第7章光电器件.ppt

光电式传感器 7.1 光电器件 7.2 光纤传感器光电器件外光电效应在光线作用下，物体内的电子逸出物体外表向外发射的现象外光电器件类型光电管光电倍增管光电管光电管分真空光电管和充气光电管惰性气体光电管阳极用细长的金属丝弯成圆形或矩形当阴极受到光线照射时，电子从阴极逸出，在电场作用下被阳极搜集，形成光电流I，该电流及负载电阻RL上的电压将随光照的强弱而改变，到达把光信号变化转换为电信号变化的目的光电倍增管K为阴极，D1D4为二次发射体，称倍增极，A为阳极，一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两相邻倍增极之间的电压为50100V阳极最后搜集到的电子数将到达阴极发射电子数的105106倍内光电效应在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应分为光电导效应和光生伏特效应光敏电阻半导体材料制成一个电阻器件，使用时即可加直流电压，又可加交流电压无光照时，光敏电阻阻值暗电阻很大，受到一定波长范围的光照时，它的阻值亮电阻急剧减小， 在玻璃底板上均匀的涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就是通过引出线端接入电路 光敏电阻的主要参数 暗电阻： 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。

亮电阻 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻此时流过的电流称为亮电流 伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光 敏电阻两端的电压的关系 光敏电阻的根本特性光照特性 光敏电阻的光照特性是描绘光电流I和光照强度之间的关系 光电流 亮电流与暗电流之间的差值称为光电流 光谱特性 即光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系，光敏电阻对入射光的光谱特性具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度 对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同 硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量照度计的探头 硫化铅光敏电阻响应与近红外和中红外区，常用做火焰探测器的探头 频率特性 光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立即变化 温度特性 光敏电阻受温度影响较大，温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同光阴敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变 光敏二极管和光敏晶体管 光敏二极管装在透明的玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直承受到光的照射光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，当没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小 当光线照射在PN结上，PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下做定向挪动，形成光电流。

光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态 光敏晶体管与一般晶体管相似它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积，大多数光敏晶体管的基极无引出线，当光照射在集电结时就会在结附近产生电子空穴对，便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，使RCE急剧减小 根本特性 光谱特性 光敏管的光谱特性是指在一定的照度时，输出的光电流与入射光波长的关系 在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管但对红外线探测时，锗管较为适宜 伏安特性 当光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大频率特性 光敏管的频率特性是指光敏管的输出电流或相对灵敏度随频率变化的关系 温度特性 光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系 光电池 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应它本质上是一个大面积的PN结，当光照射在PN结的一个面，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势 根本特性 光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏度是不同的 光照特性 光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的 频率特性 硅光电池有较好的频率响应 温度特性 光电池的温度特性是描绘光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。

光电耦合器件是由发光元件如发光二极管和光电接收元件合并使用, 以光作为媒介传递信号的光电器件光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管, 光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等根据其构造和用处不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关光电耦合器件 光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内, 一般有金属封装和塑料封装两种 耦合器常见的组合形式如以下图光电耦合器图(a)所示的组合形式构造简单、本钱较低, 且输出电流较大, 可达100 mA, 响应时间为34s 图(b)形式构造简单, 本钱较低、 响应时间快, 约为1s, 但输出电流小, 在50300 A之间图c形式传输效率高, 但只适用于较低频率的装置中 图d是一种高速、高传输效率的新颖器件对图中所示无论何种形式, 为保证其有较佳的灵敏度, 都考虑了发光与接收波长的匹配 光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器, 它具有抗干扰性能和单向信号传输功能, 广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合. 光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收, 并进展光电转换, 同时加以某种形式的放大和控制, 从而获得最终的控制输出“开、 “关信号的器件。

光电开关以下图为典型的光电开关构造图图a是一种透射式的光电开关, 它的发光元件和接收元件的光轴是重合的 当不透明的物体位于或经过它们之间时, 会阻断光路, 使接收元件接收不到来自发光元件的光, 这样起到检测作用图b是一种反射式的光电开关, 它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处当有物体经过时, 接收元件将接收到从物体外表反射的光, 没有物体时那么接收不到光电开关的特点是小型、高速、非接触, 而且与TTL、MOS等电路容易结合 光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及平安装置中作光控制和光探测装置可在自控系统中用作物体检测， 产品计数, 料位检测，尺寸控制，平安报警及计算机输入接口等用处1. 火焰探测报警器以下图是采用硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路图硫化铅光敏电阻的暗电阻为1 M，亮电阻为0.2 M(光照度 0.01 W/m2下测试的)，峰值响应波长为2.2m硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为 6 V，电流约为 6V2管集电极电阻两端并联 68 F的电容，可以抑制100 Hz以上的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。

V2、V3构成二级负反响互补放大器，火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进展报警处理采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度， 保证火焰报警器能长期稳定地工作 光电传感器的应用 2. 光电式纬线探测器 光电式纬线探测器是应用于喷气织机上，判断纬线是否断线的一种探测器以下图为光电式纬线探测器原理电路图当纬线在喷气作用下前进时，红外发射管VD发出的红外光，经纬线反射，由光电池接收，如光电池接收不到反射信号时，说明纬线已断因此利用光电池的输出信号，通过后续电路放大、脉冲整形等，控制机器正常运转还是关机报警为燃气热水器中的高压打火确认电路原理图 在高压打火时，火花电压可达一万多伏，这个脉冲高电压对电路工作影响极大，为了使电路正常工作，采用光电耦合器VB进展电平隔离，大大增强了电路抗干扰才能当高压打火针对打火确认针放电时，光电耦合器中的发光二极管发光， 耦合器中的光敏三极管导通， 经V1、V2、V3放大，驱动强吸电磁阀，将气路翻开，燃气碰到火花即燃烧 假设高压打火针与打火确认针之间不放电，那么光电耦合器不工作，V1等不导通，燃气阀门关闭3. 燃气热水器中脉冲点火控制器以下图是吸收式烟尘浊度检测仪的组成框图。

为了检测出烟尘中对人体的危害性最大的亚微米颗粒的浊度和防止水蒸汽和二氧化碳对光源衰弱的影响，选取和见光作为光源该光源产生光谱范围为400700nm的纯白炽平行光，要求光照稳定4.烟尘浊度连续检测仪光检测器选取光谱响应范围为400600nm的光电管，获得随浊度变化的相应电信号采用具有高增益、高输入阻抗、低零漂、高共模抑制比的运算放大器，对电信号进展放大刻度校正被用来进展调零与调满，以保证测试准确性显示器可以显示浊度的瞬时值报警发生器由多谐振荡器组成，当运算方法器输出的浊度信号超出规定值时，多谐振荡器工作，其输出经放大推动喇叭发出报警信号 电冰箱照明灯故障检测器电路此检测器可检测电冰箱的照明工作情况，M5232L、VT、C等组成一个光控音频振荡器，在有光照时，音频振荡器停振，B无声；当无光照射时，音频振荡器开始振荡，B发声使用时，只需将检测器放到冰箱的照明灯下面，关闭箱门后，B应发声，如不发声，说明照明灯没有熄灭，可判断照明电路或照明开关出故障，应及时修理5、电冰箱照明灯故障检测器电路7.2 光 纤 传 感 器光纤的构造和传输原理1光纤的构造 光导纤维简称为光纤, 目前根本上还是采用石英玻璃, 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, 在包层外面还常有一层保护套, 多为尼龙材料光纤的导光才能取决于纤芯和包层的性质, 而光纤的机械强度由保护套维持包层2光纤的传输原理 众所周知, 光在空间是直线传播的在光纤中, 光的传输限制在光纤中, 并随光纤能传送到很远的间隔 , 光纤的传输是基于光的全内反射 若光纤在纤芯和包层的界面上发生全反射，则界面上的光线临界折射角 =90，即为满足光在光纤内全内反射，光入射到光纤端面的入射角i 应满足 光纤的根本特性1数值孔径NA数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光亮的多少只有入射角处于2C 的光椎角内，光纤才能导光如入射角过大，光线便从包层逸出而产生漏光所以要适中选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.20.42光纤形式一般纤芯的直径为212m，只能传输一种形式的光纤称为单模光纤 纤芯直径较大50100m，传输形式较多的为多模光纤这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便3光纤的传输损耗光纤的传输损耗主要来源于材料吸收损耗、散射损耗和光波导弯曲损耗。

光纤传感器 1光纤传感器的工作原理及组成光纤传感器由光源、敏感元件光纤和非光纤的、光探测器、信号处理系统以及光纤组成 2、光纤传感器的应用 光纤加速度传感器的组成构造如以下图所示它是一种简谐振子的构造形式激光束通过分光板后分为两束光, 透射光作为参考光束, 反射光作为测量光束当传感器感受加速度时, 由于质量块M对光纤的作用, 从而使光纤被拉伸, 引起光程差的改变相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干预效应激光干预仪的干预条纹的挪动可由光电接收装置转换为电信号, 经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值 光纤加速度传感器以下图为光强调制型的半导体光吸收型光纤温度传感器, 传感器是由半导体光吸收器、光纤、发射光源和包括光控制器在内的信号处理系统等组成在一定的波长范围内，它对光的吸收随着温度T的变化而变化半导体材料的光透过率特性曲线随温度的增加向长波方向挪动，假如适当的选定一种在该材料工作的波长范围内的光源，那么就可以使透过半导体材料的光强随温度而变化，探测器检测输出光强的变化即到达测量温度的目的应用于高压电力装置中的温度测量等特殊场合 光纤温度传感器纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入流管, 当液体或气体流经与其垂直的光纤时, 光纤受到流体涡流的作用而振动, 振动的频率与流速有关系, 测出频率便可知流速。

这种流量传感器构造示意图如以下图所示光纤旋涡流量传感器。