第7章光电式传感器-1.ppt
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1、第七章 光电式传感器,本章要点: 1)光电器件的特性和选择、光电传感器设计原理及应用 2)光纤传感器原理和典型应用举例 3)莫尔条纹现象和重要特性、光栅传感器工作原理及应用方法,工作原理:首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后通过光电转换元件变成电信号。 优点:由于光电测量方法灵活多样,可测参数众多,一般情况下具有非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应快。 应用:在检测和控制领域中获得了广泛的应用,加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用,使得光电传感器的内容极其丰富。,第一节 光源,大多数光电传感器都离不开光源,选择时要考虑波长、谱分布、体积、造价、功率
2、等因素。 一、热辐射光源(钨丝白炽灯) 二、气体放电光源(低压汞灯、氢灯、钠灯、镉 灯、氦灯) 三、电致发光器件发光二极管 四、激光器 (一)固体激光器 (二)气体激光器 (三)半导体激光器,第二节 光电器件,光电器件的作用是将光信号变为电信号。 可分为: *热探测器:光 温度 电 基于光辐射与物质相互作用的热效应能接收超低能量的光子,尤其适用红外探测。 *光子探测器:光 电 基于一些物质的光电效应。,一、热探测器,(一)测辐射热电偶 (二)测辐射热敏电阻 (三)热释电探测器 敏感部分为(陶瓷)铁电材料。应用于防火、防盗、光谱仪、红外测温仪、热象仪、红外遥感技术等。,二、 光子探测器,光以光速
3、c传播,其波长 c/f 光是一种称为光子的物质组成,兼有波和粒子的特性。 光是一种电磁波,其能量E和振荡频率的关系为频率越高,能量越大。 E=hf 普朗克常数: h=6.62610 34 (Js) 光电效应:物体吸收能量为E的光后产生的电效应。 外光电效应:当物体在光的作用下能使物体中的电子从物体表面逸出的现象。如金属和金属氧化物。 内光电效应:当物体在光的作用下所释放的电子不逸出物体表面,而只在物体内部运动并使其电特性发生变化。常在半导体材料内。,根据爱因斯坦假设:一个光子的能量只能给一个电子。光子具有的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0,这时逸出表面的电子就具有动能,(一)光电发射型(外
4、光电效应),光电子逸出时所具有的初始动能EK与光的频率有关。 能激发电子逸出的频率限称为“红限”, fkA0/h 其波长也称为临界波长。,光电管的结构和工作原理,真空光电管结构如图,在一个真空泡内装有两个电极:光电阴极和光电阳极。,光电倍增管结构如图。,光电转换分为光电发射和电子倍增两个过程,(二)光电导型(内,半导体),在光线作用下其电阻值往往变小,这种现象称为光导效应。 具有这种性质的材料称为光敏电阻,也叫光导管。,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时,光生电子空穴对增加,阻值减小,电流增大。,(三)光电导结型(内,半导体),有光敏二极管和光敏三极管等。光敏三极管比相应的二极管的光电流大(1
5、 + )倍。如硅二极管在照度1000lx 时,约0.03A,而硅三极管有约3mA的光电流。 还有雪崩二极管、PIN结构光电二极管。,光敏二极管、光敏三极管外形,(四)光电伏特型(半导体),是自发电式的,有源器 件。即是说,受光照射时就产生一定方向的电动势,而不需要外部电源。这种因光照而产生电动势的现象称为光生伏特效应。 用可见光作光源的光电池是最常用的光生伏特型元件。它是大面积的pn结。,*CCD和PSD后叙,光电池外形,光敏面,较大电流的大面积光电池外形,光电池在人造卫星上的应用,太阳能发电,太阳能赛车,太阳能 硅光电池板,三、测量电路 (一)光电管的测量电路,1.真空光电管的测量电路,2.
6、光电倍增管的测量电路,当测量稳定的辐射源时,各电容可省去,此时往往电源的正端接地。 当辐射源为脉冲通量时,电源的负端接地。,(二)半导体光电元件的测量电路,四、一般形式的光电传感器及应用 (一)模拟式光电传感器,其工作原理是基于光电元件的光电特性,其光通量是随被测量而变,光电流就成为被测量的函数,故称为光电传感器的函数运用状态。 (1)吸收式(混浊度计等) (2)反射式(表面粗糙度等) (3)遮光式 (4)辐射式(高温计等),光电式浊度计和含沙量测量,烟雾报警器,吸收式光电传感器,反射式光电传感器,光电自动门,表面质量,浊度计,光电转速表,光电式带材跑偏检测器,遮光式光电传感器,当带材处于正确
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