光机电系统及应用

光电传感器 光电器件 光机电应用1.光电传感器简介1.1光电传感器定义光电式传感器：将光信号转换为电信号的 一种器件，其物理基础是光电效应。用光电器件测 量非电量时，需要将非电量的变化转换为光量的变 化，然后通过光电器件的作用，就可以得到电量的 变化。光电传感器外光电效 应内光电效 应光电管光电倍增管光敏器件光生伏特器件1.2 光电传感器的分类（根据对入射光响应 原理）2.光电传感器结构 系统构成 光源光路光电器件信号调理电路 测量原理 被测量光学量光电器件电量电流、电压，或电导率 物理基础光电效应，红外技术，激光干涉原理，激光衍射原理， 激光全息原理53.光电器件 作用:将光信息转换为电信号 光信息:光强度、光相位、光频率 电信号:电流、电压、电阻 分类： 热辐射探测器 光子探测器63.1 热辐射探测器 热辐射探测原理 任何物质温度大于 0 K 都会辐射红外线； 红外线可以被物质吸收，使其温度升高. 光照射到温度传感器传感器温度升高电信号. 分类： 测辐射热电偶 测辐射热敏电阻 热释电探测器73.2 光子探测器 物理基础：光电效应 光具有波粒二象性：粒子说、波动说 光子具有一定的能量 布朗克常数 ， f :光的频率 原理： 光照射在物体上，光子的能量传递给电子，电 子获得能量动能增加，摆脱内部力的束缚，成 为自由电子。 光能电能8 特点： 光子探测器响应速度快，可以达到ns级； 对红外光的波长具有选择性； 入射光的频率必须大于材料的“红限”； 光子探测器工作环境要求较严格 类型： 光电发射型(光电管、光电倍增管) 光电导型(光敏电阻) 光电结型(光敏二极管、光敏晶体管) 光生伏特型(光电池)9 光电管 结构：光电阴极阳极真空玻璃罩 光电材料：银氧铯锑铯镁化镉 原理： 无光照时，阴极与阳极短路，回路无电流； 光打在阴极上，阴极电子获得能量逸出材料表面外(光电子); 在外加电场作用下，光电子被阳极吸收，阴阳极间形成电子流; 回路中产生电流(光电流)与光得强度成正比. 外光电效应的条件“红限”光光电 阴极阳极(1) 光电发射型I10(2) 光电导型(光敏电阻、光导管) 半导体材料在光的作用下，电阻率发生变化的现象 称为光导效应 结构与原理mAIn无光照时,半导体材料载流子 极少,电阻很高(暗电阻), 电 路中无电流流过；n有光照时,半导体中载流子剧 增,电阻极剧下降(亮电阻),电 路中有对应的电流产生.暗电阻:10100M 亮电阻:<10k 材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅11 光电特性 电源电压不变时，电流I与光通量的关系，可做测光 元件或光控开关. 伏安特性 光通量不变时，电流I 与电压关系(线性) 在允许功率下，光敏电阻是良好线性器件. 光谱特性 光通量和电压不变时，电流与入射光波长成一定关系. 对波的波长具有选择性. 可探测波长比其他光子探测器宽得多.12EuA+ -I(3) 光电结型 (光敏二级管、光敏三极管) 结构： 与普通二极管和三极管相似， 只是其PN结具有光敏特性. 原理 光敏二极管的PN结在电路中反向偏置; 无光照时,结内仅有极少数载流子,回路 中只有极小的反向饱和漏电流(暗电流 10-810-9A),二极管方向截至; 有光照时,结内激发大量的载流子,反向 漏电流显著增加(亮电流,与光照成正比).PN13(4) 光生伏特型(光电池) 光生伏特效应 某些半导体材料受光照时在一定方向产生电动势 具有光生伏特效应的器件被称为光电池 材料： 硅(红外)、硒(可见光) 结构： 由N型半导体(或金属)与P型半导体组成的PN结14 硅光电池(太阳能电池) N型单晶硅片+P型薄层+电极PN结; N中电子向P中扩散， P中空穴向N中扩散; 无光照时，载流子扩散形成阻挡层，阻止P中 空穴的进一步扩散，动平衡；N型SiP型层PN结电极n有光照时，PN结附近P型层中激发出电子空穴对，电子穿过阻挡 层，积累在N型硅，空穴留在P型层中;n两电极间电场逐渐增强，直至电场足以抵制电荷的进一步漂移；n当光强度一定时，电动势达到动态平衡,相当于一个电池。154.1.烟尘浊度检测仪 光源：400nm700nm 光检测器范围：400600nm图2-10 吸收式烟尘浊度检测仪框图4.应用164.2.生产线上的自动计数V运输带产品图2-16 产生线上的自动计数发光二极管光电三极管4.3.光学定位系统在丝网印刷中，二次定位较为困 难。采用光学系统定位，可以方便快速地实 现精确对准定位。 主要原理器件：二维PSD位置敏感器18+-I0I2I1uAuAuAxAP I NL4.3.1位置敏感器件PSD简介 PSDPSD的工作原理的工作原理 原理 光线照到P层一点时，光点附近 产生电子空穴对; 在外加电场的作用下，正电荷进 入P层，负电荷进入N层;n空穴沿P区表面扩散，形成两路电流I1和I2；n由于P层电阻率均匀，因此两电流与其电阻成反比：19+-I0I2I1uAuAuAxAP I NL 原理：n特性：n光点坐标只与电流的比值有关，与光束强度无关;n光点坐标与光斑的能量中心有关，与光斑形状无关.两电流之和与光强度成正比204.3.2 二维PSD 二维二维PSDPSD的工作原理的工作原理 面阵面阵PSDPSD结构、原理结构、原理Ly: y方向长度Lx: x方向长度xAyAxyPINIx2Ix1Iy2Iy1214.3.3.位置敏感器件PSD PSD的应用 可连续测量光斑的位置； 坐标测量精度与光斑的形状无关，只与光斑的 能量中心有关，减小杂光的干扰； 同时检测光点的位置和强度： PSD总输出电流反映光点的光强; 两极电流之差反映光点的位置。 分辨率高，一维PSD可达0.02m； 响应速度快：1s.光学系统PSD传感器计算机控制A/D转换信号放大步进电机传动机构工作台定位4.3.4. 定位系统结构Thanks for your attention!Thanks for your attention!