第5章光电式传感器.ppt
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1、第5章 光电式传感器,5.1 光电传感器概述 5.2 常用光源 5.3 光电效应及光电元件 5.4 光电编码器 5.5 光栅传感器,5.1 光电传感器概述,5.1.1 光电式传感器的组成原理 5.1.2 特点及应用 5.1.3 光电式传感器的一般形式,5.1.1 光电式传感器的组成原理,工作原理:,系统组成:,光源,光通路,光电元件,测量电路,光,光,电,电,y,被测量x1,被测量x2,光 敏感元件 电,敏感元件:光电元件,光电效应,外光电效应,内光电效应,测量方式:,改变光源:,改变光路:,方式:,特点:,应用:,非接触、响应快、性能可靠、精度高,光, 光学量:光强、光照度、辐射、气体成分、
2、, 几何量:形状、尺寸、位移、距离、表面粗糙度、形位误差, 力学量:应变、速度、加速度、振动、流量、密度, 生化量:离子浓度、荧光、电泳、染色体、分子标记、,5.1.2 特点及应用,5.1.3 光电式传感器的一般形式,透射式:光被测物光电元件(透射) 测量透明、半透明固体透明度、 液体混浊度、气体浓度;,1. 模拟式光电传感器,反射式:光被测物光电元件(反射) 测量物体表面反射率、粗糙度、 距离、位置、振动;,遮光式:光被测物光电元件(部分遮光) 测量物体位移、振动、速度;,辐射式:被测物光 光电元件,辐射强度 测量辐射温度、放射线;,5.1.3 光电式传感器的一般形式,转速传感器,透射式:,
3、2. 脉冲式光电传感器,反射式:,转速传感器,光源 码盘光电元件,转速越高 脉冲频率越高,码盘转动遮光透光脉冲,频闪式:,5.2 常用光源,5.2.1 对光源的要求 5.2.2 热辐射光源 5.2.3 气体放电光源 5.2.4 发光二极管(LED) 5.2.5 激光光源,5.2.1 对光源的要求,紫外 可见光 红外,照度要求:足够亮度、光通量,保证信噪比和灵敏度,均匀要求:视场亮度均匀、无阴影,避免测量误差,光谱要求:光波频率、波长 :,投影要求:控制光的方向、透射、反射、散射,发热要求:热光源、冷光源,减小发热对测量结果的影响,可见光,紫外光,红外光,可见光:380nm 780nm 红外光:
4、780nm 1m 紫外光:1nm 380nm,5.2.2 热辐射光源,器件:白炽灯 - 钨丝(1879年,爱迪生),特点:,应用:可见光源 - 宽光谱 (滤色片 窄带光谱,避免杂光干扰 仪器),原理:高温物体 光辐射,温度高 辐射能大,卤钨灯 - 钨丝+卤素(碘), 卤素 + 内壁钨 卤化钨 受热 分解 钨 沉积到钨丝,谱线丰富,可见光+红外光,峰值在近红外区,发热大,80%能量转化为热能, 热光源,寿命短(1000小时),易碎,电压高,有危险,近红外光源 - 红外检测,发光效率低,15%在可见光,,+ 惰性气体 提高寿命,5.2.3 气体放电光源,原理:气体分子激发 放电 发光,器件: 弧光
5、灯 - 碳弧灯,特点: 效率高,省电,应用:强光、色温要求接近日光,荧光灯 - 气体放电+荧光粉,波长更长,日光灯:光谱接近日光,节能灯:压缩荧光灯,,钠弧灯,氙弧灯,水银弧灯(汞灯),金卤灯,功率大,光色接近日光,紫外线丰富,有辐射,废弃物有汞污染、易碎,频率低,对人眼有损害,,5.2.4 发光二极管(LED),原理:半导体,电致发光,,器件:,特点:体积小,可平面封装,固体光源,无辐射,绿色光源,应用:仪器光源、室内照明、,单色LED:红色、绿色、黄色、 橙色、蓝色,白色LED:2001,美国波士顿大学光学研究中心,应用:指示灯、背光源,光谱丰富-(篮+黄)/(篮+绿+红),亮度高-荧光灯
6、5倍,白炽灯的25倍,功耗低(白炽灯1/8,荧光灯1/2)、发热少,寿命长(10万小时,是荧光灯的10倍 ) 、耐振动,响应快(毫秒级 )、供电电压低、易于数字控制,价格较白炽灯贵,功率低,亮度小,,5.2.5 激光光源,原理:,特点:,外界光 光原子 能级跃迁 受激辐射 光放大谐振辐射激光,方向性好-发散角很小(约0.18),比普通光小23数量,亮度高-能量高度集中,亮度比普通光高几百万倍,单色性好-光谱范围极小,频率单一; (He-Ne激光:=632.8nm,=10-6nm),相干性好-受激辐射,传播方向/振动方向/频率/相位一致 时间相干性、空间相干性均好,LASER:Light Amp
7、lification by Stimulated Emission of Radiation “受激辐射放大产生的光”,5.2.5 激光光源,固体激光器:体积小,坚固,功率高,气体激光器:小巧、单色性好、能连续工作、功率小; 高光束质量、高稳定性、长寿命、低噪音、经济;,红外固体激光器,绿色固体激光器,红宝石固体激光器,He-Ne激光器,He-Cd激光器,He-Cd激光器(制冷),半导体激光器:效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率小、非线性,蓝色/紫色激光,红色激光,近红外小功率,染料激光器,离子激光器,蓝色激光器,5.2.5 激光光源,5.3 光电效应及光电元件,5.3.1 外光电效应及其
8、器件 5.3.2 内光电效应及器件,5.3.1 外光电效应及其器件,1. 外光电效应,特点:速度快 - 从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。,原理:光 金属物体表面 电子获得光子的能量,应用:足够的光强,高速光电开关,光子能量 表面溢出功 电子逸出表面 光电子发射,需足够光能 - 光子能量 表面溢出功,频率下限f0 - 当 f f0 时无激发电子 “红限”,器件:光电管、光电倍增管,5.3.1 外光电效应及其器件,原理:光 阴极 发射光电子 阳极 空间电子流 外接电阻 压降U=f(I),2. 光电管,特点:结构简单,,充入惰性气体气体轰击自由电子 灵敏度,灵敏度较高:20200A/lm,暗
9、电流小,最低可达10-14A,体积比较大、工作电压高达百伏到数千伏、玻壳容易破碎等。,5.3.1 外光电效应及其器件,3. 光电倍增管,原理:光 阴极 光电倍增极 阳极 电流,使用电路:,应用:开关测量 光电开关 ,计数,一般情况下,直流供电,各级电压均相等,约80V,总电压约1000V 并联电容:避免阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化,5.3.2 内光电效应及其器件,原理:,光 半导体 价带电子吸收能量 跃迁至导带 电子-空穴对 导电特性,种类:内光电效应,光电导效应,光生伏特效应,条件:光子能量 材料禁带宽度,5.3.2 内光电效应及其器件,1. 光电导效应及器件,器件:光敏电阻,原理:
10、光 半导体 电子-空穴对 导电性 电阻,原理:半导体电阻器件,加直流偏压,无极性 无光照-电子-空穴对很少-电阻大(暗电阻) 有光照-电子-空穴对增多-导电性增强,特点:灵敏度高,体积小,重量轻,性能稳定; 批量生产,价格便宜 ;,材料:半导体 - 硫化镉CdS、硒化镉CdSe;,5.3.2 内光电效应及其器件,应用:工业自动化-开关元件,快速响应 家电-(感应式节能灯:判断照度),特性:,光谱特性:,动态特性:,为非线性, 不易作线性检测元件,存在单峰, 应与光源光谱匹配,动态特性较好, 响应时间0.1S0.001S,结构:梳妆电极:,金属封装: 防潮,光照特性:,5.3.2 内光电效应及其
11、器件,2. 光生伏特效应及器件,原理: 光 PN结(无偏置) 电子迁移 电子 N, 空穴 P 电势,器件:光敏二极管(PD) 光敏三极管(PT) 光电池(硅、锗) PIN光电二极管 雪崩光电二极管 光可控硅 阵列式光电器件 象限式光电器件 位置敏感探测器(PSD) 光电耦合器件(CCD),5.3.2 内光电效应及其器件,(1) 光敏二极管(光电二极管, PD: Photo-Diode),原理: PN结,光照特性:,应用:线性转换元件,开关元件,,特性:,光谱特性:,无光时-高阻特性,微弱电流暗电流,A,光照时-电子N,空穴P 光电流,光照愈强 - 光电流愈大,注意:a) 电路连接同一般二极管,
12、 输出电流小,一般为数微安到数十微安,b) 入射光角度限制,动态特性:,单峰性,动态特性好,灵敏度和线性好,,5.3.2 内光电效应及其器件,(2) 光敏三极管(光电三极管, PT: Photo-Triode),原理:光敏二极管(bc结)+ 三极管,特点:光照特性-灵敏度高于光敏二极管, 非线性,不如光电二极管。,应用:开关元件:,光谱特性-单峰性,光电鼠标接收器、打印机打印头位置传感器、 光电耦合器、车速传感器、红外遥控器、,注意:a) 电路连接:,b) 入射光角度限制,5.3.2 内光电效应及其器件,连接方式: (a)开路电压输出: (b)短路电流输出:,特性:光照特性-开路电压输出:非线
13、性(电压-光强),灵敏度高 短路电流输出:线性好(电流-光强) ,灵敏度低,应用:宇航飞行仪器,仪表电源,便携仪表(计算器) - 开关测量(开路电压输出),线性检测(短路电流输出),特点:有源器件,无污染,轻便、简单、 动态特性好(硅), 工作于可见光波段-太阳能电池,(3) 光电池,原理: 光 PN结(无偏置) 电子迁移 电子 N, 空穴 P 电动势,光谱特性-硅电池:0.51.2m(红-红外),峰值0.8 m(近红外) 锗电池:0.30.7m(紫-红),峰值0.5 m(绿),5.3.2 内光电效应及其器件,(4) PIN结光电二极管(PIN-PD),结构:PN + I I - 高电阻率的本
14、征半导体(厚) PN结双电层的间距加宽,结电容变小,特点:频带宽,可达10GHz,响应速度快, 灵敏度高, 线性输出范围宽,线性好 输出电流小(数微安),电阻很大,应用:用于光通讯,光测量,5.3.2 内光电效应及其器件,(5) 雪崩光电二极管,雪崩效应:工作电压很高(100200V), 接近于反向击穿电压。 结区内电场极强, 光生电子得到极大加速, 同时与晶格碰撞, 从而产生电离雪崩反应。,特点:有很高的内增益,可达到几百,灵敏度高 响应速度特别快,带宽可达100GHz,是目前最快的一种光电二极管 噪声大(随机),线性差,应用:用于光通讯、脉冲编码,5.3.2 内光电效应及其器件,(6) 阵
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