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1、光电式传感器的物理基础是光电效应。（1）外光电效应 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。（2）内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的效应。,第9章 光学传感器,光电传感器,光电池,光敏三极管,光电倍增管,光电管,光敏二极管,光敏电阻,1. 光电管,光电管工作电路,真空光电管结构,2. 光电倍增管,3. 光敏电阻,光敏电阻工作电路,4. 光电池,有光线作用下，光电池实质上就是电源。,光敏二极管的基本结构也是一个PN结，它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。,光敏二极管符号,5. 光敏二极管,（1）结构,光敏二极管在电路中一般是处于反向工作
2、状态。, 无光照时，光敏二极管处于截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。,外加的反向工作电压使光敏二极管的PN结空间电荷区增宽，电路中只有很小的反向漏电流，称暗电流。,暗电流主要是由PN结中少数载流子的运动构成。,（2）工作原理：, 当光照时，光敏二极管处于导通状态。,光子打在PN结附近，使PN结空间电荷区产生电子-空穴对，在外电场的作用下，与P区和N区的少数载流子作定向运动，空穴移向P区，电子移向N区，这就形成了光电流。,当光照射PN结时，在反向电压的作用下，其反向电流随光照强度变化而变化，实现将光信号转换成电信号。,光敏二极管接线,为了减少暗电流的影响，有些光敏二极管在制作PN结的同时，还
3、做出一个环形的扩散层，引出的电极称为环极。,环极的电位高于负极，反向漏电流直接从环极流过，而不再经过负极，从而可减少负极与正极间的暗电流。,光敏二极管符号,（3）基本应用电路,(a),(b),硅光电二极管实用电路,光电转速传感器,光电器件多采用光电池、光敏二极管和光敏三极管。,光敏三极管有PNP型和NPN型两种。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的集电结面积较大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。,6. 光敏三极管,光敏三极管的符号图,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,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,
4、形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。,基本工作电路,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。,光敏三极管是兼有光敏二极管特性的器件，它在把光信号变为电信号的同时，又将信号电流放大。,光敏三极管的主要特性：,光电灵敏度与光波长间的关系。光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。,（1）光谱特性,光敏晶体管的光谱特性,光敏晶体管的伏安特性,（2）伏安特性,在一定照度下，光电流与外加电压之间的关系。,光敏晶体管的光照特性,（3）光照特性,光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。,光敏晶体管的温度特性,光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。,（4）温度特性,光敏三极管的频率特性
5、受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。,光敏晶体管的频率特性,（5）频率特性,透射型指套式光电传感器,工作原理：发光二极管发出的光透射过手指，被手指组织的血液吸收和衰减，然后由光敏三极管接收。,光电效应,内光电效应,外光电效应 光电管、光电倍增管,光生伏特效应 光电池、 光敏二极管、 光敏三极管,光量,电量,光电导效应 光敏电阻,光电器件,光电式传感器,2009年诺贝尔物理学奖获得者, 博伊尔和史密斯发明了CCD图像传感器。, 高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就。,第二节 光纤传感器,光纤传感器是利用光在光纤中传导，引起光的特性发生变化的一类传感器。 光
6、纤（optical fiber）是光导纤维的简称。它是利用光的全反射原理，高效率地传输光能的玻璃或塑料纤维。,一、光纤结构,光纤的结构,光纤由纤维芯和覆盖层组成。,光纤的直径多为10200m,长度因用途而异。纤维芯的材料一般多为多成分玻璃或透明塑料，覆盖层选用折射率低的玻璃或其它材料。,二、光纤的传光原理,光纤导光示意图,为使光线不射出纤维芯，而有效地向前传输，应符合什么条件？,为使光线不射出纤维芯，而有效地向前传输，应符合全反射条件:,在纤维和覆盖层的界面上有：,临界入射角,在纤维内，射向覆盖层的入射角大于临界角的光线，全部在内部反射后继续前行。入射光线应满足何要求？,1. 数值孔径,三、光
7、纤的主要参数,数值孔径反映了光纤对入射光的接收能力，NA越大，说明光纤能使光线全反射的入射角范围越大，则接收能力越强。,2. 传输损耗,损耗原因：纤维芯的吸收、散射及光纤弯曲处的辐射损耗等。,传播损耗（单位为dB）,I0入射光强；I距光纤入射端1Km处的光强。,四、光纤传感器的分类,功能型,非功能型,1. 光纤压力传感器,五、光纤传感器及其在医学上的应用,光导纤维导管端血压传感器结构示意图,1 导光纤维,2 膜片,3 导管,4 保护罩,5 环氧树脂密封接点,2. 光纤温度传感器,纤维芯为SiO2材料，覆盖层为硅酮树脂，构成传感器时将光纤的覆盖层去掉，用对温度依赖性大的甘油等液体形成液态覆盖层。
8、温度变化引起覆盖层折射率改变，从而引起反射光量变化，即可达到测温的目的。,第三节 CCD 传感器,CCD(charge coupled devices)：电荷耦合器件,CCD器件的基本功能是将动态的光学信号转换成电信号，是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。,一、CCD的结构和基本原理,主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。,电极加正偏压，P型硅衬底中形成耗尽区，耗尽区的深度随正偏压升高而加大。少数载流子（电子）被吸引到最高正偏压电极下的区域中，形成电荷包。,电荷定向转移,三相控制方式,经过一个时钟脉冲周期，电荷从前一级的一个电极下，转移到下一级的同号电极下。 电荷定向转移,二、CCD器件的分类,1. 线阵是把CCD像素排成1直线的器件。,（1）单行结构,（2）双行结构,2. 面阵是把CCD像素排成1个平面的器件,三、CCD器件的应用,主要用于各种摄像设备中。,小 结：,光电式传感器,光纤传感器,CCD传感器,（重点）,（了解）,（了解）,光学传感器,Thanks,
