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1、第七章：光电式传感器,主讲人：贾鹤萍,光电式传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。,光电传感器一般由光路、电路和光电元件三部分组成。,光电元件是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见光及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。,实验,锌板,铜网,弧光灯,紫外光照射时电流计指针发生偏转,灵敏电流计,1、光电效应,光的粒子学说：光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。,光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击在物体上。,E=hf,h
2、普朗克常数，6.62610-34Js；f光的频率（s-1）,光电效应：物体吸收能量为E的光后，转换为该物体中某些电子的能力，从而产生的电效应。,光电子：向外发射的电子。,1）外光电效应,在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。,基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管等,爱因斯坦假设：一个光子的能量只能给一个电子,结论：一个电子要从物体中逸出表面，必须是光子能量E大于表面逸出功A0。逸出表面的电子就具有动能Ek,光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的电子表面逸出功。这意味着每种物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率。,入射光的频谱成分不变时，产生的
3、光电流与光强成正比，光强越强意味着入射的管子数目越多，逸出的电子数目就越多。,光电子逸出物体表面具有初始动能。,1）外光电效应,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现象称为内光电效应。,a）光电导效应,某些半导体，在黑暗环境中电阻值很高；当光照射在物体上，在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而加强了导电性能，使电阻值降低。,基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,2）内光电效应,b）光生伏特效应,在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。,光线照射PN结时，产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激
4、发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。,基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管,2）内光电效应,构造,光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子,2、光电元件及其特性,1）光电管与光电倍增管,图7-2 光电管的结构图,光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。,图7-3 光电倍增管的结构图,光电倍增管的玻璃泡内除装有光电阴极和光电阳极外，还装有若干个光电倍增管极，且在光电倍增管极涂有在电子轰击下可发射更多次
5、级电子的材料。,1）光电管与光电倍增管,构造,特性-光电管,a）光电特性 阳极电流与入射在阴极上光通量之间的关系。,1）光电管与光电倍增管,b）伏安特性 当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同光电流的关系。,当阳极电压比较低时，阴极所发射的电子只有一部分到达阳极，其余部分受光电子在真空中运动时所形成的负电场作用，回到阴极。,随阳极电压的增强，光电流随之增大。,当阴极发射的电子全部到达阳极时，阳极电流达到饱和状态,特性-光电管,1）光电管与光电倍增管,光电管的光谱特性,c）光谱特性 保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与波长之间的关系。,铯氧银锑化铯人眼的视觉特征,红限频率,特性-光
6、电管,1）光电管与光电倍增管,光电阴极的灵敏度：一个光子射在阴极上所能激发的电子数。,特性-光电倍增管,倍增系数M：,暗电流：由于环境温度、热辐射和其他因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流。,光电倍增管的灵敏度：一个光子射后，阳极所得到的总电子数。,本底电流：光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全屏蔽光的情况下，出现的电流。,1）光电管与光电倍增管,光敏电阻用半导体材料制成,没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压,构造,图7-5 光敏电阻的结构及表示符号,光敏电阻优点：灵敏度高，体积小，重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高，耐冲击和振动，寿命长。缺点：
7、使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。,2）光敏电阻,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。,光敏电阻,光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。,构造,3）光电池,硅光电池的制造原理：在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子空穴对，光生电子空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以,N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结
8、两侧就有一个稳定的光生电动势输出。,3）光电池,光电池外形,光敏面,3）光电池,图7-6 光敏二极管,光敏二极管的基本结构也是一个PN结，与一般二极管相似、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。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。,构造,4）光敏二极管及光敏三极管,当光不照射时：光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；,受光照射时：PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区
9、的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。,4）光敏二极管及光敏三极管,光敏二极管的反向偏置接线及光电特性演示,在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。,当光照增加时，光电流I与光照度成正比关系。,光敏二极管的反向偏置接法,UO,+,光照,图7-7 光敏三极管,4）光敏二极管及光敏三极管,a）光电特性,开路电压,短路电流,硅光电池,指半导体光电元件产生的光电流与光照之间的关系。,光敏晶体管,5）半导体光电元件的特性,硒光敏电阻,b）伏安特性,光敏电阻,硅光电池,指光电元件的端电压与电流之间的关系。,光敏三极管,5）半导体光电元件的特
10、性,c）光谱特性,光敏电阻,光电池,光敏三极管,只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子空穴对。,5）半导体光电元件的特性,要使光电式传感器能很好地工作，除了合理选用光电转换元件外，还必须配备合适的光源和测量线路。,3、光电式传感器的测量电路及应用,光源,发光二极管钨丝灯泡电弧灯或石英灯激光,光电式传感器按其接收状态可分为模拟式和脉冲式光电传感器两大类。,1）模拟式光电传感器,模拟式光电传感器的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。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和辐射式。,3、光电式传感器的测量电
11、路及应用,a）吸收式：恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数。被吸收的光通量与被测物的透明度有关，常用作混浊度计等。,1）模拟式光电传感器,b）反射式：恒光源发出的光通量投射到被测物上，然后从被测物表面反射到光电元件上，光电元件的输出反映了被测物的某些参数。反射光通量取决于反射表面的性质、状态和与光源之间的距离，可制成表面粗糙度测试仪等。,1）模拟式光电传感器,c）遮光式：恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，照射到光电元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光电元件的输出反映了被测物的尺寸。,1）模拟式光电传感器,d）辐射式
12、：光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数。,1）模拟式光电传感器,光电数字式转速表 天幕靶,脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态，即通与断的开关状态，所以也称为光电元件的开关运用状态。,2）脉冲式光电传感器,图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。,在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电
13、敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。,2）脉冲式光电传感器,-光电数字式转速表,2）脉冲式光电传感器,-天幕靶,可以用于自动控制，自动计数、自动报警、自动跟踪等。,光控继电器,数码相机,数码相机使用CCD光敏器件代替胶卷感光成像其原理就是CCD元件的光电效应。,光电管,2）脉冲式光电传感器,-其它,光导纤维光纤传感器的工作原理和典型结构,5、光纤传感器,1）光导纤维,一、光导纤维的结构和传输原理,中心圆柱体称为纤芯，由石英玻璃或塑料制成。纤芯外围的圆筒形外壳称为包层，通常也是由玻璃或塑料制成。包层外面有涂敷层，之外是一层塑料保护外套。,光纤的结构示意图,光纤的导光能力取决于纤芯和
14、包层的性质，机械强度取决于塑料保护外套。,一、光导纤维的结构和传输原理,光纤的传输原理,纤芯的折射率为n1；包层的折射率为n2；,光纤传输的基础：光的全反射,发生全反射的条件?,n1n2相对折射率差用表示=1 n2/n1 通常为0.0050.14。,由Snell定律:,1）光导纤维,一、光导纤维的结构和传输原理,光纤的传输原理,若要使入射光线在纤芯和包层的界面上发生全反射，入射角应大于等于临界角即：,1）光导纤维,一、光导纤维的结构和传输原理,能使光线在光纤内全反射的最大入射角c可由上式求得，即,NA称为光纤的数值孔径，它表示当入射光从外部介质射入光纤时，只有入射角小于c的光才能在光纤中传播。
15、,1）光导纤维,一、光导纤维的结构和传输原理,反映了光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率，只有入射光处于c的光锥内,光纤才能导光。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。,数值孔径：,与光纤的几何尺寸无关，仅与纤芯和包层的折射率有关。可将NA值做的很大，但横截面积却很小，使得光纤柔软且可弯曲。,1）光导纤维,二、光导纤维的种类,1.按折射变化：,阶跃型：光导纤维的纤芯与包层间的折射率是突变的。,渐变型：光纤横截面中心处折射率最大，其值有中心向外逐渐变小，到纤芯边界边时变为包层折射率。,1）光导纤维,性能较差。容易制造，连接耦合比较方便。这种光纤常用
16、于非功能型光纤传感器。,二、光导纤维的种类,2.按其传输模式,能形成驻波的光线称为“模”。“模”是离散存在的，某种光纤只能传输特定模数的光。,单模光纤：,多模光纤：,传输性能好，常用于功能型光纤传感器，与多模传感器相比线性更好、灵敏度更高和动态测量范围更大。但纤芯太小使得制造、连接和耦合很困难。,1）光导纤维,a).功能型光纤传感器 功能型光纤传感器,光纤传感器按其工作原理来分有：功能型和非功能型两大类。,2）光纤传感器的工作原理,又称传感型光纤传感器，主要使用单模光纤，基本结构原理如图所示。光纤在这类传感器中不仅是传光元件，而且利用光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化，所以它又是敏感元件。
17、,可以分为：强度（振幅）调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制等,利用被测量直接或间接地改变光纤中传输光的强度，再通过测量光强的变化检测出被测量的方法，称为强度调制。,强度调制,a).功能型光纤传感器,可以分为：强度（振幅）调制、相位调制等,2）光纤传感器的工作原理,强度调制-微弯损耗光强调制,微弯损耗光强调制,根据模态理论，当光纤受力微弯时，一部分纤芯模式能量会转化为包层模式能量，通过测量包层模式能量或纤芯模式能量的变化就能测出被测量。,2）光纤传感器的工作原理,强度调制-利用光纤的吸收特性进行光强调制,X射线、g射线等辐射会使光纤材料的吸收损耗增加，光纤的输出功率降低，从而形成强度调
18、制。由于不同材料对不同的射线敏感，因此改变光纤材料的成分可对不同的射线进行测量。图示是根据这种原理制成的测量辐射量的传感器。,2）光纤传感器的工作原理,利用外界因素改变光纤中光波的相位，通过检测相位变化来测量被测量的方法，称为相位调制。,相位调制,理论表明，当真空中波长为 的光入射到长度为L的光纤时，若以其入射端面为基准，则出射光的相位为,式中，K0为光在真空中的传播常数，n为折射率。,2）光纤传感器的工作原理,当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，由于应力应变效应，光纤的长度(应变效应)、光纤的直径(泊松效应)、纤芯折射率(光弹性效应)都将变化，这些变化将导致光纤中光波相位的变化。若将光纤放在变化的温度场中，由于温度应变效应，引起光纤的折射率和几何长度的变化也会引起相位变化。,相位调制,2）光纤传感器的工作原理,光纤干涉仪的一般系统结构如图所示。,L激光器；P1分束器；P2耦合器；D检测器,相位调制-干涉测量,2）光纤传感器的工作原理,b).非功能型光纤传感器 非功能型光纤传感器又称传光型光纤传感器。它是利用在两根光纤中间或光纤端面放置敏感元件，来感受被测量的变化，光纤仅起传光作用，如图所示。,2）光纤传感器的工作原理,图7-29 光纤位移传感器的原理图,2）光纤传感器的工作原理,b).非功能型光纤传感器,作业：,7-17-47-5,
