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1、传感器与检测传感器与检测技技术术 第第八章八章 光电传感器光电传感器第1页，共29页，编辑于2022年，星期四主要内容 第一节第一节 光电效应及分类光电效应及分类 一、光电传感器概述一、光电传感器概述 二、光电效应二、光电效应 三、光电效应分类三、光电效应分类1.1.1.1.外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应 2.2.2.2.内光电效应内光电效应内光电效应内光电效应 四、光电传感器应用实例四、光电传感器应用实例 第2页，共29页，编辑于2022年，星期四1.1.定义定义 通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电
2、信号的器件化成电信号的器件。2.2.结构结构 光源、光学元件和光电变换器三部分组成光源、光学元件和光电变换器三部分组成。3.3.工作原理工作原理 被测量使光源发射的光通量变化被测量使光源发射的光通量变化光电变换器接受到的光通量相光电变换器接受到的光通量相应变化应变化输出电量也作相应地变化。输出电量也作相应地变化。4.4.优点优点 结构简单、体积小、响应快，可靠性高、抗干扰能力强。结构简单、体积小、响应快，可靠性高、抗干扰能力强。一、光电传感器概述一、光电传感器概述第3页，共29页，编辑于2022年，星期四二、光电效应二、光电效应定义定义 光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的轰击，光
3、照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的轰击，物体吸收光子能量产生相应的电效应物体吸收光子能量产生相应的电效应。光子能量光子能量光的光的频率率光速光速光的光的波波长式中式中h=6.62610h=6.62610-34-34 J JS S，为普朗克常数为普朗克常数。第4页，共29页，编辑于2022年，星期四 外光电效应外光电效应（1887/1887/赫兹赫兹/德国）：光照射固体而从表面逸出德国）：光照射固体而从表面逸出电子的现象，称为外光电效应（光电发射效应）电子的现象，称为外光电效应（光电发射效应）;基于外光电效应的基于外光电效应的光电器件属于光电发射光电器件属于光电发射型器件型器件,有光
4、电管、光有光电管、光电倍增管等。电倍增管等。1.1.外光电效应外光电效应 通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为外光电效通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为外光电效应和内光电效应。应和内光电效应。三、光电效应的分类三、光电效应的分类第5页，共29页，编辑于2022年，星期四光电倍增管工作原理图光电倍增管工作原理图K K光电光电阴极阴极D D1 1D D6 6光电光电倍增极倍增极光电光电阳极阳极（1 1）组成）组成光电阴极：光电阴极：由半导体材料锑铯制造，入射光在它上面打出光电子。由半导体材料锑铯制造，入射光在它上面打出光电子。光电倍增极：光电倍增极：数目在数目在4 41414个不等。个不
5、等。光电阳极：光电阳极：收集电子，外电路形成电流输出。收集电子，外电路形成电流输出。在工作时在工作时,这些电极的电位是逐级增高的。这些电极的电位是逐级增高的。阴极阴极K K电位最低，阳极电位最低，阳极A A电位最高。各电极之间保持上百伏的电压差。电位最高。各电极之间保持上百伏的电压差。第6页，共29页，编辑于2022年，星期四光电倍增管工作原理图光电倍增管工作原理图（2 2）工作原理：）工作原理：光光 阴极阴极 光电倍增极光电倍增极 阳极阳极 光电流光电流 光线光线光电阴极光电阴极(D D1 1正电位作用正电位作用)加速并打在第一倍增极加速并打在第一倍增极D D1 1上上,产生二次发射；产生二
6、次发射；D D1 1的二次发射电子的二次发射电子(D D2 2正电位作用正电位作用)加速入射到电极加速入射到电极D D2 2上；上；这样逐级前进这样逐级前进,一直到达阳极一直到达阳极A A为止。由上述的工作过程可见为止。由上述的工作过程可见,光电流是逐光电流是逐级递增的级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。因此光电倍增管具有很高的灵敏度。第7页，共29页，编辑于2022年，星期四特点：产生光电流，对光电流有放大作用。特点：产生光电流，对光电流有放大作用。如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子，这个电子将被第一倍增极的正电压如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子，这个电子将被
7、第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极，设这时第一倍增极有所加速而轰击第一倍增极，设这时第一倍增极有个个二次电子，这二次电子，这个电子又轰击第二倍增个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又增加极，而其产生的二次电子又增加倍，经过倍，经过n n个倍增极后，原先的个倍增极后，原先的1 1个电子将变成个电子将变成n n个个电子，这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。电子，这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。构成倍增极材料的构成倍增极材料的11，设设4 4，n n1010，放大倍数为放大倍数为4 41010 10106 6 可见，光电倍增管的放大倍数是很高的
8、。可见，光电倍增管的放大倍数是很高的。第8页，共29页，编辑于2022年，星期四受光照物体受光照物体(通常为半导体材料通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光生伏特效内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光生伏特效应。应。2 2、内光电效应、内光电效应（1 1）光电导效应）光电导效应原理：光原理：光 半导体半导体 电子吸收能量电子吸收能量 跃迁跃迁 电子电子-空穴对空穴对导电性能导电性能电阻值。电阻值。基于这种效应的光电器件有光敏电阻基于这种效应的光电器件有光敏电阻
9、(光光电导型电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三和反向工作的光敏二极管、光敏三极管极管(光电导结型光电导结型)。导带导带禁带禁带价带价带半导体能带图半导体能带图第9页，共29页，编辑于2022年，星期四特点：特点：灵敏度高灵敏度高,体积体积小小,重量轻重量轻,光谱响应范光谱响应范围宽围宽,机械强度高机械强度高,耐冲耐冲击和振动击和振动,寿命长等优寿命长等优点。点。a.a.光敏电阻光敏电阻(光导管光导管)原理原理：电阻器件，加直流偏压，无极性：电阻器件，加直流偏压，无极性 无光照无光照-电子电子-空穴对很少空穴对很少-电阻大电阻大(暗电阻暗电阻)-)-暗电流很小暗电流很小 有光照有光照-电子电
10、子-空穴对增多空穴对增多-电阻小电阻小(亮电阻亮电阻)-)-亮电流很大亮电流很大第10页，共29页，编辑于2022年，星期四主要参数：主要参数：暗电流：光照时，通过光敏电阻的电流；暗电流：光照时，通过光敏电阻的电流；亮电流：有光照时，通过光敏电阻的电流；亮电流：有光照时，通过光敏电阻的电流；光电流亮电流暗电流光电流亮电流暗电流第11页，共29页，编辑于2022年，星期四4.4.基本特性基本特性 光谱特性光谱特性 光照特性光照特性 伏安特性伏安特性 频率特性频率特性 温度特性温度特性部分光敏元件的光部分光敏元件的光谱特性特性光敏光敏电阻的光阻的光谱特性是指光特性是指光电流流对不同波不同波长单单色
11、光的相色光的相对灵灵敏度。敏度。第12页，共29页，编辑于2022年，星期四部分光敏元件的光部分光敏元件的光谱谱特性特性 光敏光敏电电阻的光阻的光谱谱特性是指光特性是指光电电流流对对不同不同波波长长单单色光的相色光的相对对灵敏度。灵敏度。第13页，共29页，编辑于2022年，星期四光敏光敏电电阻的光照特性阻的光照特性 光敏光敏电阻的光照特性是指在一定的阻的光照特性是指在一定的电压下，光下，光电流流I I与光照与光照强度度E E的关系的关系 。第14页，共29页，编辑于2022年，星期四光敏光敏电电阻的伏安特性阻的伏安特性 光敏光敏电电阻的伏安特性是指在一定阻的伏安特性是指在一定强强度的光度的光
12、照下，光敏照下，光敏电电阻的端阻的端电压电压与光与光电电流的关系。流的关系。第15页，共29页，编辑于2022年，星期四光敏光敏电电阻的阻的频频率特性率特性 频频率特性系指光敏率特性系指光敏电电阻上的光阻上的光电电流流对对入入射光射光调调制制频频率的响率的响应应特性特性 。第16页，共29页，编辑于2022年，星期四硫光硫光铅铅光光谱谱温度特性温度特性 温度特性系指光敏温度特性系指光敏电电阻工作特性受温度的影响。阻工作特性受温度的影响。第17页，共29页，编辑于2022年，星期四光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的,其差别只是光照在半其差别只是光照在半导体结上而
13、已。导体结上而已。b.b.光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管（a a）光敏二极管光敏二极管 （b b）光敏三极管光敏三极管第18页，共29页，编辑于2022年，星期四 光生伏特效应指半导体材料光生伏特效应指半导体材料P-NP-N结受到光照后产生一定结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电器件是自发方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电器件是自发电式的电式的,属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件的光生伏特型器件,硒和硅是光电池常用的材料硒和硅是光电池常用的材料,也可以也可以使用锗。使用锗。2.2.光生伏特效应
14、光生伏特效应硅光电池：在硅光电池：在N N型硅型硅片上掺入片上掺入P P型杂质，型杂质，形成一个大面积的形成一个大面积的PNPN结。结。第19页，共29页，编辑于2022年，星期四 光光电电池在不同光照池在不同光照强强度下，有不同的光生度下，有不同的光生电势电势或光生或光生电电流流。硅光硅光电电池光照特性池光照特性第20页，共29页，编辑于2022年，星期四四、光电传感器的应用实例四、光电传感器的应用实例 由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点
15、，加之激光光源、光栅、光学码盘、加之激光光源、光栅、光学码盘、CCDCCD器件、光导纤维等器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。领域得到了广泛的应用。按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。器。光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。射式、辐射式四种基本形式。第21页，共29页，编辑于2022年，星期四下图表明了四种形式的工作方式。下图表明了四种形式的工作
16、方式。第22页，共29页，编辑于2022年，星期四下面举一实例，说明光敏器件的具体应用。直射式光电转速传感下面举一实例，说明光敏器件的具体应用。直射式光电转速传感器的结构见下图。器的结构见下图。工作原理：工作原理：开孔圆盘上有许开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速。脉冲频率，得知被测转速。开孔圆盘开孔圆盘第23页，共29页，编辑于2022年，星期四式中式中n n转速；转速；f f脉冲频率；脉冲频率；。
17、m m圆盘开孔数。圆盘开孔数。开孔圆盘开孔圆盘直射式光电转速传感器直射式光电转速传感器第24页，共29页，编辑于2022年，星期四比色温度计比色温度计 ：通过测量热辐射体在两个以上波长的光：通过测量热辐射体在两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表。谱辐射亮度之比来测量温度的仪表。被测对象经物镜被测对象经物镜1 1成像经光栏成像经光栏3 3与光导棒与光导棒4 4投射到分光镜投射到分光镜6 6上，它使长波（红外线）辐射线透上，它使长波（红外线）辐射线透过，而使短波（可见光）部分反射。透过分光镜的辐射线再经滤光片过，而使短波（可见光）部分反射。透过分光镜的辐射线再经滤光片9 9将残余的短波滤
18、去，之后将残余的短波滤去，之后被红外光电元件硅光电池被红外光电元件硅光电池1010接收，转换成电量输出；由分光镜反射的短波辐射线经滤波片接收，转换成电量输出；由分光镜反射的短波辐射线经滤波片7 7将长将长波滤去，而被可见光硅光电池波滤去，而被可见光硅光电池8 8接收，转换成与波长亮度成函数关系的电量输出接收，转换成与波长亮度成函数关系的电量输出。第25页，共29页，编辑于2022年，星期四 将这两个电信号输入自动平衡显示纪录仪进行比较得出光电信号比，即可读出被测将这两个电信号输入自动平衡显示纪录仪进行比较得出光电信号比，即可读出被测对象的温度值。对象的温度值。光栏光栏3 3前的平行平面玻璃前的
19、平行平面玻璃2 2将一部分光线反射到瞄准反射镜将一部分光线反射到瞄准反射镜5 5上，在经反射镜上，在经反射镜1111、目镜、目镜1212和棱镜和棱镜1313，便能从观察系统中看到被观测对象的状态，以便校准，便能从观察系统中看到被观测对象的状态，以便校准仪器的位置。仪器的位置。第26页，共29页，编辑于2022年，星期四下下图为光光纤流速流速传感器，主要由多模光感器，主要由多模光纤、光源、光源、铜管、光管、光电二二极极管及管及测量量电路所路所组成。成。测流速的工作原理流速的工作原理:多多模光模光纤插插入入顺流而流而置的置的铜管中，由于管中，由于流体流流体流动而使光而使光纤发生机械生机械变形，形，
20、从从而使光而使光纤中中传播的播的各模式光的相位各模式光的相位发生生变化，光化，光纤的的发射光强出射光强出现强弱强弱变化，其振幅的化，其振幅的变化化与与流速成正比。流速成正比。光电二极管在流速测量中的应用光电二极管在流速测量中的应用第27页，共29页，编辑于2022年，星期四主要内容 一、光电传感器概述一、光电传感器概述 二、光电效应二、光电效应 三、光电效应分类三、光电效应分类1.1.1.1.外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应 2.2.2.2.内光电效应：内光电效应：内光电效应：内光电效应：光电导效应和光生伏特效应光电导效应和光生伏特效应光电导效应和光生伏特效应光电导效应和光生伏特效应
21、四、光电传感器应用实例四、光电传感器应用实例第28页，共29页，编辑于2022年，星期四 妈妈新新开开了了个个淘淘宝宝店，店，欢迎前迎前来来捧捧场 妈妈的淘的淘宝宝点点开开了快半年了，主要了快半年了，主要卖的是毛的是毛绒玩具、坐玩具、坐垫、抱枕之、抱枕之类的，但生意一直的，但生意一直不是很好，感不是很好，感觉妈妈还是很用心的，花了不少功夫，但是就是是很用心的，花了不少功夫，但是就是没没有人有人气气，所以我也，所以我也来来出自出自己的一己的一份份力，力，帮帮忙宣忙宣传一下。一下。并并且且妈妈总是去五亭是去五亭龙挑最好的玩具整理、挑最好的玩具整理、发货，质量量绝对有保有保证。另外我家就在另外我家就在扬州五亭州五亭龙玩具城旁玩具城旁边，货源丰富，源丰富，质量可靠，价格便宜。量可靠，价格便宜。欢迎大家迎大家来逛逛来逛逛【扬州五亭州五亭龙玩具玩具总动员】个个人小广告：人小广告：第29页，共29页，编辑于2022年，星期四