第一部分光电式传感器的基本知识教学课件.ppt

第一节 光电式传感器的基本知识,第二节 光电式传感器及其基本特性,本章小结,第九章 光电式传感器,第三节 光电式传感器的应用,一、光电传感器的基本概念、主要特点和工作原理,第一节 光电式传感器的基本知识,二、常用光源及光电式传感器种类,一、光电传感器的基本概念、主要特点和工作原理,常见的光电元件有真空光电元件和半导体光电元件两大类。,作为光电式传感器的检测对象有可见光、不可见光，其中，不可见光有紫外线、近红外线等。另外，光的不同波长对光电式传感器的影响也各不相同。因此要根据被检测光的性质，即光的波长和响应速度来选用相应的光电式传感器。,第一节 光电式传感器的基本知识,光电效应：光电材料（或物质）在吸收了光能后而发生相应电效应的物理现象。光能的计算公式为,E = h ,式中：h为普朗克常数（h = 6.63×10 34 J s） 光波（或光波群）频率（Hz）,光电效应通常分为三类：,第一节 光电式传感器的基本知识,流明：光通量的单位，所有的灯都以流明表征输出光通量的大小。,勒克司：照度的单位，照度表征受照物体被照程度的物理量。若受照面积为 A，它所接受到的光通量为 ，则照度被定义为：E = d / dA，所以 1 lx = 1 lm / m2。,第一节 光电式传感器的基本知识,1常用光源,二、常用光源及光电式传感器种类,（1）自然光源,太阳光、月光等自然界存在的光线。,（2）热辐射光源,热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。,（3）电致发光器件发光二极管,固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。,第一节 光电式传感器的基本知识,2常用光电式传感器种类,（4）气体放电光源,电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯等是光谱仪器中常用的光源，统称光谱灯。,（5）激光器,激光器是“光受激辐射放大器”的缩写。它能量高度集中，方向性好，频率单纯，相干性好，是很理想的光源。,主要有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管、集成光电传感器、光电池、图像传感器等。,第一节 光电式传感器的基本知识,一、光电管、光电倍增管,第二节 光电式传感器及其基本特性,二、光敏电阻,三、光敏晶体管,四、光电池,一、光电管、光电倍增管,1光电管,光电管的外形如图所示。当入射光照射到阴极 K 上时，每个光子就把它的能量传递到阴极表面的一个自由电子，使电子的能量增加到 h。,当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功 A 时，自由电子就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种逸出的电子成为光电子。,1阳极 A，2 阴极 K，3 石英玻璃外壳，4 抽气管蒂，5 阳极引脚，6 阴极引脚。,第二节 光电式传感器及其基本特性,光电子的逸出金属表面的初速度 由能量守恒定律得,式中，m电子质量， A阴极金属材料的逸出功， 入射光频率。,红限：,要使阴极金属表面有电子逸出，入射光的频率 要大于某一最低限度这个最低限度的频率称为红限。,当 h A 时，光通量 逸出的电子数目 光电流I。,第二节 光电式传感器及其基本特性,光电管正常工作时，阳极电位高于阴极电位，光电管符号及测量电路如右图所示。,光电流：,在入射光频率大于红限的前提下，当光电管阳极加上适当电压（几十 V）时，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成的电流。,第二节 光电式传感器及其基本特性,2光电倍增管,（1）光电倍增管,阴极室和若干发射极组成的二次发射倍增系统。,把微弱的光输入转换成电子，并使电子获得倍增的电真空器件。,（2）光电倍增管的构成,第二节 光电式传感器及其基本特性,（3）结构,如上图所示的光电倍增管结构示意图。与光电管不同的是，在它的阴极与阳极之间设置许多二次发射电极 D1，D2，D3，它们又称为第一倍增极、第二倍增极,第二节 光电式传感器及其基本特性,（4）工作原理,光电子激发二次发射电子，被阳极所收集。若每级的二次发射倍增率为 m，共有 n 级（9 11 级），则光电倍增管阳极得到的光电流比普通光电管大 mn 倍。,右图所示为光电倍增管的基本电路。,第二节 光电式传感器及其基本特性, 当用于测量稳定的辐射通量时，电路往往将电源正端接地，电容 C1，C2，Cn 和输出隔离电容 Co 都可以省去，输出可以直接与放大器输入端连接。, 当入射光通量为脉冲量时，则应将电源的负端接地，输出端应接入隔离电容，同时各倍增极的并联电容亦应接入。,第二节 光电式传感器及其基本特性,二、光敏电阻,1工作原理和结构,又称光导管，均质半导体光电元件。,光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。,在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带透明窗的管壳内就构成光敏电阻，如图（a）所示。为了增加灵敏度，常将两电极做成梳状，如图（b）所示，图形符号如图（c）所示。, 结构,第二节 光电式传感器及其基本特性, 工作原理,构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。,当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导材料的禁带宽度。,第二节 光电式传感器及其基本特性, 抗干扰措施,为了避免外来干扰，光敏电阻外壳的入射孔用一种能透过所要求光谱范围的透明保护窗（例如玻璃）。有时用专门的滤光片作保护窗。为了避免灵敏度受潮湿的影响，因此将电导体严密封装在壳体中。,第二节 光电式传感器及其基本特性,2光敏电阻的基本特性和主要参数,（1）暗电阻和暗电流,置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。,（2）亮电阻和亮电流,置于室温、在一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。,第二节 光电式传感器及其基本特性,（3）伏安特性,光照度不变时，光敏电阻两端所加电压与流过电阻的光电流关系称为光敏电阻的伏安特性。如下图所示。从图中可知，伏安特性近似直线。,第二节 光电式传感器及其基本特性,（4）光电特性,在光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性，如下图所示。光敏电阻的光电特性呈非线性。,（a）光照/电阻特性 （b）光照/电流特性,第二节 光电式传感器及其基本特性,（5）光谱特性,光敏电阻对不同波长的入射光，其对应光谱灵敏度不相同，而且各种光敏电阻的光谱响应峰值波长也不相同。,光敏电阻受光照后，光电流并不立刻升到最大值，而要经历一段时间（上升时间）才能达到最大值。同样，光照停止后，光电流也需要经过一段时间（下降时间）才能恢复到其暗电流值，这段时间称为响应时间。,（6）响应时间,（7）温度特性,温度，暗电阻和灵敏度。,第二节 光电式传感器及其基本特性,三、光敏晶体管,1光敏二极管,光敏二极管的 PN 结装在管壳的顶部，可以直接受到光的照射。,当有光照射时，形成与光照度成正比的比无光时大得多的反向电流即光电流。,第二节 光电式传感器及其基本特性,其结构和工作原理如右图所示。,（a）外形图，（b）内部组成 ，（c）管芯结构，（d）结构简化图，（e）图形符号。 1负极引脚 2 管芯 3 外壳 4 玻璃聚光镜 5 正极引脚 6 N 型衬底 7 SiO2 保护圈 8 SiO2 透明保护层 9 铝引出电极 10 P 型扩散层 11 PN 结 12 金引出线,第二节 光电式传感器及其基本特性,光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，如右图所示。,2光敏三极管,光敏三极管有两个 PN 结，从而可以获得电流增益。它具有比光敏二极管更高的灵敏度，,第二节 光电式传感器及其基本特性,其结构、等效电路图形符号及应用电路分别如下图（a）、（b）、（c）、（d）所示。光线通过透明窗口照射在集电结上，当电路按图（d）连接时，集电结反偏，发射结正偏。有光照射时其工作过程与普通三极管的放大作用相类似，集电极电流原始光电电流的 倍。,第二节 光电式传感器及其基本特性,光敏晶闸管（LCR）又称为光控晶闸管，如右图所示。其顶部有一个透明玻璃透镜，能把光线集中照射到 J2 上。,3光敏晶闸管,应用时光敏晶闸管的阳极接正极，阴极接负极，控制极通过电阻 RG 与阴极相接。在光照射下，J2 产生控制电流使晶闸管导通，调节 RG 可使晶闸管在设定的照度下导通。,第二节 光电式传感器及其基本特性,（1）光谱特性,4光敏晶体管的基本特性,光敏晶体管在入射光照度一定时，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。一种晶体管只对一定波长的入射光敏感。如图所示。,不管是硅管还是锗管，当入射光波长超过一定值时，波长，相对灵敏度。,不同材料的光敏晶体管，其光谱响应峰值波长也不相同。硅管： 1.0 m 左右，锗管： 1.5 m 左右。,第二节 光电式传感器及其基本特性,（2）伏安特性,光敏三极管在不同照度下的伏安特性，就像普通三极管在不同基极电流下的输出特性一样，如图所示。改变光照就相当于改变普通三极管的基极电流。,第二节 光电式传感器及其基本特性,（3）光电特性,指外加偏置电压一定时，光敏晶体管的输出电流和光照度的关系。,光敏二极管光电特性的线性通常较好，光敏三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都会下降的。如图下所示，曲线 1、曲线 2 分别是某种型号的光敏二极管、光敏三极管的光电特性。,第二节 光电式传感器及其基本特性,（4）温度特性,温度变化对亮电流的影响较小，但对暗电流的影响相当大，并且是非线性的，这将给微光测量带来误差，如下图所示。1输出电流，2暗电流。,第二节 光电式传感器及其基本特性,（5）频率特性,光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性。如右图所示。减少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。,工业用的硅光敏二极管的响应时间为 10 -7 10 -5 s 左右，光敏三极管的响应时间比相应的二极管约慢一个数量级。,（6）响应时间,第二节 光电式传感器及其基本特性,四、光电池,光电池的工作原理是基于光生伏特效应，当光照射到光电池上时，可以直接输出光电流。,常用的光电池有两种，一种是金属 - 半导体型，另一种是 PN 结型。现以硅光电池为例说明光电池的结构及工作原理。,第二节 光电式传感器及其基本特性,1光电池的结构及工作原理,在 N 型衬底上渗入 P 型杂质形成一个大面积的 PN 结，作为光照敏感面。光子能量大于硅的禁带宽度，P 型区每吸收一个光子就产生一对光生电子 - 空穴对，并形成由表及里扩散的自然,趋势。PN 结内电场使扩散到 PN 结附近的电子 - 空穴对分离，光生电子被推向 N 区，光生空穴被留在 P 区，从而使 N 区带负电，P 区带正电，形成光生电动势。,第二节 光电式传感器及其基本特性,2光电池的基本特性,光电池对不同波长的光有不同的灵敏度。右图 1硅光电池，2硒光电池。,硅光电池的负载电阻不同，输出电压和电流也不同。1 负载开路时的特性曲线，2 负载短路时的特性曲线。,（1）光谱特性,（2）光电池的光电特性,第二节 光电式传感器及其基本特性,（3）光电池的温度特性,光电池的开路电压和短路电流随温度变化的关系称为温度特性。从右图中可以看出，光电池的光电压随温度变化有较大变化，温度 电压，而光电流随温度变化很小。,（4）光电池的频率特性,频率特性是指输出电流与入射光的调制频率之间的关系。当入射光的调制频率太高时，光电池的输出光电流将下降。,第二节 光电式传感器及其基本特性,3 短路电流的测量,运算放大器的开环放大倍数 Aod，所以 UAB0，A 点为 0 电位（虚地）。光电池的负载电阻值为 0，产生的光电流为短路电流。根据运算放大器的“虚断”性质，则输出电压 Uo 为,从上式可知，该电路的输出电压 Uo 与光电流 I 成正比，从而达到电流/电压转换关系。,第二节 光电式传感器及其基本特性,第三节 光电式传感器的应用,二、光电比色计,一、高温比色温度仪,三、光电式带材跑偏检测装置,四、物体长度及运动速度的检测,光电式传感器属于非接触式测量，通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成。,按照被测物、光源、光电元件三者之间的关系，通常有如下图 4 种类型。,（a）被测物为光源 （b）被测物吸收光通量 （c）被测物为可反射表面 （d）被测物遮蔽光通量 1被测物 2光电元件 3恒光源,第三节 光电式传感器的应用,一、高温比色温度仪,式中，K1，K2 为与 1、 2 及物体的温度有关的常数。,物体在两个特定波长 1、2 上的辐射强度 、 之比与该物体的温度成指数关系,只要测出 与 之比，就可算得出物体的温度 T。,理论基础：,第三节 光电式传感器的应用,可以使用光电池制作非接触测温的高温比色温度仪。下图为高温比色温度仪的原理图。,1高温物体 2物镜 3半反半透镜 4反射镜 5目镜 6观察者的眼睛 7光阑8光导棒 9分光镜 10、12滤光片 11、13硅光电池 14、15电流/电压转换器,测温原理：,第三节 光电式传感器的应用,二、光电比色计,光电比色计原理图如下图所示，1光源，2 透镜，3 滤色片，4 标准样品，5 被测样品，6、7 光电池，8 差动放大器，9 指示仪表。,第三节 光电式传感器的应用,三、光电式带材跑偏检测装置,带材跑偏检测装置是用来检测带型材料在加工过程中偏离正确位置的大小与方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。,工作原理：,带材走偏时，其边沿与传送机械发生接触摩擦，造成带材卷边、撕边或断裂，出现废品，同时也可能损坏传送机械。因此，在生产过程中必须有带材跑偏纠正装置。光电式带材跑偏检测装置由光电式边沿位置传感器、测量电桥和放大电路组成。,第三节 光电式传感器的应用,光电式带材跑偏检测装量原理示意图如上图所示。,第三节 光电式传感器的应用,如右图所示，光电式边沿位置传感器的白炽灯发出的光线经透镜 9 会聚为平行光线投射到透镜 10，由透镜 10 会聚到光敏电阻 11 上。,第三节 光电式传感器的应用,右图是测量电路简图。R1、R2 为同型号的光敏电阻，R1 作为测量元件安置在带材边沿的下方，R2 用遮光罩罩住，起温度补偿作用。RP 为微调电桥的平衡电阻。,第三节 光电式传感器的应用,四、物体长度及运动速度的检测,利用光电元件检测运动物体的速度，如下图所示。,第三节 光电式传感器的应用,本章小结,2流明：是光通量的单位，所有的灯都以流明表征输出光通量的大小。 勒克司：是照度的单位，它表征受照物体被照程度的物理量。若受照面积为A，它所接受到的光通量为，则照度被定义为：E = d/ dA，所以 1 lx = 1 lm / m2。,1光电效应的分类：外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。,3光敏电阻的伏安特性近似直线；光电特性呈非线性。,本章小结,5光电池的工作原理是基于光生伏特效应，当光照射到光电池上时，可以直接输出及光电流。,4光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管，它们的工作原理是基于内光电效应。,6常用的光电池有两种，一种是金属 - 半导体型，另一种是 PN 结型。,7光电式传感器属于非接触式测量，通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成。,