光電式式傳感器精簡(jiǎn)

光電式式傳感器精簡(jiǎn)第1頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第9章光電式傳感器9.1光電器件

9.2光纖傳感器

9.3紅外傳感器

9.4超聲波傳感器

思考題與習(xí)題

第2頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1.光電效應(yīng)

——指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)?？煞譃橥夤怆娦?yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩種。(1)外光電效應(yīng)在光的作用下，物體內(nèi)的電子(光電子)逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管等。

9.1光電器件第3頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日光束由光子組成，光子是以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流，具有能量，每個(gè)光子的能量為E=hυ(9-1)式中：h=6.626×10-34J·s,為普朗克常數(shù);υ為光的頻率(s-1)。9.1光電器件第4頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日9.1光電器件光照射物體時(shí),當(dāng)物體中電子吸收的入射光子能量超過(guò)逸出功A0時(shí),電子就會(huì)逸出物體表面,形成光電子發(fā)射,光子能量超過(guò)逸出功的部分為逸出電子的動(dòng)能。根據(jù)能量守恒有或稱(chēng)為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程第5頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日9.1光電器件①光電子能否產(chǎn)生,取決于光電子的能量是否大于該物體表面電子逸出功A0。②不同材料具有不同的逸出功,因此對(duì)于某種材料而言便有一個(gè)頻率限。當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí),無(wú)論光強(qiáng)多大,也不能激發(fā)電子;反之,當(dāng)入射光的頻率高于此頻率限時(shí),即使光線微弱也會(huì)有光電子發(fā)射出來(lái)。第6頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(2)內(nèi)光電效應(yīng)

——在光線作用下,受光照的物體的電阻率發(fā)生變化,或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。

①光電導(dǎo)效應(yīng)在光照時(shí),半導(dǎo)體材料吸收了入射光子的能量。當(dāng)光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度時(shí),就激發(fā)電子-空穴對(duì),增加了載流子的濃度,半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大,該現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。如光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管等。

9.1光電器件第7頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(2)內(nèi)光電效應(yīng)

——在光線作用下,受光照的物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。

②光生伏特效應(yīng)物體受光照而產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象,稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。光生伏特型光電器件是自發(fā)電式,屬于有源器件。常用的有光電池等。9.1光電器件第8頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日光電器件的性能主要從①伏安特性、②光照特性、③光譜特性、④溫度特性和⑤頻率特性來(lái)描述。9.1.2光敏電阻9.1.3光敏二極管/光敏三極管9.1.4光電池9.1.5光電耦合器件9.1光電器件第9頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1.原理與結(jié)構(gòu)光敏電阻又稱(chēng)為光導(dǎo)管,由半導(dǎo)體材料制成,是純電阻器件。光敏電阻不受光照時(shí),電阻值很大,電路中電流很小;受到一定波長(zhǎng)的光照射時(shí),阻值急劇減小。

9.1.2光敏電阻外形第10頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(1)暗電阻與暗電流——光敏電阻在不受光照射時(shí)的電阻,此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為暗電流；(2)亮電阻與亮電流——在受光照射時(shí)的電阻,此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。(3)光電流——亮電流與暗電流之差稱(chēng)為。

9.1.2光敏電阻——原理與結(jié)構(gòu)基本概念：第11頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日通常,暗電阻越大越好,亮電阻越小越好,也就是說(shuō)：暗電流越小,光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻一般在兆歐級(jí),亮電阻在幾千歐以下。9.1.2光敏電阻——原理與結(jié)構(gòu)基本概念：第12頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.光敏電阻的基本特性

(1)伏安特性——在一定的照度下,光敏電阻兩端的電壓與電流的關(guān)系。硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線如圖。9.1.2光敏電阻圖9-2硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線在一定范圍內(nèi)呈直線。偏壓一定時(shí),光照度越大,光電流越大；光照度一定時(shí),所加電壓越大,光電流越大,且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。能無(wú)限大么？阻值與電壓、電流無(wú)關(guān)不能,因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電壓和額定電流的限定。第13頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

(2)光譜特性——也稱(chēng)光譜響應(yīng),指光敏電阻的光電流與入射波長(zhǎng)的關(guān)系。與光敏電阻的材料有關(guān)。9.1.2光敏電阻——基本特性波長(zhǎng)不同,靈敏度不同。硫化鎘光敏電阻光譜響應(yīng)的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域,常用于光度量的測(cè)量,如照度計(jì);圖9-3光敏電阻的光譜特性根據(jù)光譜特性的不同,依據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同(λ)選擇合理的光敏電阻。第14頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D9-4硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性

(3)溫度特性——反映的是溫度變化對(duì)光敏電阻的光譜響應(yīng)、靈敏度、暗電阻等的影響。9.1.2光敏電阻——基本特性峰值隨著溫度的上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng),故該光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。為了提高靈敏度或者為了能夠接收較長(zhǎng)波段的輻射,將元件降溫使用。第15頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D9-5硫化鎘光敏電阻的光照特性曲線

(4)光照特性——在一定外加電壓作用下,光電流和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。9.1.2光敏電阻——基本特性光照特性曲線的斜率(光電流與入射光光通量之間比)稱(chēng)為光電管的靈敏度或光敏電阻的靈敏度。第16頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D9-5硫化鎘光敏電阻的光照特性曲線

(4)光照特性——在一定外加電壓作用下,光電流和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。9.1.2光敏電阻——基本特性光照特性曲線呈非線性關(guān)系,因此不宜作為測(cè)量元件,而多用于開(kāi)關(guān)信號(hào)的傳遞。不同材料的光敏電阻光照特性不同。第17頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

(5)頻率特性

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí),光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定;而在停止光照時(shí),光電流也不立刻為零——光敏電阻的時(shí)延特性。不同材料的光敏電阻時(shí)延特性不同,所以其頻率特性也就不同。

9.1.2光敏電阻——基本特性第18頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

1.結(jié)構(gòu)及工作原理

(1)光敏二極管9.1.3光敏二極管和晶體管圖9-7光敏二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和符號(hào)第19頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)。無(wú)光照射時(shí),反向電阻很大,反向電流很小;光照射在PN結(jié)上時(shí),形成光電流。光的照度越大,光電流越大。電流一般為幾u(yù)A到幾十uA。9.1.3光敏二極管圖9-8光敏二極管接線圖第20頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D9-9NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路(a)光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；(b)光敏晶體管基本電路

(2)光敏晶體管

光敏晶體管有兩個(gè)PN結(jié),發(fā)射極做得很大,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。9.1.3光敏晶體管第21頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日光敏二極管和光敏三極管的特性比較：光照特性——光電流和照度之間的關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性,適合檢測(cè)。光敏三極管的光照特性是近似線性,當(dāng)光照足夠大(幾十Klx)時(shí),會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。因此既可作為線性轉(zhuǎn)換元件,也可作開(kāi)關(guān)元件。9.1.3光敏二極管和光敏晶體管第22頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

2.基本特性

(1)伏安特性:硅光敏管在不同照度下的伏安特性。圖9-10硅光敏管的伏安特性(a)光敏二極管的伏安特性(b)硅光敏晶體管的伏安特性光電流不受偏壓影響——恒流源。偏壓對(duì)光電流有影響。在同樣的照度下,光敏晶體管輸出的光電流比相同管型的二極管大上百倍9.1.3光敏二極管和光敏晶體管第23頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

(2)光譜特性實(shí)際應(yīng)用時(shí),可見(jiàn)光或赤熱狀態(tài)物體的探測(cè),一般都用硅管;對(duì)紅外光的探測(cè),鍺管較適合。圖9-11光敏二極管和晶體管的光譜特性9.1.3光敏二極管和光敏晶體管第24頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(3)頻率特性——光電流與光照調(diào)制頻率之間的關(guān)系圖9-12光敏晶體管的頻率特性減小負(fù)載電阻可提高頻率響應(yīng),但輸出電壓響應(yīng)亦減小。9.1.3光敏二極管和光敏晶體管第25頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日光電三極管的頻率響應(yīng)比光電二極管差。

(3)頻率特性——光電流與光照調(diào)制頻率之間的關(guān)系9.1.3光敏二極管和光敏晶體管對(duì)于鍺管,入射光的調(diào)制頻率要求在2KHz以下.硅管的頻率響應(yīng)比鍺管好.第26頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(4)溫度特性——指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。

9.1.3光敏二極管和光敏晶體管圖9-13光敏晶體管的溫度特性第27頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(4)溫度特性

溫度變化對(duì)光電流影響很小,對(duì)暗電流影響很大。故在電子線路中應(yīng)對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償,否則將導(dǎo)致輸出誤差。9.1.3光敏二極管和光敏晶體管圖9-13光敏晶體管的溫度特性第28頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

光電池是利用光生伏特效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件，又稱(chēng)為太陽(yáng)能電池。光電池常用材料是硅和硒，也可以使用鍺、硫化鎘、砷化鎵等。9.1.4光電池第29頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日硅光電池價(jià)格便宜,轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、適合接收紅外光。硒光電池轉(zhuǎn)換效率低、壽命短、適合接收可見(jiàn)光,最適宜制作照度計(jì)。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高,在宇宙飛船、衛(wèi)星、太陽(yáng)探測(cè)器等電源方面有發(fā)展前途。9.1.4光電池第30頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1.結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)入射光照射PN結(jié)時(shí),若光子的能量足夠大,則可以在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),在結(jié)電場(chǎng)的作用下,空穴移向P型區(qū),電子移向N型區(qū),在N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差——光生電動(dòng)勢(shì)9.1.4光電池圖9-14硅光電池結(jié)構(gòu)原理圖及等效電路第31頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

2.光電池的基本特性(1)光譜特性:取決于光電池的材料

9.1.4光電池圖9-15光電池的光譜特性①硒光電池在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有較高靈敏度,適合測(cè)可見(jiàn)光。②硅光電池應(yīng)用范圍在400nm～1200nm,可在很寬的范圍內(nèi)使用。第32頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

2.光電池的基本特性(1)光譜特性:取決于光電池的材料

9.1.4光電池圖9-15光電池的光譜特性③光電池的選用與光源結(jié)合。④光譜特性的峰值與使用溫度有關(guān)(T升高,圖形左移)。第33頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(2)光照特性——指在光電流與照度之間的關(guān)系以及光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的關(guān)系

9.1.4光電池——基本特性圖9-16硅光電池的光照特性①短路電流與光照強(qiáng)度呈線性關(guān)系;②開(kāi)路電壓與光照度呈非線性關(guān)系,且當(dāng)照度在2000Lx時(shí)趨于飽和。③開(kāi)路電壓與光照度呈非線性關(guān)系,且當(dāng)照度在2000Lx時(shí)趨于飽和。第34頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(2)光照特性——指在光電流與照度之間的關(guān)系以及光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的關(guān)系

9.1.4光電池——基本特性圖9-16硅光電池的光照特性④光電池作為測(cè)量元件時(shí),應(yīng)當(dāng)作為源,不宜作為源。電流電壓第35頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日⑤光電池在不同照度下,其內(nèi)阻也不同,應(yīng)適當(dāng)?shù)倪x擇電阻使?jié)M足“短路”的條件——充分利用照度與光電流的線性關(guān)系。⑥負(fù)載電阻越小,兩者的線性關(guān)系越好,其線性范圍越寬。9.1.4光電池——基本特性第36頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(3)頻率特性9.1.4光電池——基本特性圖9-17硅光電池和硒光電池的頻率特性①頻率特性與材料、結(jié)構(gòu)、使用條件有關(guān)。②硅光電池具有較高的頻率響應(yīng),而硒光電池則較差。第37頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(4)溫度特性——開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。9.1.4光電池——基本特性圖9-18硅光電池的溫度特性①開(kāi)路電壓隨溫度的升高而下降的速度較快,而短路電流隨溫度的升高而緩慢增加。②該特性關(guān)系到應(yīng)用光電池的設(shè)備的溫度漂移,影響到測(cè)量和控制精度等指標(biāo)。第38頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(4)溫度特性——開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。9.1.4光電池——基本特性圖9-18硅光電池的溫度特性當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí),最好能保持溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。第39頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日以光為媒介進(jìn)行耦合來(lái)傳遞電信號(hào),可實(shí)現(xiàn)電隔離,因而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。由于它具有單向信號(hào)傳輸功能,因而多用于電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。

9.1.5光電耦合器件——光耦(a)光敏三極管型光耦(b)達(dá)林頓型光耦第40頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日組合形式：9.1.5光電耦合器件——光耦第41頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.光電開(kāi)關(guān)

當(dāng)有不透光的物體位于透射式開(kāi)關(guān)中間或物體經(jīng)過(guò)反射式開(kāi)關(guān)時(shí),接收元件收到的信號(hào)將發(fā)生變化,產(chǎn)生一個(gè)檢測(cè)脈沖。9.1.5光電耦合器件圖9-20光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)透射式反射式第42頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1.光電轉(zhuǎn)速傳感器9.1.7光電器件的應(yīng)用圖9-26光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表工作原理圖第43頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D9-27光電轉(zhuǎn)換電路光照V1流經(jīng)R1電流增大V2通V3通V4止Uo為高9.1.7光電器件的應(yīng)用—光電轉(zhuǎn)速傳感器第44頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D9-27光電轉(zhuǎn)換電路無(wú)光照V1流經(jīng)R1電流減小V2止V3止V4通Uo為低9.1.7光電器件的應(yīng)用—光電轉(zhuǎn)速傳感器第45頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日9.2.1光纖結(jié)構(gòu)及傳光原理1.光纖的結(jié)構(gòu)

光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱(chēng),結(jié)構(gòu)如圖。折射率n1>n29.2光纖傳感器圖9-30光纖的基本結(jié)構(gòu)第46頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D9-31光纖的傳光原理2.光纖的傳光原理——基于光的全內(nèi)反射若要在界面上發(fā)生全反射,φi應(yīng)大于某臨界角,以使折射角φ’≥90。根據(jù)斯涅耳(Snell)光的折射定律,有n0sinθi=n1sinθ′(9-8)n1sinφi=n2sinφ′(9-9)9.2光纖傳感器第47頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

欲發(fā)生全反射,應(yīng)使φ′≥φc=90°(臨界折射角)n0sinθi=n1sinθ′n1sinφi=n2sinφ′9.2.1光纖傳光原理當(dāng)φ′=φc=90°時(shí),有第48頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日9.2.1光纖傳光原理光纖處于空氣中時(shí)，n0＝1，有

滿(mǎn)足上述條件,光在纖芯和包層的界面上反復(fù)逐次全反射,以鋸齒波形狀在纖芯內(nèi)向前傳播,最后從光纖的另一端面射出——光纖的傳光原理。第49頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

3.光纖的基本特性(1)數(shù)值孔徑(NA)

定義(9-14)

9.2.1光纖傳光原理數(shù)值孔徑表征了光纖的集光能力,NA越大,集光能力越強(qiáng),耦合效率越高。但數(shù)值孔徑NA過(guò)大時(shí),會(huì)造成光信號(hào)畸變。通常石英的NA取0.2～0.4。第50頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(2)光纖模式——指光波傳播的途徑和方式。分為單模光纖和多模光纖9.2.1光纖傳光原理—基本特性第51頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日工作原理：通過(guò)外界信號(hào)(溫度、壓力、應(yīng)變、位移、振動(dòng)等)對(duì)光進(jìn)行調(diào)制,引起光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等性質(zhì)的變化,即光被外界參數(shù)調(diào)制。光纖傳感器一般分為功能型(傳感型)傳感器和非功能型(傳光型)傳感器兩類(lèi)。

9.2.2光纖傳感器的工作原理第52頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

(1)功能型傳感器:又稱(chēng)為傳感型傳感器,利用光纖本身的特性或功能將光纖作為敏感元件。(2)非功能型傳感器:又稱(chēng)為傳光型傳感器,它利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化,光纖作為信息的傳輸介質(zhì)。9.2.2光纖傳感器的工作原理分類(lèi)：第53頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

1.光纖傳感器的液位檢測(cè)9.2.3光纖傳感器的應(yīng)用有液體時(shí),由于液體對(duì)光的折射,光纖傳感器接收到光信號(hào);無(wú)液體時(shí),光纖傳感器接收不到投光光纖發(fā)出的光。液面的控制精度可達(dá)±1mm。第54頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.光纖旋渦流量傳感器9.2.3光纖傳感器的應(yīng)用當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時(shí),流體流動(dòng)受到光纖的阻礙,根據(jù)流體力學(xué)原理,光纖的下游兩側(cè)將產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦,旋渦的頻率f近似與流體的流速成正比。圖9-34光纖旋渦流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖第55頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

主要應(yīng)用：

(1)紅外輻射計(jì)(2)搜索和跟蹤系統(tǒng)(3)熱成像系統(tǒng)(4)紅外測(cè)距和通信系統(tǒng):用于距離測(cè)量和通信，如紅外測(cè)距儀、紅外無(wú)線通信抄表系統(tǒng)等；(5)混合系統(tǒng):以上各類(lèi)系統(tǒng)中的兩個(gè)或多個(gè)組合。