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1、模块三模块三 传感器原理及检测实训传感器原理及检测实训光学传感器光学传感器浙江经济职业技术学院浙江经济职业技术学院徐文徐文w3.6.1 光学传感器概述光学传感器概述w3.6.2 光电效应光电效应w3.6.3 光电器件光电器件w3.6.4 光学传感器实验光学传感器实验返回首页3.6 光学传感器光学传感器返回首页3.6.1 光学传感器概述光学传感器概述x1光源光源光源光源光光光光通路通路通路通路光电器件光电器件光电器件光电器件测量电路测量电路测量电路测量电路光量光量光量光量电量电量x2输出输出X1X1X1X1被测量直接引起光源光量的变化被测量直接引起光源光量的变化被测量直接引起光源光量的变化被测量
2、直接引起光源光量的变化X2X2X2X2被测量在光传播过程中调制光量被测量在光传播过程中调制光量被测量在光传播过程中调制光量被测量在光传播过程中调制光量对光量的调制方法：对光量的调制方法：对光量的调制方法：对光量的调制方法：返回首页3.6.1 光学传感器概述光学传感器概述常用光源常用光源发光器件发光器件物体辐射光物体辐射光白炽光源白炽光源气体放电光源气体放电光源发光二极管发光二极管激光器激光器GaP、SiC可见光可见光LEDGaAs红外红外LED1 1 1 1、常用光源、常用光源、常用光源、常用光源返回首页3.6.1 光学传感器概述光学传感器概述2 2 2 2、半导体、半导体、半导体、半导体激光
3、二极管激光二极管激光二极管激光二极管650 nm LD返回首页3.6.1 光学传感器概述光学传感器概述带尾纤大功率带尾纤大功率带尾纤大功率带尾纤大功率LDLD1.55 1.55 um LDum LD模块模块模块模块808 808 nm nm 大功率大功率大功率大功率LDLD返回首页3.6.1 光学传感器概述光学传感器概述返回首页3.6.2 光电效应光电效应 不同频率或波长的光具有不同的能量不同频率或波长的光具有不同的能量不同频率或波长的光具有不同的能量不同频率或波长的光具有不同的能量波动性：以光速运动，干涉、衍射波动性：以光速运动，干涉、衍射波动性：以光速运动，干涉、衍射波动性：以光速运动，干
4、涉、衍射粒子性：具有一定的质量和能量的粒子粒子性：具有一定的质量和能量的粒子粒子性：具有一定的质量和能量的粒子粒子性：具有一定的质量和能量的粒子光光光光以光速运动的粒子流以光速运动的粒子流以光速运动的粒子流以光速运动的粒子流波粒二象性波粒二象性波粒二象性波粒二象性光照光照光照光照 半导体半导体半导体半导体 电子在物体内部运动电子在物体内部运动电子在物体内部运动电子在物体内部运动内光电效应内光电效应内光电效应内光电效应返回首页3.6.2 光电效应光电效应金属金属金属金属金属氧化物金属氧化物金属氧化物金属氧化物半导体半导体半导体半导体光照光照光照光照 电子电子电子电子 光电效应是光电传感器的基本转
5、换原理光电效应是光电传感器的基本转换原理光电效应是光电传感器的基本转换原理光电效应是光电传感器的基本转换原理金属金属金属金属金属氧化物金属氧化物金属氧化物金属氧化物光照光照光照光照 电子逸出物体表面电子逸出物体表面电子逸出物体表面电子逸出物体表面外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应1 1、定义、定义、定义、定义及分类及分类及分类及分类返回首页3.6.2 光电效应光电效应 只有当入射光能量大于电子逸出功只有当入射光能量大于电子逸出功只有当入射光能量大于电子逸出功只有当入射光能量大于电子逸出功(f f f f f f f f0 0 0 0)时，时，时，时，才能产生光电子，红限频率才能产生光电子
6、，红限频率才能产生光电子，红限频率才能产生光电子，红限频率f f f f0 0 0 0=A/h=A/h=A/h=A/h 光电流与入射光强成正比光电流与入射光强成正比光电流与入射光强成正比光电流与入射光强成正比 光电子逸出物体表面具有初始动能，负截止电压光电子逸出物体表面具有初始动能，负截止电压光电子逸出物体表面具有初始动能，负截止电压光电子逸出物体表面具有初始动能，负截止电压 从光照至发射电子，时间从光照至发射电子，时间从光照至发射电子，时间从光照至发射电子，时间 10 10 10 10-9-9-9-9 s s s s2 2、外光电效应、外光电效应、外光电效应、外光电效应电子吸收光子能量电子吸
7、收光子能量电子吸收光子能量电子吸收光子能量克服物质的束缚，电子逸出功克服物质的束缚，电子逸出功克服物质的束缚，电子逸出功克服物质的束缚，电子逸出功转化为逸出电子的动能转化为逸出电子的动能转化为逸出电子的动能转化为逸出电子的动能返回首页3.6.2 光电效应光电效应3 3、内光电效应、内光电效应、内光电效应、内光电效应光生电子光生电子光生电子光生电子-空穴对空穴对空穴对空穴对(1)(1)内光电效应内光电效应绝大多绝大多(2)(2)数的高电阻率半导体，受数的高电阻率半导体，受(3)(3)光照射吸收光子能量后，光照射吸收光子能量后，(4)(4)会产生电阻率降低而易于导电的现象会产生电阻率降低而易于导电
8、的现象(2)(2)红限频率红限频率(3)(3)载流子数目增多、电导率变大载流子数目增多、电导率变大(4)(4)光导型光电器件光导型光电器件:光敏电阻、光电二极管、光电晶体管光敏电阻、光电二极管、光电晶体管返回首页3.6.2 光电效应光电效应 对于每种半导体材料存在一个入射光的波长限对于每种半导体材料存在一个入射光的波长限 入射光光强愈强，电导率愈大入射光光强愈强，电导率愈大 入射光波长入射光波长 禁带宽度禁带宽度3 3、内光电效应、内光电效应、内光电效应、内光电效应条件：入射光能量大于半导体材料的禁带宽度条件：入射光能量大于半导体材料的禁带宽度返回首页3.6.2 光电效应光电效应光照下，使半导
9、体产光照下，使半导体产生一定方向电动势的生一定方向电动势的现象。现象。4 4、光生伏特效应、光生伏特效应、光生伏特效应、光生伏特效应w3.6.3.1 光电管光电管w3.6.3.2 光电倍增管光电倍增管w3.6.3.3 光敏电阻光敏电阻w3.6.3.4 光电二极管光电二极管w3.6.3.5 光伏电池光伏电池w3.6.3.6 光电器件特性光电器件特性w3.6.3.7 光电器件类型光电器件类型返回首页3.6.3 光电器件光电器件返回首页1 1、光电管、光电管、光电管、光电管光电发射型光电器件光电发射型光电器件真空光电管：适合于要求温真空光电管：适合于要求温度影响小和灵敏度稳定的场度影响小和灵敏度稳定
10、的场合合充气光电管：适合于要求灵充气光电管：适合于要求灵敏度高的场合敏度高的场合图图4-4-2 光电管基本电路光电管基本电路3.6.3 光电器件光电器件返回首页光谱特性：光谱特性：光谱特性：光谱特性：工作电压不变，工作电压不变，工作电压不变，工作电压不变，入射光波长与灵敏度（量入射光波长与灵敏度（量入射光波长与灵敏度（量入射光波长与灵敏度（量子效率）的关系子效率）的关系子效率）的关系子效率）的关系光谱特性取决于阴极材光谱特性取决于阴极材光谱特性取决于阴极材光谱特性取决于阴极材料，不同阴极材料的光料，不同阴极材料的光料，不同阴极材料的光料，不同阴极材料的光电管其灵敏度分布不同电管其灵敏度分布不同
11、电管其灵敏度分布不同电管其灵敏度分布不同 0.2 0.4 0.6 0.2 0.4 0.6 25 25 20 20 15 15 10 10 5 5 0 00.2 0.4 0.6 0.8 1.00.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.13.6.3 光电器件光电器件返回首页伏安特性：伏安特性：伏安特性：伏安特性：一定光通量一定光通量一定光通量一定光通量照射下，光电管阳极与照射下，光电管阳极与照射下，光电管阳极与照射下，光电管阳极与阴极间的电压与电流的阴极间的电压与电流的阴极间的电压与电流的阴极间的电压与电流的关系。关系。关系
12、。关系。光电特性：光电特性：光电特性：光电特性：光电管工作电光电管工作电光电管工作电光电管工作电压一定时，入射光通量与压一定时，入射光通量与压一定时，入射光通量与压一定时，入射光通量与光电流的关系光电流的关系光电流的关系光电流的关系 20 40 60 80 100 120 20 40 60 80 100 120 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 0.5 1 1.5 2.0 2.5 0.5 1 1.5 2.0 2.58080606040402020 0 0 3.6.3 光电器件光电器件返回首页3.6.3 光电器件光电器件国产光电管的技术参数国产光电管的技术参数国产光电管的技术参数国产光电管
13、的技术参数返回首页3.6.3 光电器件光电器件 适合在微弱光下使用，但是不能接受强光刺激，否则易适合在微弱光下使用，但是不能接受强光刺激，否则易于损坏。于损坏。图图4-4-4 光电倍增管的结构及电路光电倍增管的结构及电路2 2、光电倍增管、光电倍增管、光电倍增管、光电倍增管返回首页3.6.3 光电器件光电器件 10 10-16 -16 1010-12 -12 1010-8 -8 1010-4 -4 1 1 10 102 2 10 10-2-2 10 10-6-6 1010-10-10 灵敏度高灵敏度高光电管：光电管：光电管：光电管：0.1 0.1 lm lm 光通量光通量光通量光通量 5 5
14、uAuA 光电流光电流光电流光电流光电倍增管：光电倍增管：光电倍增管：光电倍增管：0.0001 0.0001 lm lm 光通量光通量光通量光通量 1000 1000 uAuA 光电流光电流光电流光电流返回首页3.6.3 光电器件光电器件 50 100 150 50 100 150 12 12 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 250 500 750 1000 1250 1500 10 106 6 10 105 5 10 104 4 10 103 3 10 102 2 返回首页3.6.3 光电器件光电器件国产光电倍增管的技
15、术参数国产光电倍增管的技术参数国产光电倍增管的技术参数国产光电倍增管的技术参数返回首页3.6.3 光电器件光电器件3 3、光敏电阻、光敏电阻、光敏电阻、光敏电阻光光导导型型光光电器件电器件返回首页3.6.3 光电器件光电器件不不受受光光照照时时的的电电阻阻值值暗暗阻，一般在兆欧数量级阻，一般在兆欧数量级受受光光照照时时的的电电阻阻值值亮亮阻阻，一般在几千欧以下一般在几千欧以下 0.5 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.51.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5100100 80 80 60 60 40 40 2020 0 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.
16、0 1.20.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.30 0.30 0.25 0.25 0.20 0.20 0.15 0.15 0.100.10 0.050.05非线性：非线性：非线性：非线性：不适合于作不适合于作不适合于作不适合于作 测量元件测量元件测量元件测量元件返回首页3.6.3 光电器件光电器件光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 50 100 50 100 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1光敏电阻硫化铅的温度特性光敏电阻硫化铅的温度特性光敏电阻硫化铅的温度特性光敏电阻硫化铅的温度特性 0 1.0 2.0 3.0 4.0 0
17、1.0 2.0 3.0 4.0100100 80 80 60 60 4040 2020返回首页3.6.3 光电器件光电器件4 4、光电二极管、光电二极管、光电二极管、光电二极管光导型光电器件光导型光电器件提高光电转换能力：提高光电转换能力：提高光电转换能力：提高光电转换能力：面积大、浅结的面积大、浅结的面积大、浅结的面积大、浅结的PNPN结结结结管芯结构管芯结构管芯结构管芯结构光电二极管电路光电二极管电路光电二极管电路光电二极管电路返回首页3.6.3 光电器件光电器件光电二极管的光电二极管的光电二极管的光电二极管的光谱特性曲线光谱特性曲线光谱特性曲线光谱特性曲线 250 250 500 750
18、 1000 1250 1500 1750 2000500 750 1000 1250 1500 1750 2000100100 80 80 60 60 40 40 2020 0 0 返回首页3.6.3 光电器件光电器件光电二极管的技术参数光电二极管的技术参数光电二极管的技术参数光电二极管的技术参数返回首页3.6.3 光电器件光电器件光电二极管基本电路光电二极管基本电路光电晶体管电路光电晶体管电路光电二极管的基本电路光电二极管的基本电路光电二极管的基本电路光电二极管的基本电路返回首页3.6.3 光电器件光电器件光电二极管光控应用电路光电二极管光控应用电路光电二极管光控应用电路光电二极管光控应用电
19、路返回首页3.6.3 光电器件光电器件5 5、光伏型光电器件、光伏型光电器件、光伏型光电器件、光伏型光电器件光电池光电池光电池光电池(1)(1)光生伏特效应光生伏特效应光照射引起光照射引起PNPN结两端产生电动势的现象结两端产生电动势的现象(2)(2)光电池光电池直接将光能转变为电动势的光电器件（有源传直接将光能转变为电动势的光电器件（有源传感器）感器）PNPN结光生伏特效应原理图结光生伏特效应原理图返回首页3.6.3 光电器件光电器件光电池应用电路光电池应用电路返回首页3.6.3 光电器件光电器件硒光电池的光谱特性硒光电池的光谱特性硒光电池的光谱特性硒光电池的光谱特性 0.2 0.2 0.4
20、 0.6 0.8 1.0 1.20.4 0.6 0.8 1.0 1.2100100 80 80 60 60 40 40 2020 0 0 电压源：将光量转变为电动势电压源：将光量转变为电动势电压源：将光量转变为电动势电压源：将光量转变为电动势硒光电池硒光电池硒光电池硒光电池硅光电池硅光电池硅光电池硅光电池硒光电池的结构硒光电池的结构硒光电池的结构硒光电池的结构（1 1）硒光电池）硒光电池）硒光电池）硒光电池返回首页3.6.3 光电器件光电器件硒光电池的硒光电池的硒光电池的硒光电池的伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性（2 2）硅光电池）硅光电池）硅光电池）硅光电池硅光电池的结构硅光电池的结构硅光电
21、池的结构硅光电池的结构返回首页3.6.3 光电器件光电器件硅光电池的光谱特性硅光电池的光谱特性硅光电池的光谱特性硅光电池的光谱特性 0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20.4 0.6 0.8 1.0 1.2100100 80 80 60 60 40 40 2020 0 0 硅光电池的伏安特性硅光电池的伏安特性硅光电池的伏安特性硅光电池的伏安特性返回首页3.6.3 光电器件光电器件硅光电池的光照特性硅光电池的光照特性硅光电池的光照特性硅光电池的光照特性 0 0 20002000 4000 60004000 6000 8000 100008000 10000 0.6 0.6 0.
22、5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.20.2 0.1 0.1 100 100 80 80 60 60 4040 20 20 返回首页3.6.3 光电器件光电器件6 6、光电器件特性、光电器件特性、光电器件特性、光电器件特性（1 1）光电特性和光照特性）光电特性和光照特性光电特性：当光电器件电极上的电压一定时，光电流光电特性：当光电器件电极上的电压一定时，光电流 I I 与入射于光电器件上的光通量与入射于光电器件上的光通量 间的关系即间的关系即 I=F()I=F()。光照特性：当光电器件电极上的电压一定时，光电流光照特性：当光电器件电极上的电压一定时，光电流 I I 与光电器件上照度
23、与光电器件上照度 E E 的关系即的关系即I=F(E)I=F(E)。（2 2）光谱特性）光谱特性光谱特性：光电流（一般以最大值的百分数或相对灵敏光谱特性：光电流（一般以最大值的百分数或相对灵敏度表示）与入射光波长的关系度表示）与入射光波长的关系 I=F()I=F()返回首页3.6.3 光电器件光电器件光电特性和光照特性曲线光电特性和光照特性曲线希希望：望：曲曲线线斜斜率率要要大，大，且且斜斜率率最最好好是是常常数数返回首页3.6.3 光电器件光电器件光谱特性曲线光谱特性曲线返回首页3.6.3 光电器件光电器件 结论：当光电器件的光谱特性与光源辐射能量的光谱分结论：当光电器件的光谱特性与光源辐射
24、能量的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率较高。在检测布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率较高。在检测时，光电器件的最佳灵敏度最好在需要测量的波长处。时，光电器件的最佳灵敏度最好在需要测量的波长处。（3 3）伏安特性）伏安特性 伏安特性：在给定的光通量或照度下，光电流伏安特性：在给定的光通量或照度下，光电流 I I 与光电器与光电器件两端电压件两端电压 U U 的关系即的关系即 I I=F F(U U)应用：帮助计算选择光电元件的负载电阻，设计整个线路应用：帮助计算选择光电元件的负载电阻，设计整个线路（4 4）频率特性）频率特性 频率特性：在同样的电压和同样幅值的光强度下，光频率
25、特性：在同样的电压和同样幅值的光强度下，光电器件输出的光电流电器件输出的光电流 I I 或灵敏度或灵敏度 S S 随入射光强度变化频率随入射光强度变化频率 f f 的关系的关系 I I=F F1 1(f f)或或 S S=F F2 2(f f)。返回首页3.6.3 光电器件光电器件伏安特性曲线伏安特性曲线返回首页3.6.3 光电器件光电器件频率特性曲线（要求：曲线平直，且频带宽频率特性曲线（要求：曲线平直，且频带宽）(a)光电管光电管(b)光敏电阻光敏电阻(c)光电池光电池(d)光电晶体管光电晶体管返回首页3.6.3 光电器件光电器件（5 5）温度特性）温度特性 温度特性：光电器件的光电特性和
26、光谱特性随温度变化温度特性：光电器件的光电特性和光谱特性随温度变化 结论：结论：1 1）对温度的影响可采取温度补偿或修正措施；）对温度的影响可采取温度补偿或修正措施；2 2）可通过控制工作环境温度，达到最大灵敏度。）可通过控制工作环境温度，达到最大灵敏度。返回首页3.6.3 光电器件光电器件温度变化对元件特性的影响温度变化对元件特性的影响返回首页3.6.3 光电器件光电器件7 7、光电器件类型、光电器件类型、光电器件类型、光电器件类型（1 1）透射式）透射式 光源发出一定的光通量，穿过被测对象，光源发出一定的光通量，穿过被测对象，部分被吸收，其余到达光电器件转变为电信号输出部分被吸收，其余到达
27、光电器件转变为电信号输出 应用：测量透明度和浑浊度应用：测量透明度和浑浊度透射式光电传感器透射式光电传感器返回首页3.6.3 光电器件光电器件反射式光电传感器反射式光电传感器（2 2）反射式）反射式 光光源发出一定的光通量到源发出一定的光通量到被测对象，由于物体性被测对象，由于物体性质或状态损失了一部分质或状态损失了一部分光通量，余下部分反射光通量，余下部分反射到光电器件上到光电器件上 应用：测量表面粗糙度应用：测量表面粗糙度返回首页3.6.3 光电器件光电器件辐射式光电传感器辐射式光电传感器（3 3）辐射式）辐射式 光源本身就是被测对象，被测对象发出的光源本身就是被测对象，被测对象发出的光通
28、量被光电器件接受光通量被光电器件接受 应用：光电高温计和炉子燃烧监视装置应用：光电高温计和炉子燃烧监视装置返回首页3.6.3 光电器件光电器件（4 4）遮挡式）遮挡式 光源发出一定的光通量，射到光电器件上，光源发出一定的光通量，射到光电器件上，光路途中遇到被测对象遮挡了一部分光，由此改变了光电器件光路途中遇到被测对象遮挡了一部分光，由此改变了光电器件的光通量的光通量应用：测量物体面积、尺寸和位移等应用：测量物体面积、尺寸和位移等 （5 5）开关式）开关式 光源与光电器件间的光路上，有物体时，光源与光电器件间的光路上，有物体时，光路被切断，没有物体时光路畅通。简言之，就是光路被切断，没有物体时光路畅通。简言之，就是“通通”与与“断断”的开关状态。的开关状态。应用：应用：开关，开关，产品计数或测量转速等，产品计数或测量转速等，编码编码返回首页3.6.3 光电器件光电器件遮挡式光电传感器遮挡式光电传感器返回首页3.6.4 温度传感器特性实验温度传感器特性实验光电二极管和光敏电阻的特性研究光电二极管和光敏电阻的特性研究要求：要求：光敏电阻和硅光电池的特性曲线 光敏电阻和硅光电池的基本特性