傳感器與檢測(cè)技術(shù)第七章

傳感器與檢測(cè)技術(shù)第七章第一頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回7.1.2內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）

指在光的照射下，材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。光敏電阻即屬此類。第二頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日7.1.3光生伏特效應(yīng)（阻擋層光電效應(yīng)）

利用光勢(shì)壘效應(yīng)，即在光的照射下，物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電勢(shì)。光電池、光電晶體管即屬此類。第三頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回7.2光電器件及其特性

光電管與光電倍增管光敏電阻光敏二極管和光敏三極管光電池半導(dǎo)體光電元件的特性第四頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日第五頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回7.2.1光電管與光電倍增管一、構(gòu)造圖7-2光電管的結(jié)構(gòu)圖圖7-3光電倍增管的結(jié)構(gòu)圖第六頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回二、特性

1．光電特性

表示當(dāng)光電管的陽(yáng)極電壓一定時(shí)，陽(yáng)極電流I與入射在陰極上光通量φ之間的關(guān)系。

第七頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回2．伏安特性

當(dāng)入射光的頻譜及光通量一定時(shí)，陽(yáng)極與陰極之間的電壓同光電流的關(guān)系叫伏安特性。

第八頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回3．光譜特性

光電管對(duì)光譜有選擇性：保持光通量和陽(yáng)極電壓不變，陽(yáng)極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。第九頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回

采用具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。7.2.2光敏電阻圖7-5光敏電阻的結(jié)構(gòu)及表示符號(hào)第十頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回

優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，體積小、重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬，機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊和振動(dòng)，壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)：使用時(shí)需要有外部電源，同時(shí)當(dāng)有電流通過它時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱的問題。材料：硫化物（CdS、PbS、TlS）硒化物（CdSe、PbSe）碲化物（PbTe）等應(yīng)用：照相機(jī)自動(dòng)嚗光、電視機(jī)亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)、燈光（航標(biāo)燈）自動(dòng)控制等。第十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回第十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回7.2.3光敏二極管和光敏三極管光敏二極管：結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，通常工作于反向工作狀態(tài)，當(dāng)不受光線照射時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)受光線照射時(shí)，處于導(dǎo)通狀態(tài)。第十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回光敏三極管：光電流相當(dāng)于三極管的基極，集電極電流是光電流的倍，比光敏二極管具有更高的靈敏度。第十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日7.2.4光電池第十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回

光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是自發(fā)電式有源器件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。硅光電池硒光電池第十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回一、光電（照）特性光電特性是指這些半導(dǎo)體光電元件產(chǎn)生的光電流與光照之間的關(guān)系。

7.2.5半導(dǎo)體光電元件的特性圖7-9半導(dǎo)體光電元件的光電特性硒光敏電阻光敏晶體管硅光電池第十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回二、伏安特性伏安特性是指光照一定時(shí)，這些光電元件的端電壓U與電流I之間的關(guān)系。圖7-10半導(dǎo)體光電元件的伏安特性第十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回

半導(dǎo)體光電元件對(duì)不同波長(zhǎng)的光，其靈敏度是不同的，因?yàn)橹挥心芰看笥诎雽?dǎo)體材料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出光生電子—空穴對(duì)。而光子能量的大小與光的波長(zhǎng)有關(guān)。三、光譜特性

圖7-11半導(dǎo)體光電元件的光譜特性第十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回四、頻率特性半導(dǎo)體光電元件的頻率特性是指它們的輸出電信號(hào)與調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。圖7-12半導(dǎo)體光電元件的頻率特性第二十頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回五、溫度特性半導(dǎo)體材料易受溫度的影響，它直接影響光電流的值。因此需要討論這些光電元件的溫度特性，以便選用合適的工作溫度。圖7-13半導(dǎo)體光電元件的溫度特性第二十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回7.3光電式傳感器的測(cè)量電路

要使光電式傳感器能很好地工作。除了合理選用光電轉(zhuǎn)換元件外，還必須配備合適的光源、可靠的光學(xué)通路和合理的測(cè)量電路。被測(cè)量X1直接對(duì)光源作用被測(cè)量X2作用于光學(xué)通路，對(duì)光通量進(jìn)行解調(diào)第二十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日7.3.1光源及光學(xué)通路

光源上頁(yè)返回下頁(yè)

熱輻射光源：利用發(fā)熱物體向空間發(fā)出一定的光輻射（如白熾燈、鹵鎢燈等）。氣體放電光源：利用電流通過氣體放電的現(xiàn)象（發(fā)光）（如日光燈、低壓汞燈、氙燈、氦燈等）。電致發(fā)光器件：利用固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象（如發(fā)光二極管）。激光器：即光受激輻射放大，分為固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器和液體激光器等。第二十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日

光學(xué)通路包括透鏡、濾光片、棱鏡、光通量調(diào)制器、光柵等。上頁(yè)返回下頁(yè)第二十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回7.3.2測(cè)量電路圖7-14真空光電管的差接測(cè)量電路1.光源2.小鏡3.6.透鏡4.光闌5.被測(cè)物7.8.真空光電管第二十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回圖7-15路燈控制電路第二十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回光控閃爍安全警示燈第二十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回圖7-17光敏三極管應(yīng)用電路第二十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回

7.4光電傳感器及其應(yīng)用

光電傳感器按其接收狀態(tài)可分為模擬和脈沖式光電傳感器兩大類。第二十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回7.4.1模擬式光電傳感器

模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性，其光通量是隨被測(cè)量而變，光電流就成為被測(cè)量的函數(shù)，故稱為光電傳感器的函數(shù)運(yùn)用狀態(tài)。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和輻射式等。圖7-20光電元件的測(cè)量方式第三十頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回圖7-21光電測(cè)微裝置示意圖第三十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回7.4.2脈沖式光電傳感器

脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)，所以也稱為光電元件的開關(guān)狀態(tài)。第三十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回第三十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回第三十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回圖7-24天幕靶第三十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回光電耦合器結(jié)構(gòu)圖第三十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回光電耦合器組合形式光電耦合器特性曲線第三十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回作用：脈沖及直流電平轉(zhuǎn)換開關(guān)信號(hào)傳輸不同邏輯電路接口抗干擾高低壓隔離等。第三十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回

一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

7.5光纖傳感器光導(dǎo)纖維

光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)是用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲制成的，每一根光導(dǎo)纖維由一個(gè)圓柱形纖芯和包層組成，而且纖芯的折射率略大于包層的折射率。第三十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日第四十頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日二、光導(dǎo)纖維的種類

1.光導(dǎo)纖維按其折射變化情況分為：階躍型漸變型

2.按其傳輸模式多少來(lái)分：上頁(yè)返回下頁(yè)單模光纖多模光纖第四十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-26光導(dǎo)纖維的種類上頁(yè)返回下頁(yè)第四十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回7.5.2光纖傳感器的工作原理第四十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日∴∴數(shù)值孔徑第四十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日①抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，耐高壓，本質(zhì)安全，在易燃環(huán)境下安全可靠。②靈敏度高。③重量輕，體積小，外形可變。④測(cè)量對(duì)象廣泛。⑤頻帶寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大。⑥對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，這對(duì)于醫(yī)藥生物領(lǐng)域的應(yīng)用極為有利。⑦便于復(fù)用，便于成網(wǎng)。⑧成本低。下頁(yè)上頁(yè)返回性能特點(diǎn)第四十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日

功能型(或稱物性型、傳感型)

其光纖不僅作為光傳播的波導(dǎo)而且具有測(cè)量的功能。它可以利用外界物理因素改變光纖中光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)或波長(zhǎng)，從而對(duì)外界因素進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。可分為振幅調(diào)制型、相位調(diào)制型及偏振態(tài)調(diào)制型。分類下頁(yè)上頁(yè)返回第四十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-27微彎光纖傳感器上頁(yè)返回下頁(yè)第四十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回非功能型(或稱結(jié)構(gòu)型、傳光型)

其光纖只是作為傳光的媒介，還需加上其他敏感元件才能組成傳感器。光纖位移傳感器光纖溫度傳感器光纖圖像傳感器第四十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-29光纖位移傳感器原理圖上頁(yè)返回下頁(yè)第四十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日上頁(yè)返回下頁(yè)第五十頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日光纖溫度傳感器（二）第五十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日光纖圖像傳感器下頁(yè)上頁(yè)返回第五十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，2022年，8月28日下頁(yè)上頁(yè)返回7.6電荷耦合器件

電荷耦合器件（CCD——Charge-CoupledDevices）是典型的固體圖象傳感器，它是1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室的W·S·Boyle和G·E·Smith發(fā)明的，它與光敏二極管陣列集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的CCD圖象傳感器。它不僅作為高質(zhì)量固