传感器原理与应用_第八章_光电式传感器20141025

传感器原理与应用课程内容应变式电容式电感式压电式光电式热电式磁敏元件其他智能传感技术工作原理与应用概论传感器的一般特性第8章光电式传感器光敏传感器光纤传感器光栅传感器码盘式传感器（自学）电荷耦合器件（自学）你已经知道……1905年爱因斯坦指出：光在传播过程中，具有波动性，而光在和物质作用时具有粒子性（即光具有双重特性），其能量并不像波动理论所想像的那样是连续分布的，而是集中在一些称为光子或光量子的粒子上，但这种粒子仍保持着频率（或波长）的概念，光子的能量正比于其频率，即：其中：h－普朗克常数；v—频率同时爱因斯坦假设（现已证实），当光照射在金属上时，光子一个一个打在它的表面，金属中的电子要么吸收一个光子，要么完全不吸收（一个电子同时吸收二个光子或二个以上光子的概率是非常小的）。hvE8-1光敏传感器一、光电效应（一）外光电效应（二）内光电效应二、光敏电阻（一）工作原理与结构（二）主要参数和基本特性（三）光敏电阻与负载的匹配五、光电传感器的类型和应用三、光电池（一）工作原理与结构（二）基本特性（三）光电池的转换效率与最佳匹配四、光敏二极管和光敏三极管（一）工作原理与结构（二）基本特性（三）光敏晶体管的电路分析方法一、光电效应在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应（光电管和光电倍增管）光的波长越短，频率越高，光子能量也越大。每个光子的能量：h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）hE光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。爱因斯坦光电效应方程02021AmVh式中m—电子质量；V0—电子逸出速度。（一）外光电效应（一）外光电效应光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。02021AmVh一、光电效应（二）内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。一、光电效应1、光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应（光敏电阻）。2、光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应（光电池和光敏二极管、光敏三极管）。光电导效应产生过程自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带导带价带禁带EgEg24.1hch为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即对于一种光电导体材料，存在一个照射光的波长限值（临界波长λc），只有波长小于λc的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加，产生光电导效应。一、光电效应二、光敏电阻工作原理：光敏电阻又称光导管，是一种匀质半导体光电器件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻的结构和符号金属电极半导体玻璃底板电源检流计RLEI(a)(b)(c)Ra电极:梳状,提高灵敏度灵敏度易受湿度影响，故光导体部分要封装在玻璃（一）工作原理与结构（1）暗电阻、亮电阻、光电流暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流称为暗电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流称为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小性能越好。即暗电流要小，光电流要大。这样灵敏度越高。二、光敏电阻（二）主要参数和基本特性（2）光照特性012345I/mAL/lx10002000不同类型光敏电阻的光照特性不同，但是光照特性曲线均呈非线性。因此光敏电阻不宜作测量元件，这是光敏电阻的一大缺点，常常在自控中作开关光电信号传感元件使用。硫化镉光敏电阻的光照特性二、光敏电阻（二）主要参数和基本特性（3）光谱特性312λ/μm204060801004080120160200240相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅不同材料的光敏电阻的光谱分布是不同的，而且与制造工艺有关，如图中曲线1、2、3，它们对应的峰值波长也不同。硫化铅在较宽的光谱范围内均具有较宽的灵敏度。二、光敏电阻（二）主要参数和基本特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。501001502001光照为零时2光照不为零时U/V02040I/μA（1）偏压一定时：光照度越大，光电流也越大，无饱和现象；（2）照度一定时：偏压越大，光电流也越大，无饱和现象。偏压不能无限增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。二、光敏电阻（二）主要参数和基本特性（4）伏安特性（5）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。20406080100I/%f/Hz010102103104硫化铅硫化镉二、光敏电阻（二）主要参数和基本特性（6）温度特性I/μA100150200-50-10305010-30T/ºC2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20ºC-20ºC硫化镉的I-T关系硫化铅光敏电阻光谱特性随温度变化关系随着温度升高，暗电流增加，而亮电流增加较少，因此光电流下降，即光电灵敏度下降，需采取温度补偿措施。温度变化对光敏电阻的光谱特性也有影响，温度升高，光谱特性向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。二、光敏电阻（二）主要参数和基本特性三、光电池它的用途主要有两类。一类应用是作为电源；例如硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等太阳能电池，用于景观照明，路灯、宇航器电源等。另一类应用是利用它们对可见光和近红外光敏感，性能稳定，频率特性较好，能耐高温辐射等特点，用于检测，控制方面构成分析仪器，测量仪器或自动控制系统。IU光电池的表示符号基本电路光电池是利用光生伏特效应直接将光能转换为电能的器件，也称太阳能电池。一般能用于制造光电阻的材料都能用于制造光电池。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。I光PN（一）光电池的结构和工作原理A硼扩散层SiO2膜P型电极N型硅片PN结电极AII(a)(b)三、光电池（1）光照特性开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。非线性短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线（二）基本特性L/klx5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc/VIsc/mA(a)硅光电池短路电流L/klx0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc/VIsc/mA(b)硒光电池开路电压短路电流三、光电池02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0硒光电池在不同负载时的光照特性（二）基本特性三、光电池（1）光照特性204060801000.40.60.81.01.20.2I/%1硒光电池2硅光电池λ/μm(2)光谱特性（二）基本特性三、光电池（3）温度特性光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。2004060904060UOC/mVT/ºCISCUOCISC/μA600400200UOC——开路电压ISC——短路电流硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线（二）基本特性三、光电池四、光敏二极管和光敏三极管1.光敏二极管光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向偏压工作状态，如图所示。PN光光敏二极管符号光敏二极管接线RL光PN（一）工作原理与结构2.光敏三极管当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的β倍。NNPebcRLEPPNbec四、光敏二极管和光敏三极管（一）工作原理与结构（二）基本特性（1）光谱特性硅锗相对灵敏度/%入射光λ/Å400080001200016000100806040200四、光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性（二）基本特性四、光敏二极管和光敏三极管（4）伏安特性500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA024620406080光敏晶体管的伏安特性U/V（二）基本特性四、光敏二极管和光敏三极管暗电流/mA10203040506070T/ºC25050光电流/mA10002003004001020304050607080T/ºC（5）温度特性（二）基本特性四、光敏二极管和光敏三极管（6）光敏三极管的频率特性0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%光敏晶体管的频率特性（二）基本特性四、光敏二极管和光敏三极管8-2光纤传感器一、光纤的结构二、光纤导光原理（一）斯涅耳定理（二）光纤的导光原理三、光纤传感器（一）光纤传感器的结构原理（二）光纤传感器的主要元器件（三）光纤传感器的分类四、光纤传感器的特点及应用纤芯n1光包层n2护套一、光纤的结构n1n2ORn1n2高纯度石英玻璃，掺杂少量锗、硼、磷等光被束缚在纤芯里光二、光纤的导光原理（一）、斯涅耳定理当光由光密介质（折射率大）射出至光疏介质（折射率小）时，发生折射现象，其折射角大于入射角。rriinnsinsinni:光密介质；nr光疏介质Ɵi:入射角；Ɵr:折射角)/arcsin(/sin9000iriirirnnnn时，临界状态90,0rii时当全反射现象rinnnrniirn1n2光的全反射现象是光纤导光原理的基础根据斯涅耳定律n0sinθi=n1sinθjn1sinθk=n2sinθrsinθi=(n1/n0)sinθjsinθk=(n2/n1)sinθrθjθiθkθrABCDEFKOn0n2n1rrinnnnnnn22221021201sin1sin1sin因θj=90º－θk所以（二）光纤导光原理与数值孔径NA二、光纤的导光原理数值孔径NA=sinθi0rinnn222210sinsin1时22210sinnni当θr=90º的临界状态时NA是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。石英光纤数值孔径一般为0.2~0.4。一般光纤所处环境为空气，则n0=122)(2sin1121121122210nnnnnnnnnnNAi相对折射率差0ii当θr90º时,光线发生全反射0ii当θr90º时,光线消失时，发生全反射