傳感器原理與應(yīng)用-(第二版)-第七章課件

11223x1光源光通路光電器件測量電路光量光量電量x2輸出X1——被測量直接引起光源光量的變化X2——被測量在光傳播過程中調(diào)制光量對光量的調(diào)制方法：第七章光電式傳感器3x1光源光通路光電器件測量電路光量光量電量x2輸出X1——4一、光源1、常用光源常用光源發(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可見光LEDGaAs紅外LED4一、光源1、常用光源常用光源發(fā)光器件物體輻射光白熾光源氣體5——不同頻率或波長的光具有不同的能量二、光電效應(yīng)波動性：以光速運(yùn)動，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)動的粒子流波粒二象性5——不同頻率或波長的光具有不同的能量二、光電效應(yīng)波動性：6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)換原理光照

半導(dǎo)體

電子在物體內(nèi)部運(yùn)動內(nèi)光電效應(yīng)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6金屬光照電子——光電效應(yīng)是光電傳感器的基本7——只有當(dāng)入射光能量大于電子逸出功時，才能產(chǎn)生光電子，紅限頻率——光電流與入射光強(qiáng)成正比——光電子逸出物體表面具有初始動能，負(fù)截止電壓——從光照至發(fā)射電子，時間<10-9s2、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)化為逸出電子的動能7——只有當(dāng)入射光能量大于電子逸出功時，——光電流與入射83、內(nèi)光電效應(yīng)光生電子-空穴對光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)載流子數(shù)目增多、電導(dǎo)率變大條件：入射光能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度4、光電導(dǎo)效應(yīng)83、內(nèi)光電效應(yīng)光生電子-空穴對光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)載流子9——對于每種半導(dǎo)體材料存在一個入射光的波長限——入射光光強(qiáng)愈強(qiáng)，電導(dǎo)率愈大——入射光波長——禁帶寬度光照下，使半導(dǎo)體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。4、光生伏特效應(yīng)9——對于每種半導(dǎo)體材料存在一個入射光的波長限——入射光10三、光電器件1、光電管10三、光電器件1、光電管11光譜特性：工作電壓不變，入射光波長與靈敏度（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0.20.40.625201510500.20.40.60.81.00.50.40.30.20.111光譜特性：工作電壓不變，入射光波長與靈敏度（量子效率）的12伏安特性：一定光通量照射下，光電管陽極與陰極間的電壓與電流的關(guān)系。光照特性：光電管工作電壓一定時，入射光通量與光電流的關(guān)系20406080100120432100.511.52.02.580604020012伏安特性：一定光通量照射下，光電管陽極與陰極間的電壓與電132、光電倍增管光電倍增極：12-14級K132、光電倍增管光電倍增極：12-14級K14?靈敏度高光電管：0.1lm光通量

5uA光電流光電倍增管：

0.0001lm光通量

1000uA光電流光電倍增系數(shù)14?靈敏度高光電管：0.1lm光通量光電倍增管：光15250500750100012501500106

105

104

103

102

5010015012108642015250500750163、光敏電阻163、光敏電阻17光敏電阻的伏安特性50100654

32

10

0.20.40.60.81.01.20.300.250.20

0.150.10

0.05非線性：不適合于作測量元件17光敏電阻的伏安特性180.5

1.01.52.02.53.03.510080

60

4020

0光敏電阻硫化鉛的溫度特性01.02.03.04.010080

6040

20180.51194、光電池電壓源：將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿菸怆姵毓韫怆姵毓韫怆姵毓韫怆姵氐慕Y(jié)構(gòu)194、光電池電壓源：將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿菸怆姵毓韫怆姵毓韫?0硅光電池的光譜特性0.2

0.40.60.81.01.210080

60

4020

0硅光電池的光照特性0

2000

40006000

8000100000.60.5

0.4

0.30.2

0.1

100

80

6040

2020硅光電池的光譜特性0.20.421提高光電轉(zhuǎn)換能力：面積大、淺結(jié)的PN結(jié)5、光敏二極管管芯結(jié)構(gòu)光敏二極管電路21提高光電轉(zhuǎn)換能力：5、光敏二極管管芯結(jié)構(gòu)光敏二極管電路22光敏二極管的光譜特性曲線250

5007501000125015001750200010080

60

4020

022光敏二極管的250232、高速光電二極管光電轉(zhuǎn)換效率高漂移時間小，響應(yīng)速度高（1）PIN結(jié)光電二極管232、高速光電二極管光電轉(zhuǎn)換效率高漂移時間小，響應(yīng)速度高（24（2）APD雪崩式光電二極管高摻雜濃度的P+層，響應(yīng)時間極短碰撞電離，二次電子發(fā)射雪崩倍增，靈敏度高24（2）APD雪崩式光電二極管高摻雜濃度的P+層，碰撞電離256、光敏三極管種類：NPN、PNP電極：通常2個，無基極結(jié)構(gòu)：基區(qū)面積大發(fā)射區(qū)面積小放大：兩個PN結(jié)光敏三極管的芯片結(jié)構(gòu)光敏三極管的電路256、光敏三極管種類：NPN、PNP電極：通常2個，無基極26光敏三極管的光譜特性400

6008001000120014001600180010080

60

4020

0246810121443210光敏三極管伏安特性26光敏三極管的光譜特性40027光敏三極管的光照特性20040060080010004

3

21

027光敏三極管的光照特性20028四、光電傳感器的應(yīng)用光電開關(guān)遮斷型反射型遮斷型光電開關(guān)示意圖Object光發(fā)射器光接收器例1：光電開關(guān)

28四、光電傳感器的應(yīng)用光電開關(guān)遮斷型反射型遮斷型光電開關(guān)示292930門窗防盜控制自動扶梯自動啟停1、對射式光電開關(guān)汽車通過檢測汽車噴涂控制30門窗防盜控制自動扶梯自動啟停1、對射式光電開關(guān)汽車通過檢31對射式光電開關(guān)鑒別不同高度物體高度判別缺件剔除料位控制31對射式光電開關(guān)鑒別不同高度物體高度判別缺件剔除料位控制32圍墻監(jiān)護(hù)警戒2、遠(yuǎn)距對射式光電開關(guān)庫房衛(wèi)士安全警戒32圍墻監(jiān)護(hù)警戒2、遠(yuǎn)距對射式光電開關(guān)庫房衛(wèi)士安全警戒33反射式光電開關(guān)檢測距離漫反射光線反射光線被檢測物體光發(fā)射器和光接受器發(fā)射光線額定距離33反射式光電開關(guān)檢測距離漫反射光線反射光線被檢測物體光發(fā)射343、反射式光電開關(guān)料位控制煙霧報警帶材對中控制缺料檢測343、反射式光電開關(guān)料位控制煙霧報警帶材對中控制缺料檢測35斜度檢測反射式光電開關(guān)裂縫檢測透明玻璃瓶檢測長度控制35斜度檢測反射式光電開關(guān)裂縫檢測透明玻璃瓶檢測長度控制36限距式光電開關(guān)產(chǎn)品計數(shù)液位檢測氣流量監(jiān)測檢測有無蓋36限距式光電開關(guān)產(chǎn)品計數(shù)液位檢測氣流量監(jiān)測檢測有無蓋37限距式光電開關(guān)料徑控制行程控制轉(zhuǎn)速監(jiān)測超速或滯速判別37限距式光電開關(guān)料徑控制行程控制轉(zhuǎn)速監(jiān)測超速或滯速判別38接收器4.光幕38接收器4.光幕39光幕傳感器自動裝配機(jī)的侵入檢測機(jī)器人工作區(qū)安全檢測車庫門車輛通過檢測上料機(jī)和卸料機(jī)的侵入檢測39光幕傳感器自動裝配機(jī)的侵入檢測機(jī)器人工作區(qū)安全檢測車庫門40產(chǎn)品高度測量光幕傳感器40產(chǎn)品高度測量光幕傳感器41三維尺寸檢測寬度測量長度測量高度測量光幕傳感器41三維尺寸檢測寬度測量長度測量高度測量光幕傳感器42木材外形截面積檢測光幕傳感器糾偏42木材外形截面積檢測光幕傳感器糾偏43光幕用于自動收費(fèi)系統(tǒng)的車輛檢測43光幕用于自動收費(fèi)系統(tǒng)的車輛檢測44例2：路燈自動控制器220VCJD-10路燈8VC1200uC2200u

R1470kR2200kR310kR457k

R54.3kR625kR710kR8280kJC3100u

BG1BG2BG3BG42CR天黑：BG1導(dǎo)通，J動作，路燈亮；天亮：光電池電動勢，BG1截止，J釋放，路燈滅。44例2：路燈自動控制器220VCJD-10路燈8V45例3：光電管在電影放映機(jī)上的應(yīng)用影片聲音重放過程錄制：聲音-機(jī)械振動-通過光束寬度變換-記錄在電影膠片上-寬度不同的影像聲跡重放：光-聲跡-光電管聲跡寬度起伏變化-光線強(qiáng)弱變化-光電流變化45例3：光電管在電影放映機(jī)上的應(yīng)用影片聲音重放過程錄制：46例4：注油液位控制裝置46例4：注油液位控制裝置47例5：測量心率脈搏跳動-生物組織血液量變化-傳輸光的性能變化變化速率-心率手指光反射強(qiáng)度變化的測量47例5：測量心率脈搏跳動-生物組織血液手指光反射強(qiáng)度變化的48例6：條形碼掃描筆48例6：條形碼掃描筆49例7：戒煙缸彈煙灰：顯示“吸煙有害健康”49例7：戒煙缸彈煙灰：顯示“吸煙有害健康”50例8：大米分選機(jī)大米及雜質(zhì)在光照下，發(fā)出不同光信號50例8：大米分選機(jī)大米及雜質(zhì)51例9：可逆計數(shù)器運(yùn)動方向出入場人數(shù)統(tǒng)計51例9：可逆計數(shù)器運(yùn)動方向出入場人數(shù)統(tǒng)計52例10：吸收式煙塵濁度檢測儀白熾平行光源光檢測放大顯示報警器刻度校正煙霧52例10：吸收式煙塵濁度檢測儀白熾平光檢測放大顯示報警器刻53參比通道

光電式濁度計和含沙量測量將裝有濁水的試管插入儀器中

1—恒流源2—半導(dǎo)體激光器3—半反半透鏡4—反射鏡5—被測水樣6、9—光電池7、10—電流/電壓轉(zhuǎn)換器8—標(biāo)準(zhǔn)水樣

53參比通道光電式濁度計和含沙量測量將裝有濁水的試管插入儀54例11：工件表面粗糙度及尺寸測量54例11：工件表面粗糙度及尺寸測量55例12：光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表55例12：光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表56第二節(jié)固態(tài)圖像傳感器一、CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理MOS電容器件+輸入輸出端=CCD光敏元件陣列電荷轉(zhuǎn)移器件：CCD光固態(tài)圖像傳感器56第二節(jié)固態(tài)圖像傳感器一、CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理MOS電57耗盡區(qū)：電極加正偏壓，排斥空穴，無空穴的區(qū)域偏壓越大，耗盡區(qū)越深電荷包：少數(shù)載流子（電子）吸引到最高正偏壓電極下勢阱：加偏壓后在金屬電極下形成的深耗盡層，阱內(nèi)存儲少子57耗盡區(qū)：電極加正偏壓，排斥空穴，無空穴的區(qū)域電荷包：少數(shù)58電荷（少子）定向轉(zhuǎn)移——三相控制方式經(jīng)過一個時鐘脈沖周期，