要求：曲線平直，且頻帶寬 ）(a) 光電管(b) 光敏電阻(c) 光電池(d) 光電晶體管返回首頁(yè)3.6.3 光電器件（5）溫度特性 溫度特性：光電器件的光電特性和光譜特性隨溫度

12、變化 結(jié)論：1）對(duì)溫度的影響可采取溫度補(bǔ)償或修正措施； 2）可通過(guò)控制工作環(huán)境溫度，達(dá)到最大靈敏度。返回首頁(yè)3.6.3 光電器件溫度變化對(duì)元件特性的影響返回首頁(yè)3.6.3 光電器件7、光電器件類型（1）透射式 光源發(fā)出一定的光通量，穿過(guò)被測(cè)對(duì)象，部分被吸收，其余到達(dá)光電器件轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出 應(yīng)用：測(cè)量透明度和渾濁度透射式光電傳感器返回首頁(yè)3.6.3 光電器件反射式光電傳感器（2）反射式 光源發(fā)出一定的光通量到被測(cè)對(duì)象，由于物體性質(zhì)或狀態(tài)損失了一部分光通量，余下部分反射到光電器件上 應(yīng)用：測(cè)量表面粗糙度返回首頁(yè)3.6.3 光電器件輻射式光電傳感器 （3）輻射式 光源本身就是被測(cè)對(duì)象，被測(cè)對(duì)象發(fā)出的光通量被光電器件接受 應(yīng)用：光電高溫計(jì)和爐子燃燒監(jiān)視裝置返回首頁(yè)3.6.3 光電器件 （4）遮擋式 光源發(fā)出一定的光通量，射到光電器件上，光路途中遇到被測(cè)對(duì)象遮擋了一部分光，由此改變了