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当前位置:首页 > 行业资料 > 国内外标准规范 > 第四章 光电式传感器原理与应用
任课教师:2015-2016学年第一学期2本章教学:一、教学要求:了解光学的基本知识,光栅传感器的原理、光学系统的构成、测量方法;理解光电传感器利用的各种效应的机理;掌握常用光电器件的结构、特性、测量电路、应用方法;CCD的原理与应用;光纤传感器的原理、特点与应用;3光电器件或者光电元件是一种能够将光量转换为电量的器件。光电传感器就是以光电器件为检测元件的传感器,它先将被测非电量转换成光量的变化,然后通过光电器件将相应的光量转换成电量。本章介绍光电效应、光电器件、电荷耦合器件、光纤传感器及光栅传感器。4•原理首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后通过光电器件变换成电信号。辐射源光学通路光电器件输出被测量被测量•特性频谱宽、非接触测量、体积小、重量轻等5二、教学时间安排:6学时三、主要内容:•光电效应和光电器件•电荷耦合器件•光纤传感器•光栅传感器•本章重点:光电效应和光电器件、光纤传感器的原理、特点与应用;本章难点:电荷耦合摄像器件(CCD)的原理。四、教学过程:本章教学:6热辐射光源气体放电光源电致发光器件激光器光源是光电式传感器的一个组成部分,大多数光电传感器都离不开光源。7一、热辐射光源原理:热物体都会向空间发出一定的光辐射特点:物体温度越高,辐射能量越大代表:白炽灯、卤钨灯8一、热辐射光源9二、气体放电光源原理:电流通过气体会产生发光现象特点:改变气体成分、压力、电流、阴极材料和放电电流的大小,可以得到不同光谱范围的辐射源体代表:日光灯10二、气体放电光源11三、电致发光器件原理:固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光特点:体积小、寿命长、工作电压低、响应速度快代表:发光二极管12四、激光器定义:能够产生光受激辐射放大现象的器件特点:单色性好、方向性好、亮度高分类:固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器13第一节光电效应和光电器件光电传感器的工作原理基于光电效应光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子——光子所组成,每一个光子能量为:Ehfh——普朗克常数,6.626×10-34J.s;f——光的频率(s-1)。光电效应:当光照射物体时,物体受到一连串具有能量的光子的轰击,物体中的电子吸收入射光子的能量,而发生相应的效应(如发射电子、电导率变化或产生电动势)。光电效应?14第一节光电效应和光电器件1)外光电效应:在光照作用下,物体内电子逸出物体表面,形成光电流。光子能量被电子吸收后,能量转化为电子逸出功A0和动能,即:20012kEmvhfA不同材料有不同的逸出功,对某种材料而言有一个频率限,当入射光的频率低于此频率限时,不论光强多大,也不能激发电子,此频率限成为“红限”,其临界波长λK为:m——电子质量;v0——电子逸出速度;A0——物体的表面电子逸出功。0/KhcAc——光在真空中的速度。逸出物体表面电子具有的动能光电效应按原理又分为以下3种:外光电效应典型元件有光电管、光电倍增管等。15第一节光电效应和光电器件光电效应按原理又分为以下3种:2)内光电效应:又称光导电效应,在光照作用下,物体导电性能(如电阻率发生变化)发生改变的现象。典型的光电元件有光敏电阻等。16第一节光电效应和光电器件光电效应按原理又分为以下3种:3)光生伏特效应:在光线作用下,能使物体产生一定方向的电动势的现象。典型光电元件有光电池、光敏(电)二极管、光敏(电)三极管等。171、光电管(光电发射型)第一节光电效应和光电器件光电管灵敏度低、体积大、易破损,已被固体光电器件所代替目前光电管主要用途:光电比色计等分析仪器、各种光学自动装置光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。18第一节光电效应和光电器件当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子,电子被带正电位的阳极所吸引,在光电管内就有电子流,在外电路中便产生了电流。AKAK金属底层光电管光透明光电管A——阳极,K——阴极1、光电管(光电发射型)19第一节光电效应和光电器件真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性入射光的频谱及光通量一定时,阳极电流与阳极电压之间的关系。充气光电管:构造和真空光电管基本相同,优点是灵敏度高。所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体,其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差1、光电管(光电发射型)202、光电倍增管第一节光电效应和光电器件在入射光极为微弱时,光电管能产生的光电流就很小,光电倍增管:放大光电流组成:光电阴极+若干倍增极+阳极212、光电倍增管第一节光电效应和光电器件•倍增系数M等于各倍增电极的二次发射系数σi的乘积。如果n个倍增电极的σi都一样(),则nM所以niI式中,i为光电阴极的光电流i223、光敏电阻第一节光电效应和光电器件23第一节光电效应和光电器件1)光敏电阻的工作原理及结构当无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流很小当有光照时,光敏电阻值(亮电阻)急剧减少,电流迅速增加3、光敏电阻24第一节光电效应和光电器件1)光敏电阻的工作原理及结构1.玻璃2.光电导层3.电极4.绝缘衬底5.金属壳6.黑色绝缘玻璃7.引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响,因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。半导体吸收光子而产生的光电效应,只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状,可提高光敏电阻的灵敏度。3、光敏电阻25第一节光电效应和光电器件2)光敏电阻的基本特性伏安特性光照特性光谱特性响应时间和频率特性温度特性3、光敏电阻26第一节光电效应和光电器件2)光敏电阻的基本特性--伏安特性在一定照度下,光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的,耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。在给定的偏压情况下,光照度越大,光电流也就越大;在一定光照度下,加的电压越大,光电流越大,没有饱和现象。3、光敏电阻27第一节光电效应和光电器件2)光敏电阻的基本特性--光照特性光敏电阻的光电流与光强之间的关系。由于光敏电阻的光照特性呈非线性,因此不宜作为测量元件,一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。3、光敏电阻28第一节光电效应和光电器件2)光敏电阻的基本特性--光谱特性光敏电阻对不同波长的光,灵敏度是不同的可见光区域红外区域3、光敏电阻29第一节光电效应和光电器件2)光敏电阻的基本特性--响应时间光电导的弛豫现象:光电流的变化对于光的变化,在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。3、光敏电阻30第一节光电效应和光电器件2)光敏电阻的基本特性--频率特性不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间,所以它们的频率特性也就不尽相同。3、光敏电阻31第一节光电效应和光电器件2)光敏电阻的基本特性--温度特性光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时,它的暗电阻和灵敏度都下降。硫化镉光敏电阻的温度特性121212%100)(CRTTRR温度系数:在一定光照下,温度每变化1℃,光敏电阻阻值的平均变化率3、光敏电阻32第一节光电效应和光电器件2)光敏电阻的基本特性--温度特性温度对光谱特性影响随着温度升高,光谱响应峰值向短波方向移动。因此,采取降温措施,可以提高光敏电阻对长波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性3、光敏电阻33第一节光电效应和光电器件4、光敏二极管和光敏晶体管1)工作原理结构与一般二极管相似,装在透明玻璃外壳中。在电路中一般是处于反向工作状态的光敏二极管34第一节光电效应和光电器件4、光敏二极管和光敏晶体管1)工作原理与一般晶体管很相似,具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时,又将信号电流加以放大。光敏晶体管35第一节光电效应和光电器件4、光敏二极管和光敏晶体管1)工作原理36第一节光电效应和光电器件4、光敏二极管和光敏晶体管2)基本特性光谱特性伏安特性光照特性温度特性频率响应37第一节光电效应和光电器件4、光敏二极管和光敏晶体管2)基本特性--光谱特性入射光的波长增加时,相对灵敏度要下降硅和锗光敏二极(晶体)管的光谱特性可见光或探测赤热状态物体时,一般都用硅管。在红外光进行探测时,则锗管较为适宜。38第一节光电效应和光电器件4、光敏二极管和光敏晶体管2)基本特性--伏安特性硅光敏管的伏安特性二极管晶体管39第一节光电效应和光电器件4、光敏二极管和光敏晶体管2)基本特性--光照特性硅光敏管的光照特性光敏二极管的光照特性曲线的线性较好40第一节光电效应和光电器件4、光敏二极管和光敏晶体管2)基本特性--温度特性其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小,而对暗电流影响很大。41第一节光电效应和光电器件4、光敏二极管和光敏晶体管2)基本特性--频率响应具有一定频率的调制光照射时,光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系硅光敏晶体管的频率响应42第一节光电效应和光电器件5、光电池有光线作用下实质上就是电源,电路中有了这种器件就不再需要外加电源。1.工作原理2.基本特性43第一节光电效应和光电器件5、光电池太阳能电池片44第一节光电效应和光电器件5、光电池-----+++++PN--+--++-++PN光+-光照射——光电子空穴对——内建电场作用——光生电子被拉向N区,光生空穴被拉向P区——光电动势阻挡层——内建电场——P-N结当光照到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。1)工作原理45第一节光电效应和光电器件5、光电池2)基本特性光谱特性光照特性频率响应温度特性稳定性46第一节光电效应和光电器件5、光电池2)基本特性--光谱特性光电池对不同波长的光,灵敏度是不同的47第一节光电效应和光电器件5、光电池2)基本特性--光照特性不同光照度下,光电流和光生电动势是不同的。短路电流与光照度成线性关系;开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时,应把它当作电流源的形式来使用48第一节光电效应和光电器件5、光电池2)基本特性--光照特性负载越小,光电流与照度之间的线性关系越好,而且线性范围越宽49第一节光电效应和光电器件5、光电池2)基本特性--频率响应指输出电流随调制光频率变化的关系硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换50第一节光电效应和光电器件5、光电池2)基本特性--温度特性开路电压和短路电流随温度变化的关系。关系到应用光电池的仪器的温度漂移,影响到测量精度或控制精度等重要指标。硅光电池的温度特性(照度1000lx)51第一节光电效应和光电器件5、光电池2)基本特性--稳定性当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时,光电池的性能是相当稳定的硅光电池的性能比硒光电池更稳定影响性能和寿命因素:光电池的材料及制造工艺使用环境条件52第一节光电效应和光电器件6、光电式传感器的应用模拟式传感器脉冲式传感器53第一节光电效应和光电器件6、光电式传感器的应用1)模拟式光电传感器基于光电器件的光电流随光通量而发生变化,是光通量的函数。对于光通量的任意一个选定值,对应的光电流就有一个确定的值,而光通量又随被测非电量的变化而变化,这样光电流就成为被测非电量的函数。这类传感器将被测量转换成连续变化的光电流,要求光电元件的光照特性为单值线性,而且光源的光照均匀恒定。54第一节光电效应和光电器件6、光电式传感器的应用1)模拟式光电传感器--光电比色高温计1-物镜;2-平面玻璃;3-光阑;4-光导棒;5-分光镜;6-滤光片;7-硅光电池;8-滤光片;9-硅光电池;10-瞄准反射镜;11-圆柱反射镜;12-目镜;13-多夫棱镜14、15-硅光电池负载电阻;16-可逆电机;17-电子电位差计55第一节光电效应和光电器件6、光电式传感器的应用2)脉冲式光电传感器光电器件的输出仅有两个稳定状态,也就是“通”与“断”的开关状态。光电器件受光照时,有电信号输出,光电器件不受光照时,无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器,如测量线位移、线速度、角位
本文标题:第四章 光电式传感器原理与应用
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