第4章-光电式传感器.pptx

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1、光电效应和光电器件光电管光电倍增管光敏电阻光敏二极管和光敏晶体管光电池光电式传感器的应用第1页/共118页411 光电管当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，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，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。在外电路中便产生了电流。第2页/共118页真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管充气光电管:构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.区别：在玻璃泡内充以少量的惰性气体区别：在玻璃

2、泡内充以少量的惰性气体缺点：其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光缺点：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电管差第3页/共118页412 光电倍增管在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，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：放大光电流光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极组成：光电阴极+若干倍增极若干倍增极+阳极阳极第4页/共118页光电倍增管的结构 与工作原理l光电阴极光电倍增极阳极倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射 二次电子发射系数 =二次发射电子树

3、入射电子数若倍增极有n，则倍增率为n第5页/共118页413 光敏电阻1.光敏电阻的工作原理及结构2光敏电阻的主要参数3光敏电阻的基本特性第6页/共118页1.光敏电阻的工作原理及结构当无光照时当无光照时，光敏电阻值，光敏电阻值(暗电阻暗电阻)很大很大，电路中电流，电路中电流很小很小当有光照时当有光照时，光敏电阻值，光敏电阻值(亮电阻亮电阻)急剧减少急剧减少，电流迅速，电流迅速增加增加第7页/共118页1.玻璃玻璃2.光电导层光电导层3.电极电极4.绝缘衬底绝缘衬底5.金属壳金属壳6.黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃7.引线引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光

4、电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。光敏电阻的结构 第8页/共118页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。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，提高了光敏电阻的灵敏度。光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。而且体积小、重量轻、性能稳定而且体积小、重量轻、性能稳定梳梳状状电电极极第9页/共118页2 光敏电阻的主要参数（1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定

5、时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。（2）亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。（3）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。第10页/共118页3光敏电阻的基本特性（1）伏安特性（2）光照特性（3）光谱特性（4）响应时间和频率特性（5）温度特性第11页/共118页（1）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在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；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

6、饱和现象。在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，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。耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。第12页/共118页（2）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，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。一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。第13页/共118页（3）光谱特性 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的 第14页/共11

7、8页（4）响应时间和频率特性光电导的弛豫现象：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。第15页/共118页光敏电阻的频率特性 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。第16页/共118页（5）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硫化镉光敏电阻的温度特性温度系数温度系数:在一定光照下，温度每变化在一定光照下，温度每变化1，光敏电阻阻值的平均变化率光敏电阻阻值的平均变化率第17页/共118页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

8、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硫化铅光敏电阻的光谱温度特性第18页/共118页光敏二极管和光敏晶体管 1 工作原理 2 基本特性第19页/共118页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 光敏二极管光敏二极管第20页/共118页光敏晶体管 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。第21页/共118页2 基本特性（1）光谱特性（2）伏安特性（3）光照特性（4）温度特性（5）频率响应第22页/共118页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）管的光谱特性硅和锗光敏二

9、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。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。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。（1）光谱特性第23页/共118页（2）伏安特性硅硅光光敏敏管管的的伏伏安安特特性性第24页/共118页（3）光照特性 硅光敏管的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光敏二极管的光照特性曲线的线性较好第25页/共118页（4）温度特性l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。温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。第26页/共118页（5）频率响应具有一定

10、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硅光敏晶体管的频率响应第27页/共118页415 光电池l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基本特性第28页/共118页1.工作原理直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负)。用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。第29页/共118页2 基本特性(1)光谱特性(2)光照特性(3)频率响应(4)温

11、度特性(5)稳定性第30页/共118页（1）光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的 第31页/共118页(2)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第32页/共118页光电池的短路电流 外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值。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，而且线性范围越宽第33页/共

12、118页(3)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硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换用于高速计数的光电转换第34页/共118页(4)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硅光电池的温度特性(照度照度1000lx)第35页/共118页当光电池密封良好、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 (5)稳定性第36页/共118页416 光电式传感器的应用模拟式传

13、感器脉冲式传感器第37页/共118页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。第38页/共118页光电比色高温计 1物镜；物镜；2平面玻璃；平面玻璃；3光阑；光阑；4光导棒；光导棒；5分光镜；分光镜；6滤光片；滤光片；7硅光电池；硅光电池；8滤光片；滤光片；9硅光电池；硅光电池；10瞄准反射镜；瞄准反射镜；11圆柱反射镜；圆柱反射镜；12目镜；目镜；13多夫棱镜多夫棱镜14、15硅光电池负载电阻；硅光电池负载电阻；16可逆电机；可逆电

14、机；17电子电位差计电子电位差计22第39页/共118页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、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。第40页/共118页光电式数字转速表 第41页/共118页4.2 4.2 光电码盘光电码盘数字式传感器:把输入量转换成数字量输出优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免 在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用 计算机处理。最简单的数字式传感器是编码器(ADE)角度

15、数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）原理分类：电触式、电容式、感应式和光电式等 第42页/共118页4.2 光电码盘工作原理码盘和码制二进制码与循环码的转换应 用第43页/共118页工作原理l用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。1光源光源2柱面镜柱面镜3码盘码盘4狭缝狭缝5元件元件第44页/共118页码盘和码制6位位二二进进制制码码盘盘根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。第45页/共118页二进制码盘主要特点：（1）n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，称其容量为2

16、n，其最小分辨力136002n，它的最外圈角节距为21；（2）二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，C1对应于由零位算起的转角为：（3）码盘转动中，CK变化时，所有Cj(jarcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；iarcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。，光线才可以进入光纤被全反射传播。第76页/共118页1.数值孔径（NA）2.光纤模式3.传播损耗光导纤维的主要参数第77页/共118页1.数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔

17、径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。第78页/共118页2.光纤模式光波沿光导纤维传播的途径和方式在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为 希望希望V小：小：d不能太大，不能太大，n2与与n1之差很小之差很小第79页/共118页3.传播损耗损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响 l-光纤长度；a-单位长度衰减；I0-光纤输入端光强；I-光纤输出端光强传播损耗（单位为传播损耗（单位为dB）第80页/共118页光纤传感器结构原理把被测量的状态转变为可测的

18、光信号的装置 光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。第81页/共118页光纤传感器光学测量的基本原理 光就是一种电磁波，光的电矢量光的电矢量E被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位的方向）、频率和相位解调：解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制第82页/共118页光纤传感器的分类光纤在传感器中的作用光受被测量调制的形式光纤传感器中对光信号的检测

19、方法不同 第83页/共118页(1)光纤的传感器中的作用功能型非功能型拾光型 第84页/共118页(a)功能型（全光纤型）光纤传感器光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。第85页/共118页(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。第86页/共118页(c)拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或

20、被其反射、散射的光。典型例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器第87页/共118页(2)根据光受被测对象的调制形式(a)强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器第88页/共118页(a)强度调制型光纤传感器 利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：压力、振动、位移、气体优点:结构简单、容易实现、成本低。缺点:易受光源波动和连接器损耗变化等的影响第89页/共118页（b）偏振调制光纤传感器利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用：电流、磁场传感器：法拉第效应；电场、电压传感器：泡尔效应；压力

21、、振动或声传感器：光弹效应；温度、压力、振动传感器：双折射性优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。第90页/共118页（c）频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率的变化来进行监测利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。第91页/共118页（d）相位调制传感器被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器 利用Sag

22、nac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）优点：灵敏度很高，缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。第92页/共118页光纤传感器的特点（1）电绝缘。（2）抗电磁干扰。（3）非侵入性。（4）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。第93页/共118页光纤传感器的应用强度调制型：基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型：利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。光光纤纤压压力力传传感感器器第94页/共118页 （1 1）采用弹性元件的光纤压力传感器）采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片反射

23、式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度膜片的中心挠度若利用若利用Y形光纤束位移特性的线性区，形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。1Y形光纤形光纤2壳体壳体3膜片膜片与所加的压力呈线性关系与所加的压力呈线性关系第95页/共118页传感器的固有频率可表示为传感器的固有频率可表示为式中式中,膜片材料的密度；膜片材料的密度；g重力加速度。重力加速度。结构简单、体积小、使用方便，结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。其精度就要受

24、到影响。第96页/共118页差动式膜片反射型光纤压力传感器 1输出光纤输出光纤2输入光纤输入光纤3输出光纤输出光纤4胶胶5膜片膜片两束输出光的光强之比两束输出光的光强之比A常数；常数；p待测量压力待测量压力输出光强比输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关与膜片的反射率、光源强度等因素均无关第97页/共118页将上式两边取对数，在满足将上式两边取对数，在满足(Ap)21时，得到时，得到表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。即

25、可得到线性的输出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。第98页/共118页（b）光弹性式光纤压力传感器 光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。1光源光源2、8起偏器起偏器3、91/4波长板波长板4、10光弹性元件光弹性元件5、11检偏器检偏器6光纤光纤7自聚焦透镜自聚焦透镜第99页/共118页光弹性式光纤压力传感器 2在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度第100页/共118页（c）微弯式光纤压力传感基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生

26、位移，使光纤弯曲而调制光强度。1聚碳酸酯薄膜聚碳酸酯薄膜2可动变形板可动变形板3固定变形板固定变形板4、5光纤光纤微微弯弯式式光光纤纤水水听听器器探探头头第101页/共118页上一页下一页返 回4.5 光栅传感器光栅传感器的结构莫尔条纹形成的原理莫尔条纹技术的特点光栅的光路辨向原理细分技术第102页/共118页光栅传感器的结构光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。第103页/共118页光栅传感器光源：钨丝灯泡：输出功率较大，工作范围较宽（-40到+130）与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。半导体发光器件:转换效率高，响应

27、特征快速。如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。第104页/共118页光栅副：指示光栅主光栅 a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，通常情况下，a=b=W/2第105页/共118页光电元件 包括有光电池和光敏三极管等部分。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。第106页/共118页横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率

28、莫尔条纹间距莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由由光栅常数与光栅夹角决定光栅常数与光栅夹角决定莫尔条纹形成的原理第107页/共118页莫尔条纹技术的特点（1）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。（2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信 号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提 高测量精度或可以采用较粗的光栅。（3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻 线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。第108页/共118页径向光栅进行角度测量 当

29、标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。第109页/共118页光栅的光路l透射光路l反射光路 第110页/共118页（1）透射式光路1-光源光源2-准直透镜准直透镜3-主光栅主光栅4-指示光栅指示光栅5-光电元件光电元件此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点：特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。第111页/共118页（2）反射式光路

30、1反射主光栅反射主光栅2-指示光栅指示光栅3-场镜场镜4-反射镜反射镜5-聚光镜聚光镜6-光源光源7-物镜物镜8-光电电池。光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。该光路适用于黑白反射光栅。第112页/共118页辨向原理单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。第113页/共118页辨向电路正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中正向移动时脉冲数累加，反向

31、移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。第114页/共118页细分技术提高分辨力方法：在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需的最小读数值。细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。第115页/共118页（1）直接细分直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。第116页/共118页（2）电阻电桥细分法（矢量和法）（3）电阻链细分法（电阻分割法）第117页/共118页感谢您的观看！第118页/共118页