第4章-光電式傳感器課件

第四章光電傳感器原理及應(yīng)用采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器被稱(chēng)為光電傳感器。光電傳感器由光源、光學(xué)通路和光電元件組成。

第一節(jié)光電效應(yīng)與光電器件1.外光電效應(yīng)：在光線作用下電子從物體表面逸出。2.內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下物體的電阻率改變。3.光生伏特效應(yīng)：在光線作用下物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)。輻射源光學(xué)通路光電元件光電式傳感器方框圖

一、光電管、光電倍增管

利用外光電效應(yīng)制成的光電器件。（一）光電管光輸入陽(yáng)極陰極電子逸出電輸出光----以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流。單個(gè)光子能量：普郎克常數(shù)光波頻率光電管中的自由電子逸出條件：電子質(zhì)量逸出初速度逸出功光波頻率即光波頻率光波波長(zhǎng)或光速光電管測(cè)量電路：可見(jiàn)，要使光電管中的自由電子逸出，頻率不能太低，波長(zhǎng)也不能太長(zhǎng)。為入射光波長(zhǎng)上限，也被稱(chēng)為“紅限”。光電管陰極陽(yáng)極電壓輸出光輸入真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管:構(gòu)造和真空光電管基本相同，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高.所不同的僅僅是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差（二）光電倍增管光電倍增管具有放大光電子電流的能力。光電倍增管具10---15級(jí)倍增電極，電位依次升高，使得陰極因接受光能而發(fā)射的電子逐級(jí)加速，且受光電子的數(shù)量逐級(jí)增多，形成較大的光電流?？捎糜谖⒐鉁y(cè)量。設(shè)單級(jí)的信號(hào)倍增率為，則多級(jí)的倍增率為。

光輸入陽(yáng)極陰極

-++++

-

-

-+

-++

-+

-

-二、光敏電阻

（一）工作原理：由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，利用內(nèi)光電效應(yīng)而工作。光敏電阻當(dāng)光線照射時(shí)，因材料中的電子—空穴對(duì)增加，其電阻值會(huì)變小，當(dāng)光照消失時(shí)，電阻會(huì)恢復(fù)原值。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為光導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是電阻器件，即可以加直流電壓，也可以加交流電壓工作。

光照電路符號(hào)（二）特性參數(shù)

1.暗電阻與亮電阻

暗電阻-----在室溫且全暗條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻。例如MG41-42型光敏電阻的暗阻大于等于0.1兆歐。亮電阻-----在室溫且一定光照條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻。例如MG41-42型光敏電阻的亮阻小于等于1000歐。

光敏電阻接在電路上，亮電流（大）與暗電流（小）之差被稱(chēng)為光電流。光敏電阻的暗電阻越大，亮電阻越小，靈敏度越高。

2.伏安特性曲線光照度小光照度大

在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系在給定的偏壓下，光照度越大，光電流也就越大；在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒(méi)有飽和現(xiàn)象。光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關(guān)。3.光照特性曲線----光強(qiáng)與光電流之間的關(guān)系。4.光譜特性曲線----入射光波長(zhǎng)與靈敏度之間的關(guān)系。光照特性光譜特性光強(qiáng)光電流靈敏度光波波長(zhǎng)硫化鎘硫化跎硫化鉛（紫外---紫----紅----紅外）5.頻率特性曲線----光頻率與靈敏度之間的關(guān)系。6.溫度特性曲線----溫度對(duì)光譜特性的影響。頻率特性（硫化鉛）光譜溫度特性硫化鉛硫化跎溫度降低更適合檢測(cè)波長(zhǎng)長(zhǎng)的信號(hào)溫度高溫度低（紫外---紫----紅----紅外）三、光敏二極管和光敏晶體管（一）工作原理

1.光敏二極管：結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中，在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)的。正常情況下，PN結(jié)反向是不導(dǎo)通的。當(dāng)被光線照射時(shí)，PN結(jié)反向?qū)?，可以感測(cè)光信號(hào)。NP電路符號(hào)結(jié)構(gòu)示意基本電路

2.光敏三極管：正常情況下，給PNP型三極管的集電極和發(fā)射極之間加正向電壓，一個(gè)PN結(jié)（集電結(jié)）不導(dǎo)通，另一個(gè)PN結(jié)（發(fā)射結(jié)）導(dǎo)通。但當(dāng)集電結(jié)被光線照射時(shí)，集電結(jié)會(huì)反向?qū)?，造成三極管中出現(xiàn)放大電流，集電極和發(fā)射極之間導(dǎo)通。也可以感測(cè)光信號(hào)。無(wú)光照無(wú)輸出有光照有輸出+-四、光電池（一）工作原理光生伏特效應(yīng)。光線照射發(fā)電電路符號(hào)直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個(gè)大面積的pn結(jié)。當(dāng)光照射到pn結(jié)上時(shí)，便在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(p區(qū)為正，n區(qū)為負(fù))。用導(dǎo)線將pn結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來(lái)，就有電流流過(guò)，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)。若將電路斷開(kāi)，就可以測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。（二）基本特性（紫外---紫----紅----紅外）硅光電池硒光電池受光范圍寬受光范圍窄光譜特性：

一定照度下,光波波長(zhǎng)與光電池靈敏度的關(guān)系。

第二節(jié)光電傳感器與光電檢測(cè)一、光電傳感器的類(lèi)型光電傳感器組成：被測(cè)量使得光通亮連續(xù)變化，輸出光電流也連續(xù)變化。

（一）模擬式光電傳感器被測(cè)量模擬式光電傳感器的四種形式：被測(cè)量是光源（測(cè)光源溫度）被測(cè)量吸收光通亮（測(cè)厚）光源被投射-反射（測(cè)表面粗糙度等）光源被運(yùn)動(dòng)物體阻擋（測(cè)尺寸和位置）（二）脈沖式光電傳感器光信號(hào)斷續(xù)變化，光電元件輸出的也斷續(xù)變化。只有兩種狀態(tài)。常用于計(jì)數(shù)或測(cè)速。二、光電傳感器的常用光源（一）發(fā)光二極管：電能光能。（二）鎢絲燈泡：發(fā)射紅外光。（三）激光三、光電轉(zhuǎn)換電路1.光敏電阻測(cè)量電路2.光敏晶體管測(cè)量電路3.光電池測(cè)量電路4.使用運(yùn)算放大器的光敏元件測(cè)量電路。光敏電阻測(cè)量電路光敏晶體管測(cè)量電路光線增強(qiáng)電阻減小基極電壓輸出電壓感光感溫不感光感溫輸出與光通亮成比例光線增強(qiáng)電壓變小光電池測(cè)量電路光線增強(qiáng)電壓變大光線增強(qiáng)電壓變大光線增強(qiáng)電壓變大二、光電檢測(cè)實(shí)例（一）WDS型光電比色高溫計(jì)：

通過(guò)輻射體在兩個(gè)不同波長(zhǎng)上的輻射能量之比，測(cè)定輻射體的溫度。非接觸式，可測(cè)量高溫。輻射體物鏡瞄準(zhǔn)反射鏡光導(dǎo)棒不可見(jiàn)光可見(jiàn)光光闌分光鏡比例計(jì)算人工觀測(cè)反射鏡目鏡棱鏡變送器記錄儀（二）光電比色計(jì)

用于溶液的顏色、成分、渾濁度等化學(xué)分析。標(biāo)準(zhǔn)樣品受檢樣品光源凸透鏡凸透鏡濾色濾色光電池光電池差值差動(dòng)放大器顯示儀表（三）光電式帶材測(cè)厚跑偏檢測(cè)儀

檢測(cè)帶材加工過(guò)程中偏離正確位置的情況。不反射帶材光源凸透鏡凸透鏡反射鏡半透膜反射鏡光敏三極管正確位置電橋平衡U0=0左或右偏UO都會(huì)改變。電橋（四）光電式轉(zhuǎn)速儀

1）反射式光電轉(zhuǎn)速儀電信號(hào)光信號(hào)凸透鏡半透膜片聚焦透鏡凸透鏡光源測(cè)量電路計(jì)數(shù)器不反光位置電橋平衡U0=0反光位置輸出電脈沖。2）直射式光電轉(zhuǎn)速儀測(cè)量電路計(jì)數(shù)器光信號(hào)電信號(hào)凸透鏡指示透鏡光源旋轉(zhuǎn)盤(pán)不透光位置電橋平衡U0=0透光位置輸出電脈沖。（五）光電檢測(cè)的其他應(yīng)用舉例布料寬度檢測(cè)、有無(wú)檢測(cè)兩臺(tái)行車(chē)的安全距離檢測(cè)空箱檢測(cè)及推出處理被長(zhǎng)距傳送的金屬板檢測(cè)反射式煙霧報(bào)警器

在沒(méi)有煙霧時(shí)，由于紅外對(duì)管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無(wú)法到達(dá)紅外光敏三極管。當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對(duì)紅外光產(chǎn)生漫反射（圖中只畫(huà)出幾個(gè)微粒的反射示意），使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光電流輸出。紫外線光電管光敏電阻光敏二極管紅外發(fā)射、接收對(duì)管

紅外發(fā)射管紅外接收管光敏三極管

光電池光敏面能提供較大電流的大面積光電池外形光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用太陽(yáng)能賽車(chē)太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)太陽(yáng)能硅光電池板光照度計(jì)比色式溫度傳感器紅外線輻射溫度計(jì)集成IC溫度測(cè)量激光用于瞄準(zhǔn)紅外檢測(cè)元件紅外報(bào)警器吸頂式紅外報(bào)警器第三節(jié)光導(dǎo)纖維傳感器象電路傳輸電信號(hào)一樣，光導(dǎo)纖維可以傳輸光信號(hào)。主要應(yīng)用于通訊領(lǐng)域。使用光導(dǎo)纖維的傳感器被稱(chēng)為光纖傳感器。光纖傳感優(yōu)點(diǎn)：靈敏度較高；幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境。應(yīng)用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。4.4.1光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理圓柱形內(nèi)芯和包層組成，而且內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率（n2<n1）斯乃爾（Snell）定理當(dāng)光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時(shí)，發(fā)生折射（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：（c）全反射：工作原理（利用光的完全內(nèi)反射原理）光纖傳感器傳光型：作為光學(xué)通路傳輸光信號(hào)。功能型：被測(cè)信號(hào)光纖及傳輸特性變化。包層2.光導(dǎo)纖維低折射率高折射率1.光源3.光探測(cè)器4.4.3光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置光受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)得到被測(cè)量。傳統(tǒng)傳感器？光就是一種電磁波，

光的電矢量E被測(cè)量調(diào)制：光的強(qiáng)度、偏振態(tài)（矢量B的方向）、頻率和相位解調(diào)：光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制光纖在傳感器中的作用光受被測(cè)量調(diào)制的形式4.4.4光纖傳感器的分類(lèi)(1)光纖的傳感器中的作用功能型非功能型拾光型

功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長(zhǎng)度，可提高靈敏度。信號(hào)處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器非功能型（或稱(chēng)傳光型）光纖傳感器光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對(duì)外界信息的“感覺(jué)”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類(lèi)光纖傳感器無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對(duì)靈敏度要求不太高的場(chǎng)合。信號(hào)處理光受信器敏感元件光發(fā)送器光纖

拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。

信號(hào)處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器被測(cè)對(duì)象傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類(lèi)干涉型光纖傳感器相位調(diào)制干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓角速度振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非干涉型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制遮光板斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄模溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纖傳感器偏振調(diào)制法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纖傳感器頻率調(diào)制多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度溫度MMMMMMCbb注：MM——多模光纖；SM——單模光纖；PM——偏振保持光纖(2)根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式

強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是一種利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動(dòng)膜或液晶的反射光強(qiáng)度的變化；物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來(lái)構(gòu)成壓力、振動(dòng)、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大。偏振調(diào)制光纖傳感器是一種利用光偏振態(tài)變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息的傳感器。有利用光在磁場(chǎng)中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用光在電場(chǎng)中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應(yīng)做成的電場(chǎng)、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器。這類(lèi)傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊，因此靈敏度高。頻率調(diào)制光纖傳感器是一種利用單色光射到被測(cè)物體上反射回來(lái)的光的頻率發(fā)生變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。有利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的喇曼散射構(gòu)成的測(cè)量氣體濃度或監(jiān)測(cè)大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。相位調(diào)制傳感器其基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類(lèi)傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。

4.4.6光纖傳感器的應(yīng)用強(qiáng)度調(diào)制型： 基于彈性元件受壓變形，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)來(lái)檢測(cè)，故常用于位移的光纖檢測(cè)技術(shù)；相位調(diào)制型： 利用光纖本身作為敏感元件；偏振調(diào)制型： 主要是利用晶體的光彈性效應(yīng)。光纖壓力傳感器

（1）采用彈性元件的光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖膜片的中心撓度若利用Y形光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測(cè)壓力呈線性關(guān)系。1Y形光纖2殼體3膜片與所加的壓力呈線性關(guān)系光纖位移傳感器