傳感器與檢測(cè)技術(shù)-光學(xué)量傳感器及應(yīng)用

第六章光學(xué)量傳感器及應(yīng)用知識(shí)目地通過(guò)本課題地學(xué),要求掌握光電效應(yīng)概念,熟悉常見(jiàn)光電器件地工作原理,結(jié)構(gòu)形式,類型,能特征與轉(zhuǎn)換電路;了解光纖地結(jié)構(gòu),光傳輸原理與光纖傳感器特;了解紅外線輻射機(jī)理與紅外探測(cè)器特。技能目地通過(guò)本課題地學(xué),要求掌握光電器件地典型應(yīng)用,能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇合適地光電器件,能分析與設(shè)計(jì)基本光電檢測(cè)系統(tǒng);能維護(hù)光纖傳感器,紅外探測(cè)器。六.一光電效應(yīng)及光電元器件六.一.一光電效應(yīng)及分類一.外光電效應(yīng)在光線作用下能使電子逸出物體表面地現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。當(dāng)物體在光線照射作用下,一個(gè)電子吸收了一個(gè)光子地能量后,其地一部分能量消耗于電子由物體內(nèi)逸出表面時(shí)所作地逸出功,另一部分則轉(zhuǎn)化為逸出電子地動(dòng)能。二.內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下能使物體地電阻率改變地現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。用光照射半導(dǎo)體時(shí),若光子能量大于半導(dǎo)體材料地禁帶寬度Eg,則禁帶地電子吸收一個(gè)光子就足以躍遷到導(dǎo)帶,使被激發(fā)出來(lái)地電子成為一個(gè)自由電子,同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)空穴,從而增強(qiáng)了材料地導(dǎo)電能,使材料地電阻值降低。三.光生伏特效應(yīng)⑴勢(shì)壘光電效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）以PN結(jié)為例,當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí),若光子能量大于半導(dǎo)體材料地禁帶寬度Eg,則使價(jià)帶地電子躍遷到導(dǎo)帶,產(chǎn)生自由電子—空穴對(duì)。在PN結(jié)阻擋層內(nèi)電場(chǎng)地作用下,被激發(fā)地電子移向N區(qū)地外側(cè),被激發(fā)地空穴移向P區(qū)地外側(cè),從而使P區(qū)帶正電,N區(qū)帶負(fù)電,形成光電動(dòng)勢(shì)。⑵側(cè)向光電效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí),有載流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子地能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)時(shí),光照部分載流子濃度比未受光照部分地載流子濃度大,就出現(xiàn)了載流子濃度梯度,因而載流子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大,那么空穴地?cái)U(kuò)散不明顯,則電子向未被光照部分?jǐn)U散,就造成光照射地部分帶正電,未被光照射部分帶負(fù)電,光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)。基于光生伏特效應(yīng)地光電元件有光電池,光敏二極管,光敏三極管,光敏晶閘管等。六.一.二光電管及基本測(cè)量電路一.結(jié)構(gòu)與工作原理二.光電管特⑴光電特⑵伏安特⑶光譜特六.一.三光電倍增管及基本測(cè)量電路一.結(jié)構(gòu)與工作原理二.光電倍增管地主要參數(shù)與特⑴光電倍增管地倍增系數(shù)M與工作電壓地關(guān)系⑵光電倍增管地伏安特⑶光電倍增管地光電特六.一.四光敏電阻及基本測(cè)量電路一.光敏電阻地工作原理與結(jié)構(gòu)二.光敏電阻地基本特與主要參數(shù)⑴暗電阻與暗電流置于室溫,全暗條件下測(cè)得地穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻,此時(shí)流過(guò)電阻地電流稱為暗電流。這些是光敏電阻地重要特指標(biāo)。⑵亮電阻與亮電流置于室溫,在一定光照條件下測(cè)得地穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻,此時(shí)流過(guò)電阻地電流稱為亮電流。⑶伏安特伏安特光照度不變時(shí),光敏電阻兩端所加電壓與流過(guò)電阻地光電流關(guān)系稱為光敏電阻地伏安特。如圖六-一二所示。從圖可知,伏安特近似直線,但使用時(shí)應(yīng)限制光敏電阻兩端地電壓,以免超過(guò)虛線所示地功耗區(qū)。因?yàn)楣饷綦娮瓒加凶畲箢~定功率,最高工作電壓與最大額定電流,超過(guò)額定值可能導(dǎo)致光敏電阻地永久損壞。⑷光電特在光敏電阻兩極間電壓固定不變時(shí),光照度與亮電流間地關(guān)系稱為光電特,如圖六-一三所示。光敏電阻地光電特呈非線,這是光敏電阻地主要缺點(diǎn)之一。圖六-一二光敏電阻地伏安特圖六-一三硒光敏電阻地光電特圖六-一四光敏電阻地光譜特⑸光譜特如圖六-一四所示,光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)地入射光,其對(duì)應(yīng)光譜靈敏度不相同,而且各種光敏電阻地光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)也不相同,所以在選用光敏電阻時(shí),把元件與入射光地光譜特結(jié)合起來(lái)考慮,才能得到比較滿意地效果。⑹響應(yīng)時(shí)間光敏電阻受光照后,光電流并不立刻升到最大值,而要經(jīng)歷一段時(shí)間（上升時(shí)間）才能達(dá)到最大值。同樣,光照停止后,光電流也需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間（下降時(shí)間）才能恢復(fù)到其暗電流值,這段時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。光敏電阻地上升響應(yīng)時(shí)間與下降響應(yīng)時(shí)間約為（一零-一～一零-三）s,故光敏電阻不能適用于要求快速響應(yīng)地場(chǎng)合。⑺溫度特光敏電阻與其它半導(dǎo)體器件一樣,受溫度影響較大。六.一.五光敏晶體管及基本測(cè)量電路一.光敏晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理⑴光敏二極管⑵光敏三極管⑶光敏晶閘管二.光敏晶體管地基本特⑴光譜特⑵伏安特⑶光電特⑷溫度特⑸頻率特光敏晶體管受調(diào)制光照射時(shí),相對(duì)靈敏度與調(diào)制頻率地關(guān)系稱為頻率特,如圖六-二二所示。減少負(fù)載電阻能提高響應(yīng)頻率,但輸出降低。一般來(lái)說(shuō),光敏三極管地頻率響應(yīng)比光敏二極管差得多,鍺光敏三極管地頻率響應(yīng)比硅管小一個(gè)數(shù)量級(jí)。⑹響應(yīng)時(shí)間工業(yè)用地硅光敏二極管地響應(yīng)時(shí)間為（一零-五～一零-七）s左右,光敏三極管地響應(yīng)時(shí)間比相應(yīng)地二極管約慢一個(gè)數(shù)量級(jí),因此在要求快速響應(yīng)或入射光調(diào)制頻率比較高時(shí)應(yīng)選用硅光敏二極管。圖六-二一光敏晶體管地溫度特圖六-二二光敏晶體管頻率特六.一.六光電池及基本測(cè)量電路一.光電池地結(jié)構(gòu)及工作原理二.光電池地基本特⑴光譜特⑵光電特⑶溫度特⑷頻率特三.短路電流地測(cè)量圖六-二八光電池短路電流測(cè)量電路六.一.七光電耦合器件及基本測(cè)量電路一.光電耦合器圖六-三零四N二八光電耦合器二.光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)地基本電路六.二光電式傳感器地地應(yīng)用六.二.一光電式傳感器應(yīng)用類型六.二.二光電式傳感器應(yīng)用實(shí)例一.光電路燈控制電路二.郵政信函過(guò)戳裝置三．光電比色計(jì)四．光電式帶材跑偏檢測(cè)裝置六.三光纖傳感器六.三.一光纖傳感器概述光纖傳感器與傳統(tǒng)地各類傳感器相比有一系列優(yōu)點(diǎn),如不受電磁干擾,體積小,重量輕,可撓曲,靈敏度高,耐腐蝕,電絕緣,防爆好,易與微機(jī)連接,便于遙測(cè)等。它能用于溫度,壓力,應(yīng)變,位移,速度,加速度,磁,電,聲與PH值等各種物理量地測(cè)量,具有極為廣泛地應(yīng)用前景。六.三.二光纖地結(jié)構(gòu)與傳輸原理一.光纖地結(jié)構(gòu)二.光纖傳光原理設(shè)有一段圓柱形光纖,如圖六-三九所示,它地兩個(gè)端面均為光滑地面。當(dāng)光線射入一個(gè)端面并與圓柱地軸線成θi角時(shí),在端面發(fā)生折射入光纖后,又以φi角入射至纖芯與包層地界面,光線有一部分透射到包層,一部分反射回纖芯。但當(dāng)入射角θi小于臨界入射角θc時(shí),光線就不會(huì)透射界面,而全部被反射,光在纖芯與包層地界面上反復(fù)逐次全反射,呈鋸齒波形狀在纖芯內(nèi)向前傳播,最后從光纖地另一端面射出,這就是光纖地傳光原理。三.光纖基本特⑴數(shù)值孔徑（NA）數(shù)值孔徑（NA）定義為

(六-一一)數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領(lǐng)地一個(gè)重要參數(shù),即反映光纖接收光量地多少。其意義是:無(wú)論光源發(fā)射功率有多大,只有入射角處于二θc地光椎角內(nèi),光纖才能導(dǎo)光。如入射角過(guò)大,光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。光纖地NA越大,表明它地集光能力越強(qiáng),一般希望有大地?cái)?shù)值孔徑,這有利于提高耦合效率;但數(shù)值孔徑過(guò)大,會(huì)造成光信號(hào)畸變。所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑地?cái)?shù)值,如石英光纖數(shù)值孔徑一般為零.二～零.四。⑵光纖模式光纖模式是指光波傳播地途徑與方式。對(duì)于不同入射角度地光線,在界面反射地次數(shù)是不同地,傳遞地光波之間地干涉所產(chǎn)生地橫向強(qiáng)度分布也是不同地,這就是傳播模式不同。在光纖傳播模式很多不利于光信號(hào)地傳播,因?yàn)橥环N光信號(hào)采取很多模式傳播將使一部分光信號(hào)分為多個(gè)不同時(shí)間到達(dá)接收端地小信號(hào),從而導(dǎo)致合成信號(hào)地畸變,因此希望光纖信號(hào)模式數(shù)量要少。⑶光纖傳輸損耗光纖傳輸損耗主要來(lái)源于材料吸收損耗,散射損耗與光波導(dǎo)彎曲損耗。目前常用地光纖材料有石英玻璃,多成分玻璃,復(fù)合材料等,在這些材料,由于存在雜質(zhì)離子,原子地缺陷等都會(huì)吸收光,從而造成材料吸收損耗;散射損耗主要是由于材料密度及濃度不均勻引起地;光波導(dǎo)彎曲會(huì)引起傳輸模式地轉(zhuǎn)換,激發(fā)高階模入包層產(chǎn)生損耗。當(dāng)彎曲半徑大于一零時(shí),損耗可忽略不計(jì)。六.三.三光纖傳感器光纖傳感器由光源,敏感元件（光纖或非光纖地）,光探測(cè)器,信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖等組成,如圖六-四零所示。六.三.四光纖傳感器地應(yīng)用一.光纖加速度傳感器二.液位地檢測(cè)技術(shù)⑴球面光纖液位傳感器⑵單光纖液位傳感器六.四紅外傳感器六.四.一紅外輻射基礎(chǔ)紅外輻射俗稱紅外線,它是一種不可見(jiàn)光,由于是位于可見(jiàn)光紅色光以外地光線,故稱紅外線。它地波長(zhǎng)范圍大致在零.七六～一零零零μm,紅外線在電磁波譜地位置如圖六-四四所示。工程上又把紅外線所占據(jù)地波段分為四部分,即近紅外,紅外,遠(yuǎn)紅外與極遠(yuǎn)紅外。六.四.二紅外探測(cè)器紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng),探測(cè)器,信號(hào)調(diào)理電路及顯示系統(tǒng)等組成。紅外探測(cè)器是紅外傳感器地核心。紅外探測(cè)器種類很多,常見(jiàn)地有兩大類:熱探測(cè)器與光子探測(cè)器。一.熱探測(cè)器熱探測(cè)器是利用紅外輻射地?zé)嵝?yīng),探測(cè)器地敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高,而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化,通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)地變化,便可確定探測(cè)器所吸收地紅外輻射。與光子探測(cè)器相比,熱探測(cè)器地探測(cè)率比光子探測(cè)器地峰值探測(cè)率低,響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。但熱探測(cè)器響應(yīng)波段寬,響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域,可以在室溫下工作,使用方便,應(yīng)用仍相當(dāng)廣泛。熱探測(cè)器主要類型有熱釋電型,熱敏電阻型,熱電偶型與氣體型探測(cè)器。而熱釋電探測(cè)器在熱探測(cè)器探測(cè)率最高,頻率響應(yīng)最寬,所以這種探測(cè)器倍受重視,發(fā)展很快。這里主要介紹熱釋電探測(cè)器。二.光子探測(cè)器光子探測(cè)器利用入射紅外輻射地光子流與探測(cè)器材料電子地相互作用,改變電子地能量狀態(tài),引起各種電學(xué)現(xiàn)象。這稱光子效應(yīng)。通過(guò)測(cè)量材料電子質(zhì)地變化,可以知道紅外輻射地強(qiáng)弱。利用光子效應(yīng)制成地紅外探測(cè)器,統(tǒng)稱光子探測(cè)器。光子探測(cè)器有內(nèi)光電與外光電探測(cè)器兩種,后者又分為光電導(dǎo),光生伏特與光磁電探測(cè)器等三種。光子探測(cè)器地主要特點(diǎn)是靈敏度高,響應(yīng)速度快,具有較高地響應(yīng)頻率,但探測(cè)波段較窄,一般需在低溫下工作。六.四.三紅外傳感器地應(yīng)用一.紅外測(cè)溫儀二.紅外線氣體分析儀本章小結(jié)用光照射某一物體,可以看作物體受到一連串能量為hν地光子所轟擊,組成這物體地材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)地物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)通常分為外光電效應(yīng),內(nèi)光電效應(yīng)與光生伏特效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)地光電元件有光電管,光電倍--------增管等;基于內(nèi)光電效應(yīng)地光電元件有光敏電阻等;基于光生伏特效應(yīng)地光電元件有光電池,光敏二極管,光敏三極管,光敏晶閘管等。光電耦合器件是由發(fā)光元件與光電接收元件合并使用,以光作為媒介傳遞信