第10章光电测量技术.ppt

,第10章 光电测量技术,光电式传感器是将被测量的变化转换成光量的变化，再通过光电元件把光量变化转换成电信号的一种测量装置。 物理基础: 光电效应 光电效应可分成两大类型: 外光电效应和内光电效应。,10.1 光电效应及其光电器件 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。 内光电效应是指光照射到半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴浓度增多的现象。 内光电效应可分为： 光电导效应、光生伏特效应和光敏晶体管效应,10.1 光电效应及其光电器件,10.1.1 外光电效应,物体在光的照射下产生电子发射的现象称为光电发射效应或外光电效应。 根据爱因斯坦光量子理论,光子的能量E与它的频率成正比,即,E=h·f,h普朗克常数h=6.63×10-34J·S，f是光的频率。,10.1 光电效应及其光电器件 物体表面受到光的照射时，表面内的电子与光子碰撞，就发生能量转移，光子把全部能量转移给电子，使电子的能量增加。如果电子的能量超过逸出功A0时，电子就逸出物体表面产生光电发射。 产生光电发射的条件(不考虑电子热运动的能量) ：光子能量h·f超过表面逸出功A0。,10.1 光电效应及其光电器件 光子能量超过表面逸出功的部分，表现为电子的能量，即,mv2/2=hf-A0,v电子逸出时的速度，m电子的质量。,爱因斯坦光电方程说明光电发生服从以下定律： 1）物体表面发射的电子数（光电流）与光强成正比； 2）光电子的动能随光的频率成正比的增加，而与光强无关； 3）要使光电子逸出物体表面，必须使h·fA0，所以对于每一种物体都存在一个极限频率，当入射光的频率低于这个频率时，无论光强多强，都不会有光电子发射出来。,1 光电管及其基本特性 结构和工作原理 真空玻璃泡内装有两个电极的： 光电阴极和阳极。 光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上，阴极对光敏感的一面是向内的。 光电管有： 真空光电管、充气光电管,在阴极前装有单根金属丝或环状的阳极。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，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。,充气光电管 构造和真空光电管基本相同，不同的是在玻璃泡内充以少量的惰性气体，如氩或氖。 当光电极被光照射而发射电子时，光电子在趋向阳极的途中将撞击惰性气体的原子，使其电离，从而使阳极电流急剧增加，提高了光电管的灵敏度。 优点：灵敏度高，但其灵敏度随电压显著变化，稳定性、频率特性等都比真空光电管差。,(2) 主要性能 光电管的伏安特性 当光通量一定时，光电管的电流与阳极电压的关系。,光电管的光照特性 当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时， 光通量与光电流之间的关系。 曲线1表示氧化铯阴极光电管的光照特性，光电流与光通量呈线性关系。 曲线2为锑化铯阴极光电管的光照特性，它呈非线性关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。,光电管的光谱特性 一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率v0，因此它们可用于不同的光谱范围。即同一光电管对于不同频率的光的敏感度不同，这就是光电管的光谱特性。 所以对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。,2 光电倍增管 在入射光极为微弱时，光电管产生的光电流很小，在这种情况下即使光电流能被放大，但信号和噪声同时被放大了，为了克服这个缺点，就要采用光电倍增管。,它由光电阴极、若干个倍增极和阳极三部分组成。 光电阴极是由半导体光电材料锑铯制造的，入射光就在它上面打出光电子。,倍增极数目在414个不等。在各倍增极上加上一定的电压，阳极收集电子，外电路形成电流输出。,工作时，各个倍增电极上均加上电压，阴极K电位最低。从阴极开始，各个倍增极E1、E2、E3、E4（或更多）电位依次升高，阳极A电位最高。入射光在光电阴极上激发电子，由于各极间有电场存在，所以阴极激发电子被加速轰击第一倍增极，这些倍增极具有这样的特性，在受到一定数量的电子轰击后，能放出更多的电子，称为“二次电子”。,光电倍增管之倍增极的形状设计成每个极都能接受前一极的二次电子，而在各个倍增极上顺序加上越来越高的正电压。这样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所加速而轰击第一倍增极，设这时第一倍增极有个二次电子发出，这个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又增加倍，经过n个倍增极后，原先电子将变为n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。,10.1.2 内光电效应的光电器件 1 光敏电阻 (1) 结构和原理 光敏电阻又称光导管。光敏电阻利用光电导效应制成，一般选用禁带宽度较宽的半导体材料。光敏电阻的结构较简单。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。,光电导的原理：当入射光照到半导体上时，光子的能量如果大于禁带宽度，即hfEg,则电子受光子的激发由价带越过禁带跃迁到导带，在价带中留下带正电的空穴，在外加电压作用下，导带中的电子和价带中的空穴同时参与导电，即载流子数增多使其电阻下降。,光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使其导电性能增强，电阻RG值下降，所以流过负载电阻RL的电流及其两端电压也随之变化。光线越强，电流越大。当光照停止时，光电效应消失，电阻恢复原值，因而可将光信号转换为电信号。,图10.6 半导体能带图,(2) 光敏电阻的特性 暗电阻，暗电流 暗电阻：将光敏电阻置于无光照条件下，测得光敏电阻的阻值。 暗电流：在给定工作电压下测得无光照条件下光敏电阻中的电流。 亮电阻，光电流 亮电阻：光敏电阻在光照条件下，测得的光敏电阻的阻值。亮电阻一般在几千欧姆。 亮电流：在给定工作电压下测得有光照条件下的电流。 光电流：亮电流和暗电流之差。,光敏电阻的光谱特性 使用不同材料制成的光敏电阻，有着不同的光谱特性。,光敏电阻的光电特性 在一定电压作用下，光敏电阻的光电流I与照射光通量的关系称为光电特性。,光敏电阻的光电特性具有非线性。,时间常数 当光敏电阻受到光照时，光电流要经过一定时间才能到达稳定值。同样，光照停止后，光电流也要经过一定时间才能恢复到暗电流。 光敏电阻的光电流随光强度变化的惯性，通常用时间常数表示。 时间常数反映了光敏电阻对光照响应的快慢程度。不同材料的光敏电阻有着不同的时间常数。,2 光电池 光电池是在光线照射下，直接能将光量转变为电动势的光电元件。实质上它就是电压源。这种光电器件基于阻挡层的光电效应来工作。 光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。 其中硅光电池和硒光电池用途广泛。,本课程着重介绍硅光电池.,(1) 结构原理 硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质（例如硼）形成PN结，如图10-9所示。,入射光照射在PN结上时，若光子能量hv大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在PN结内产生电子-空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P型区，电子移向N型区，使P型区带正电，N型区带负电，因而PN结产生电势。,(2) 主要特性 光电池的光谱特性,硅光电池的光谱峰值位置在8000 附近。硅光电池的光谱范围广，即为450011000 之间。,光电池的光照特性 光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。,短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此把光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。,光电池的短路电流：是反映外接负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流。而光电池的内阻是随着照度增加而减小的，所以在不同照度下可用大小不同的负载电阻为近似“短路”条件。,从实验中知道，负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系越好，且线性范围越宽。 对于不同的负载电阻，可以在不同的照度范围内，使光电流与光强保持线性关系，所以应用光电池作测量元件时，所用负载电阻的大小，应根据光强的具体情况而定。总之，负载电阻越小越好。,光电池的频率特性 光电池在作为测量、计数、接收元件时，常用交变光照。 光电池的频率特性：反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。硅光电池可以有很高的频率响应。,光电池的温度特性 光电池的温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等主要指标，因此它是光电池的重要特征之一。,从曲线看出，开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。 因此当光电池作测量元件时，在系统设计中应考虑到温度的漂移，从而采取相应的措施来进行补偿。,3 光敏二、三极管 1)光敏二极管 (1) 结构和工作原理 光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体二极管在结构上是类似的。,在光敏二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜，入射光通过玻璃透镜正好射在管芯上。发光二极管的管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。,光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力。另外与普通的硅半导体二极管一样，在硅片上生长了一层二氧化硅保护层，它把PN结的边缘保护起来，从而提高了管子的稳定性，减小了暗电流。,光敏二极管在电路中处于反向偏置，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，该反向电流称之为暗电流。当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子及光生空穴，因此使PN结的反向电流增大。,最高反向工作电压 最高反向工作电压：光敏二极管在无光照条件下，反向漏电流不大于0.1A时所能承受的最高反向电压值。 暗电流 暗电流：光敏二极管在无光照、最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。 光电流 光电流：指光敏二极管受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流。 光电流值越大越好。 灵敏度 它是反映光敏二极管对光敏感程度的一个参数，用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示。 灵敏度越高，说明光敏二极管对光的反应就越灵敏。,(2) 主要技术参数,响应时间 它表示光敏二极管将光信号转换成电信号所需要的时间。响应时间越短，光敏二极管将光信号转换成电信号的速度越快，光敏二极管的工作频率越高。 结电容 它是指光敏二极管中PN结的结电容。结电容越小，发光二极管的工作频率就越高。 正向压降 正向压降是指给光敏二极管以一定的正向电流时，光敏二极管两端的电压降。它反映了光敏二极管正向特性的好坏。 光谱范围和峰值波长 不同材料制成的光敏二极管有着不同的光谱特性，它反映了光敏二极管对不同波长的光反应的灵敏度是不同的。把光敏二极管反应最灵敏的波长，叫做该光敏二极管的峰值波长。,2） 光敏三极管 (1) 结构和工作原理 光敏三极管有PNP型和NPN型两种。,光敏三极管像普通三极管一样有两个PN结，因此具有电流增益。当集电极加上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时，会产生电子-空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极和发射极间的电压升高，这样便有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍。,(2) 光敏三极管的主要特性 光敏三极管的光谱特性 光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降，这是容易理解的。,光敏三极管的伏安特性,光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管，光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。,光敏三极管的光照特性,光敏三极管的温度特性 反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。 可见，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大，所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。,光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。 它们之间呈近似线性关系。当光照足够大（几千勒克斯）时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关转换元件。,光敏三极管的频率特性 光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。,10.2 光纤传感器,光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的，这一新技术的影响目前已十分明显。 特点： 光纤传感器与传统的传感器相比有一系列的优点，如体积小、形状可塑性强、灵敏度高、重量轻、不受电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、便于遥测等。 目前研制的光纤传感器有温度、压力、磁、电、声、应力、应变、位移、速度、加速度、陀螺、电流、PH值等类型。,10.2 光纤传感器 光纤传感器所用光纤有: 单模光纤和多模光纤。 单模光纤的纤芯直径通常为212m，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤； 光强调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。,10.2.1 光纤的结构和传输原理 1 光纤的结构 光导纤维简称光纤。,中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层，纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成，纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2，在包层外面有一层保护套，多为尼龙材料。,2 光纤的传光原理 光在空间是直线传播的。 光纤的传输是基于光的全内反射。,当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。 设有一段圆柱形光纤，它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成c角时，根据斯乃尔折射定律，在光纤内折射成，然后以角入射至纤芯与包层的界面。,若要在界面上发生全反射，则纤芯与界面的光线入射角应大于临界角c，即,(10-3),并在光线内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一 端面。,所以 实际工作时光纤会弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是光的全反射形成的。 一般光线所处环境为空气，则n0=1。这样在界面上产生全反射，在光纤端面上的光线入射角为,描述光线集光本领的术语叫数值孔径NA，即,数值孔径反映纤芯接受光量的多少。其意义是：无论光源发射功率多大，只有入射光处于2c的光纤内，光纤才能导光。如入射角过大，如图10-29中角r，经折射后不能满足式(10-3)的要求，光线便从包层逸出而产生漏光。所以NA是光纤的一个重要参数。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸变，所以要适当选择数值孔径的数值。,10.2.2 几种常用的光纤传感器 1 光纤加速度传感器,2 光纤位移传感器 光纤位移传感器是利用光导纤维传输光信号的功能，根据探测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离。,工作原理是：当光纤探头端部紧贴被测部件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，因而就不能产生光电流信号；当被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积A越来越大，因而相应的发射光锥和接收光锥重合面积B1越来越大，因而接收光纤端面上被照亮的区B2也越来越大，有一个线性增长的输出信号；当整个接收光纤的端面被全部照亮时，输出信号就达到了位移-输出信号曲线上的“光峰点”，光峰点以前的这段曲线叫前坡区；,当被测表面继续远离时，由于被反射光照亮的面积B2大于C，即有部分反射光没有反射进接收光纤，但由于接收光纤更加远离被测表面，接收到的光强逐渐减小，光敏检测器的输出信号逐渐减弱，便进入曲线的后坡区。,在后坡区，信号的减弱与探头和被测表面之间的距离平方成反比。 在位移-输出曲线的“前坡”区中，输出信号的强度增加得非常快，所以这一区域可以用来进行微米级的位移测量。 “后坡”区可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。 而在所谓的光峰区，输出信号对于光强度变化的灵敏度要比对于位移变化的灵敏度大得多，所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量。,3 光纤温度传感器 光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而广泛使用的光纤传感器。 根据工作原理可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。 由激光器He-Ne发出的光经过扩束镜、分光镜、显微物镜分别送入两根长度相同的单模光纤中，则从两根光纤射出的光就产生干涉而形成干涉条纹。当探测臂受到被测温度变化时，就会引起两束光的相位差之变化，因此光的干涉条纹就会产生移动，根据移动的干涉条纹数就可以确定被测温度之大小。,10.3 光电传感器的应用 1 烟尘浊度检测仪 烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。,2 灯光亮度自动控制器 灯光亮度控制器可按照环境光照强度自动调节白炽灯或荧光灯的亮度，从而使室内的照明自动保持在最佳状态，避免人们产生视觉疲劳。 控制器主要由环境光照检测电桥、放大器、积分器、比较器、过零检测器、锯齿波形成电路、双向晶闸管等组成。过零检测器对50Hz市电电压的每次过零点进行检测，并控制锯齿波形成电路使其产生与市电同步的锯齿波电压，该电压加在比较器的同相输入端。 另外，由光敏电阻与电阻组成的电桥将环境光照的变化转换成直流电压的变化，该电压经放大并由积分电路积分后加到比较器的反相输入端，其数值随环境光照的变化而缓慢地成正比例变化。,两个电压的比较结果，便可从比较器输出端得到随环境光照强度变化而脉冲宽度发生变化的控制信号，该控制信号的频率与市电频率同步，其脉冲宽度反比于环境光照，利用这个控制信号触发双向晶闸管，改变其导通角，便可使灯光的亮度随环境光照做相反的变化，从而达到自动控制环境光照不变的目的。,3 采用光纤式光电传感器检测液位,采用两组光纤式光电传感器，一组用来设定在液面上限控制部位，另一组用来设定液面下限控制部位，将它们按某一角度装在玻璃罐的两侧。 由于液体对光有折射作用，当在投光光纤和光纤传感器之间有液体时，光纤传感器可接收到光信号，并由放大器内的光敏元件转换成电信号输出。而无液体时，投光光纤发出的光线，则不被光纤传感器接收。因此上下限安装的光纤式光电传感器通过检测光信号，再转换成电信号，经控制电路便可对上下限之间的液位进行控制。液面的控制精度可达±1mm。,作业,1、什么是光电效应，它有哪两类。 2、简要介绍光电器件的特性。,作业,10-1 试述光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光电池的工作原理，如何正确选用这些器件？举例说明。 10-2 试述光敏二极管和三极管的工作原理，为什么光敏管需反向偏压？ 10-3 光在光纤中是怎样传输的？对光纤及入射光的入射角有什么要求？ 10-4 光纤的数值孔径NA的物理意义是什么？NA取值大小有什么作用？ 10-5光纤传感器有哪几种调制方式？ 10-6何谓光电池的开路电压及短路电流？为什么作为检测元件时需要采用短路电流输出形式？,10-7 试计算n1=1.46，n2=1.45的阶跃折射率光纤的数值孔径值是多少？如果外部媒质为空气n0=1，求该种光纤的最大入射角是多大？,10-8 已知在空气中行进的光线在以与玻璃板表面成35°角入射于玻璃板，此光束一部分发生反射，另一部分发生折射，若折射光束与反射光束成90°角，求这种玻璃的折射率？这种玻璃的临界角是多少？,