传感器原理与应用—光电式

现代传感器原理及应用ModernTransducers2020/2/222现代传感器光电式传感器光纤式传感器数字式传感器波与射线传感器其他新型传感器2020/2/223应用示例：光电式烟雾报警器光电式传感器图5.1光电烟尘浓度报警器(a)透射式(b)反射式2020/2/224概述光电传感器的组成光电传感器及其应用新型光电器件光电式传感器2020/2/225光电式传感器(PhotoelectricSensor)是以光电器件作为转换元件的传感器的总称。光电传感器可以用来测量直接引起光量变化的其他非电量；也可用来测量能转换成光量变化的其他非电量。概述2020/2/226电参量/电量导线概述传统电测传感器与光电式传感器的区别：光电传感器的特征是以光电器件作为转换元件。因此，采用光电器件作为转换元件的传感器就统称为光电式传感器。被测量敏感元件电参量/电量转换元件导线实际物体或机械系统非电物理量被测量被测对象/光调制器被测介质、空气或光导纤维光信号♣传统电测传感器：♣光电式传感器：光电器件各种实现机-电转换传感器各种实现光-电转换传感器2020/2/227概述调制(Modulation)：使一个信号（载波）的某些参数在另一信号（调制信号）的控制下发生变化的过程，称为调制。☎光调制：使载波光波的参数随外加信号变化而变化的过程。光调制过程就是将一携带信息的信号叠加在载波光波上，完成这一过程的器件叫做调制器。解调(Demodulation)：从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解调。☎光的解调：光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光强度变化，然后由光电器件进行检测。光调制技术包括光强度调制、光频率或波长调制、光相位调制和光偏振态调制。其中光强度调制是最常用的调制技术。2020/2/228光电式传感器的一般主要包括：光源、光通路、光电器件和测量电路四个部分。光电传感器的组成测量电路光源光通路光电器件被测量x1被测量x2光量电参量或电量光量电量输出图3.67光电式传感器的组成被测体或人造光源各种光调制器实现光-电转换器件对光电器件输出的电信号进行放大或转换2020/2/229一．光源光电传感器的组成光是电磁波谱中的一员，不同波长光的分布如图所示。其中光电式传感器主要使用的光的波长范围处在紫外至红外之间的区域，一般为可见光和近红外光。工程检测中的光源，可以由各种发光器件产生产生，也可以是物体的辐射光。☎利用物体在不同温度下的辐射光的强度和频谱特性不同进行测温的方法，称为辐射测温法。☎工程上常见的是人造光源，人造光源按其工作原理不同，可分为热辐射光源、气体放电光源、电致发光光源和激光光源。2020/2/2210一．光源光电传感器的组成1.热辐射光源☎利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源称为热辐射光源。例如钨丝白炽灯和卤钨灯。☎特点：光谱线较丰富，包含可见光与红外光；发光效率低；发热大；寿命短；易碎，电压高，使用有一定的危险。2.气体放电光源☎电流通过置于气体中的两个电极时，两电极之间会放电发光，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电光源目前常用的有碳弧、低压水银弧、钠弧、氙弧灯等。☎气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关，改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。☎特点：效率高，省电，功率大；含有丰富的紫外线和频谱；容易污染环境，玻璃易碎，发光调制频率较低。2020/2/2211一．光源光电传感器的组成3.电致发光光源☎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，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。☎特点：体积小，属固体光源，耐振动；无辐射，无污染；功耗低；寿命长；响应快；供电电压低；成本低。4.激光光源☎某些物质的分子、原子、离子在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子(受激发射)。具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。如各种固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器等。☎特点：激光是频率单纯、能量高度集中的光，激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特点。2020/2/2212二．光电器件光电传感器的组成光电器件的作用是将光信号转变为电信号。光电器件的基于光电效应工作的。1.光电效应及其典型器件☎所谓光电效应是指物体吸收了光能后产生的电效应。光电效应外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应2020/2/2213二．光电器件光电传感器的组成1.光电效应及其典型器件(1)外光电效应（PhotoemissiveEffect）及器件☻外光电效应：在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象。量愈大。波长越短），光子的能可见光的频率愈高（即频率—普朗克常数—每个光子的能量为f)sJ.(hfh:34626610逸出功光速，普朗克常数，；红限波长：红限频率：AchAchhA00☻“红限”：☻光子能量：2020/2/2214二．光电器件光电传感器的组成入射光阴极K第一倍增极第二倍增极第三倍增极第四倍增极阳极A1.光电效应及其典型器件(1)外光电效应及器件b.光电倍增管（PhotoemissiveMultiplier）☻基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管。a.光电管（PhotoemissiveCell）2020/2/2215二．光电器件光电传感器的组成(2)内光电效应及器件☻内光电效应：在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。①光电导效应（PhotoconductionEffect）及器件☫这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。2020/2/2216二．光电器件光电传感器的组成(2)内光电效应及器件①光电导效应（PhotoconductionEffect）及器件☫基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管。a.光敏电阻（Photoresistor）2020/2/2217图5.8光敏电阻的结构光敏电阻的结构2020/2/2218光敏电阻当光敏电阻受到光照时，阻值减小。2020/2/2219二．光电器件光电传感器的组成(2)内光电效应及器件①光电导效应（PhotoconductionEffect）及器件b.光敏二极管（反向偏置PN结）2020/2/2220图5.10光敏二极管的结构光敏二极管的结构2020/2/2221二．光电器件光电传感器的组成(2)内光电效应及器件①光电导效应（PhotoconductionEffect）及器件c.光敏三极管2020/2/2222光敏三极管的结构图5.12光敏三极管的结构2020/2/2223光敏三极管外形2020/2/2224二．光电器件光电传感器的组成(2)内光电效应及器件②光生伏特效应（PhotovoltaicEffect）及器件☫光生伏特效应是光照引起PN结（正向偏置PN结）两端产生电动势的效应。☫基于这种效应的光电器件是光电池。光电池是自发电式有源器件，属于能量转换型、电压输出型传感器。－＋－－＋＋＋－PN＋结电场光生电子-空穴对图5.13PN结光生伏特效应原理图－2020/2/2225二．光电器件光电传感器的组成(2)内光电效应及器件②光生伏特效应（PhotovoltaicEffect）及器件☫光电池与外电路的两种连接方式：a.开路电压输出：照度/lx0200040000.10.20.30.20.40.6光生电压/V光生电流/mA硅光电池的光照特性♣开路电压与光照度之间呈非线性关系，灵敏度高，宜作开关元件。短路电流开路电压♣短路电流大小与光照成正比，可作线性检测元件使用。b.短路电流输出：2020/2/2226光电池外形光敏面2020/2/2227能提供较大电流的大面积光电池外形2020/2/2228光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板2020/2/2229光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电2020/2/2230光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用2020/2/2231总结：光电效应分类及其典型器件光生伏特效应：光电池光敏三极管光敏二极管光电导效应：光敏电阻内光电效应光电倍增管外光电效应：光电管和光电效应2020/2/2232二．光电器件光电传感器的组成2.光电器件的性能参数(1)光照特性☻光照特性是光电器件灵敏度的表征，它反映了光电器件输入光量与输出光电流(光电压)之间的关系。☻光照特性常用响应率（ResponseRate）R来描述：光输入功率输出电压电压响应率，输出电流电流响应率，对光生伏特器件：对光生电流器件：iPVPIiPViPIPVRIRP/VRP/IR2020/2/2233二．光电器件光电传感器的组成2.光电器件的性能参数(2)光谱特性☻光电器件光谱特性是指相对灵敏度K与入射光波长λ之间的关系，又称为光谱响应。☻探测器件的性能常用峰值探测率D*表征，D*值大，噪声等效功率小，光电器件性能好。(3)响应时间☻光电器件的响应时间反映它的动态特性。时间响应小，表示动态特性好。对于采用调制光的光电传感器，调制频率上限受响应时间的限制。(4)峰值探测率☻峰值探测率是表征光电器件噪声水平的性能参数。探测系数带宽积光敏器件的有效光敏面fAPfAfAPDNENE/1*2020/2/2234二．光电器件光电传感器的组成2.光电器件的性能参数(5)温度特性☻温度变化不仅影响光电器件的灵敏度，同时对光谱特性也有很大影响。在室温条件下工作的光电器件由于灵敏度随温度而变，因此高精度检测时有必要进行温度补偿或使它在恒温条件下工作。(6)伏安特性☻在一定光照下，对光电器件所加端电压与光电流之间的关系为伏安特性。2020/2/2235光电传感器是非接触式测量，根据输出量的性质可以将光电传感器分成模拟式和脉冲式两大类。一．模拟式光电传感器1.测量原理☎模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性，其光子通量是随着被测量而变，光电流就成为被测量的函数，故传感器的输出为连续变化的光电流。☎模拟式光电传感器有透射式、反射式、遮光式和辐射式等几种工作方式。光电传感器及其应用2020/2/2236一．模拟式光电传感器(a)吸收式光电传感器及其应用(c)光电器件光源工件光源(b)光电器件工件光电器件被测物(d)光源烟筒(a)光电器件(b)反射式(c)遮光式(d)辐射式2020/2/2237应用案例：光电式边缘位置检测纠偏装置图5.19光电式边缘位置检测纠偏装置2020/2/2238二．脉冲式光电传感器1.测量原理☎脉冲式光电传感器利用光电器件受光照的“有”、“无”的两种不同状态，经适当的调理电路输出“通”、“断”的开关信号。即将被测量转换成断续变化的开关信号，又称为开关式光电传感器。光电传感器及其应用孔数或黑白条纹数目。的关系：秒个分）与频率（转转速NNfn)/(f/n602020/2/2239光电开关的类型及应用图5.20光电开关的类型及应用2020/2/2240应用案例(1)：光电数字转速表2020/2/2241光电式转速表测量原理图5.22反射式光电转速表结构及原理示意图2020/2/2242应用案例(2)：光电式物体运动速度检测图5.23光电式物体运动速度检测原理图速度v2020/2/2243一．位置敏感器件光位置敏感器件是利用光线检测位置的光敏器件。当光照射到硅光电二极管的某一位置时，则光电流I1/I2=R2/R1=x2/x1，故只要测出I1和I2便可求得光照射的位置。新型光电器件(a)原理(b)结构图3.83光平面位置检测器图3.82光位置敏感器件原理图x1x212R2R1I1I2PN2020/2/2244二．固态图像传感器（solidimagesensor）图像传感器是电荷转移器件与光敏阵列元件集为一体构成的，具有自扫描