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1、第10章光电测量技术现在学习的是第1页，共38页光电式传感器：将被测量的变化转换成光量的变化，再通过光电元件把光量变化转换成电信号的一种装置。光电传感器的物理基础是光电效应。10.1 光电测量基础知识x1光量光量电量x2输出现在学习的是第2页，共38页 物体在光的照射下产生电子发射的现象称为光电发射效应或外光电效应。E=hfh 普朗克常数，h=6.6310-34JS；f 是光的频率。光子的能量E与它的频率成正比(爱因斯坦光量子理论)光电效应分两大类型：外光电效应和内光电效应10.2 外光电效应现在学习的是第3页，共38页物体表面受光照射，表面内的电子与光子碰撞，光子把全部能量转移给电子。如电子
2、的能量超过逸出功A0时，电子就逸出物体表面产生光电发射。如果不考虑电子热运动的能量，产生光电发射的条件是：光子能量hf超过表面逸出功A0。mv2/2=hf-A0v-电子逸出时的速度；m-电子的质量。爱因斯坦光电方程说明光电发生服从以下定律：1）物体表面发射的电子数(光电流)与光强成正比；2）光电子的动能随光的频率成正比的增加，而与光强无关；3）光电子逸出物体表面，hfA0。对于每种物体都存在一个极限频率（红限频率f0）否则不会有光电子发射出来。现在学习的是第4页，共38页在真空的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极和阳极。(1)结构和工作原理(真空光电管)光电管光电阴极贴附在玻璃泡内壁或涂在半圆筒形
3、的金属片上，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，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。现在学习的是第5页，共38页 充气光电管 在玻璃泡内充以少量的惰性气体，如氩或氖。光电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的原子，使其电离，使阳极电流急剧增加，提高了光电管的灵敏度。缺点:灵敏度随电压显著变化、稳定性、频率特性等比真空光电管差。现在学习的是第6页，共38页光电倍增管 在入射光极为微弱时，光电管产生的光电流很小，在这种情况下即使光电流能被放大，但信号和噪声同时被放大了，为克服这个缺点，要采用光电倍增管。(1)光电倍增管的结构和工作原理现在学习的是第7页，共
4、38页由光电阴极、若干个倍增极和阳极三部分组成。光电倍增极上涂有电子轰击下能够发射更多电子的材料。倍增极数目在414个不等。现在学习的是第8页，共38页光电导效应、光生伏特效应光电导：入射光子的能量如果大于禁带宽度，即hfEg,电子受光子的激发由价带越过禁带跃迁到导带，载流子数增多使其电阻下降。10.3 内光电效应现在学习的是第9页，共38页 光电导效应-光敏电阻(1)结构和原理又称光导管。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光
5、敏层最敏感的波长范围内透射率最大。梳状电极光电导透光窗口外壳绝缘基体玻璃支柱引脚AA现在学习的是第10页，共38页 光敏电阻利用光电导效应制成，一般选用禁带宽度较宽的半导体材料。原理：光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使其导电性能增强，电阻RG值下降，流过负载电阻RL的电流及其两端电压也随之变化。光线越强，电流越大。当光照停止时，光电效应消失，电阻恢复原值。现在学习的是第11页，共38页1:硫化镉、2:硫化铊、3:硫化铅。光敏电阻的光电特性 在一定电压作用下，光电流I与照射光通量的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性具有非线性。光敏电阻的光谱特性现在学习的是第12页，共38页2 光电池-
6、光生伏特效应 光电池基于阻挡层的光电效应工作的。在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光电元件。实质上它就是电压源。光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。其中硅光电池和硒光电池用途广泛。现在学习的是第13页，共38页 本课程介绍硅和硒两种光电池.(1)结构原理 硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质（例如硼）形成PN结。入射光照射在PN结上时，若光子能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在PN结内产生电子-空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P型区，电子移向N型区，使P型区带正电，N型区带负电，因而PN结
7、产生电势。现在学习的是第14页，共38页硒光电池是在铝片上涂硒，再用溅射的工艺，在硒层上形成一层半透明的氧化硒。在正反两面喷上低溶合金作为电极。在光线照射下，镉材料带负电，硒材料上带正电，形成光电流或光电势。(2)主要特性光电池的光谱特性不同光电池的光谱峰值位置不同。如硅光电池在8000 附近，硒光电池在5400 附近。AA光半透明金属膜硒半导体金属底盘)(um波长%相对灵敏度现在学习的是第15页，共38页 硅光电池的光谱范围广，即为450011000 之间，硒光电池的光谱范围为34007500 。因此硒光电池适用于可见光，常用于照度计测定光的强度。AA光电池的光照特性 光电池在不同的光强照射
8、下可产生不同的光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此把光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。现在学习的是第16页，共38页 光电池的短路电流：是反映外接负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流。而光电池的内阻是随着照度增加而减小的，所以在不同照度下可用大小不同的负载电阻为近似“短路”条件。从实验中知道，负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系越好，且线性范围越宽。对于不同的负载电阻，可在不同的照度范围内，使光电流与光强保持线性关系，所以应用光电池作测量元件时，所用负载电阻的
9、大小，应根据光强的具体情况而定。总之，负载电阻越小越好。现在学习的是第17页，共38页光电池的频率特性 光电池在作为测量、计数、接收元件时，常用交变光照。光电池的频率特性：反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。硅光电池可以有很高的频率响应 现在学习的是第18页，共38页 开路电压随温度升高而下降的速度较快;短路电流随温度升高而缓慢增加。当用光电池作测量元件时，在系统设计中应考虑到温度的漂移，采取相应的措施来进行补偿。光电池的温度特性 现在学习的是第19页，共38页3光敏二极管光敏二极管又称光电二极管。管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型
10、单晶硅上形成的一层薄膜。现在学习的是第20页，共38页 光敏二极管在电路中处于反向偏置，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流(暗电流)很小。当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子及光生空穴，因此使PN结的反向电流增大。现在学习的是第21页，共38页4 光敏三极管光敏三极管:PNP型和NPN型。当集电极加上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时，会产生电子-空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极和发射极间的电压升高，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倍。现在学习的是第22页，共38页(2)光敏三极
11、管的主要特性光敏三极管的光谱特性 光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。光敏三极管的伏安特性现在学习的是第23页，共38页光敏三极管的光照特性 光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系，它们之间呈近似线性关系。当光照足够大（几千勒克斯）时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关转换元件。现在学习的是第24页，共38页光敏三极管的频率特性 光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。现在学习的是第25页，共38页10.4 光纤传感器现在学习的是第26页，共38页 光纤传感器
12、所用光纤有单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为212m，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。现在学习的是第27页，共38页2SiO522OPOGe、1n2SiO432SiFOB、纤芯包层塑料套管涂敷层mm1外层直径um2001002n现在学习的是第28页，共38页2211sinsinnn1n光密介质2n光疏介质aabbccab11CC290212sinnnCC10d1n2n0nABCC1光折射与反射的snell定律现在学习的是第29页，共38页数值孔径NA:描述集光的能
13、力(反映纤芯接受光量的多少)222101NAnnnsincNA意义：无论光源发射功率多大，只有入射光处于2c的光角内，光纤才能导光。NA是光纤的一个重要参数。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸变，所以要适当选择数值孔径的数值。一般光线所处环境为空气，n0=1。现在学习的是第30页，共38页调制器光源入射光纤出射光纤光探测器输出现在学习的是第31页，共38页光源入射光纤出射光纤光探测器输出调制器现在学习的是第32页，共38页几种常用的光纤传感器1 光纤加速度传感器 现在学习的是第33页，共38页 2 光纤位移传感器 光纤位移传感器是利用光导纤维传输光信
14、号的功能，根据探测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离。现在学习的是第34页，共38页入射光纤接收光纤光源被测物体x位移dd位移光电流输出axmImd0入射光纤接收光纤被测物体dAB利用光导纤维传输光信号的功能，根据探测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离。现在学习的是第35页，共38页1.光纤探头端部紧贴被测部件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，因而就不能产生光电流信号；2.被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积A越来越大，因而相应的发射光锥和接收光锥重合面积B1越来越大，因而接收光纤端面上被照亮的区B2也越来越大，有一个线性增长的输出信号；3.当整个接收光纤
15、的端面被全部照亮时，输出信号就达到了位移-输出信号曲线上的“光峰点”，光峰点以前的这段曲线叫前坡区；4.当被测表面继续远离时，由于被反射光照亮的面积B2大于C，即有部分反射光没有反射进接收光纤，且由于接收光纤更加远离被测表面，接收到的光强逐渐减小，光敏检测器的输出信号逐渐减弱，便进入曲线的后坡区。工作原理入射光纤接收光纤被测物体dABd位移光电流输出axmImd0现在学习的是第36页，共38页 在后坡区，信号的减弱与探头和被测表面之间的距离平方成反比。在位移-输出曲线的“前坡”区中，输出信号的强度增加得非常快，所以这一区域可以用来进行微米级的位移测量。“后坡”区可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。光峰区:输出信号对于光强度变化的灵敏度要比对于位移变化的灵敏度大得多，所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量。现在学习的是第37页，共38页3 光纤温度传感器 光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而广泛使用的光纤传感器。根据工作原理可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。现在学习的是第38页，共38页