光电式传感器-6.ppt

第八章 光电式传感器,光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号第一节 光源,8.1.1 光的特性,光的波动性,紫外区为10nm～380nm,可见区为380nm～780nm,红外区为780nm～1um,光的粒子性,E = h v,第一节 光源,一、热辐射光源 二、气体放电光源 三、电致发光器件－－发光二极管 四、激光器1.气体激光器2.固体激光器3.半导体激光器,一、热辐射光源,1.常用的热辐射光源有：白炽灯和卤钨灯,白炽灯：钨灯丝、芯柱、玻璃壳等组成，玻璃壳内抽成真空或充入惰性气体,卤钨灯：采用卤钨循环提高光效而不使泡壳发黑,二、气体放电光源,当气体具有导电性时，电流经过气体的现象称为气体放电,常用的气体放电光源有荧光灯、汞灯和氙气,荧光灯,荧光灯管内充有低压水银蒸气，管内壁涂有荧光粉卤磷酸钙,光致发光：等离子体显示PDP,,1 发光机理：,与荧光灯的发光原理相同激发态能级,基态能级,,,Xe气体,,紫外线,,,,,,,,,可见光,光吸收,激发态能级,基态能级,荧光体,称吸收了短波长的光后处于激发态的原子回到基态时发射出长波长光的现象为光致发光。

一是：首先由于放电效应造成的处于等离子状态的电子和Xe碰撞时，Xe被激发到了高能态，当它从高能态恢复到低能态时将发射出紫外线二是：发射出的紫外线激发荧光体，荧光体回到低能态时发射出可见光光的产生过程分两部分：,三、电致发光器件－发光二极管,固体发光材料在电场激发下，将电能直接转换为光能的发光现象称为电致发光发光二极管：利用半导体PN结把电能转换成光能的半导体器件四、激光器,激光（laser 镭射）受激辐射光放大 light amplification by simulated emission of radiation激光光源的特点：方向性强、单色性好、 相干性好、高亮度,8.2 光电效应及器件,光电效应指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应光电传感器的工作原理基于光电效应光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类:光电子发射、光电导效应和光生伏特效应内光电效应：光作用，使光电器件的电阻率变化 器件：光敏电阻光作用，使光电器件产生一定方向的电动势 器件：光电池8.2 光电效应及器件,8.2.1 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。

向外发射的电子叫做光电子基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等外光电效应,光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：,E=hν,一个电子只能接受一个光子的能量,要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能,8.2.1 外光电效应,外光电效应,根据能量守恒定理,式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度该方程称为爱因斯坦光电效应方程8.2.1 外光电效应,8.2.1 外光电效应器件,光电管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8.2.1.1 光电管,特点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度 可达20～200μA/lm；暗电流小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短 缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百伏到数百伏、 玻壳容易破碎等光电倍增管是一种能将微弱的光信号转换成可测电信号的光电转换器件一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105~106倍。

8.2.1 外光电效应器件,8.2.1.2 光电倍增管,当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应,（1） 光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应基于该效应的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管、三极管8.2.1 内光电效应,（2） 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基于该效应的光电器件有光电池，光电二极管、光电三极管8.2.2.1 光敏电阻,光敏电阻又称光导管，为纯电阻(没有极性)元件，其工作原理是基于光电导效应，,它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质, 半导体的两端装有金属电极, 金属电极与引出线端相连接, 光敏电阻就通过引出线端接入电路为了防止周围介质的影响, 在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜, 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大a． 光敏电阻的主要参数（１） 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流 （２） 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。

（３） 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流 ,b． 光敏电阻的基本特性 （1） 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 ①一定光照，R一定，I正比于U ②一定电压，I随着光照E增强而增大E↑→R↓→I↑2) 光照特性（I～E）光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中如光照度计：农作物日照时数测定无光照V0=VL 有光照V0=VH 输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数1天查询720次3） 光谱特性（Kr%～ ） 光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性 亦称为光谱响应①不同材料，其峰值波长不同 ②同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同 应根据光源的性质，选择合适的光电元件， （匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度4） 温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线, 它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动因此, 硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用 对于可见光的光敏电阻, 其温度影响要小一些 ,c、光敏电阻工作原理内光电效应。

光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强了导电性能，使阻值降低光照停止，电子空穴对又复合，阻值恢复要使价带电电子跃迁到导带，入射光子的能量满足,或,制作光敏电阻的材料一般是金属硫化物和金属硒化物8.2.2.2 光敏二极管,8.2.2.3 光敏三极管,光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但响应速度较二极管差工作原理 （1）光电转换 （2）电流放大,基极开路，集电极与发射极之间加正电压当光照射在集电结上时, 在结附近产生电子-空穴对, 电子在结电场的作用下，由P区向N区运动，形成基极电流，放大β倍形成集电极电流（光电流）, 所以光电三极管有放大作用8.2.2.4 光电池-原理是基于“光生伏特效应” ,实质是个大面积的PN结,当光照射到PN结的一个面, 例如p型面时, 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度, 那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴, 电子空穴对从表面向内迅速扩散, 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光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。

输出电流,输出电压,（１）光照特性反映短路电流、开路电压与光照度的关系短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于短路电流状态，可做检测元件 开路电压（负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的, 并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了光电池工作于开路电压状态，可做开关元件光电池的基本特性,(2) 温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况开路电压随温度升高而下降的速度较快, 短路电流随温度升高而缓慢增加把光电池作为测量器件应用时, 应保证温度恒定或采取温度补偿措施没有光照射时, 反向电阻很大, 反向电流很小, 这反向电流称为暗电流二极管处于截止状态当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, 使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作定向运动, 形成光电流二极管处于导通状态光的照度越大, 光电流越大四)、 光电耦合器件 1． 光电耦合器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发光元件为发光二极管，受光元件为光敏三极管或光敏可控硅它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出端特点：①强弱电隔离。

输入输出极之间绝缘电阻达1010耐压达2000V以上 能避免输出端对输入端地线等的干扰②对系统内部噪声有很强的抑制作用 发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，对系统内部的噪声有旁路作用滤除噪声）,光电耦合器的组合形式,应用于自动控制电路中的强弱电隔离2. 光电开关光电开关在制造业自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置可实现限位控制、产品计数, 料位检测，越限安全报警及计算机输入接口等用途 光电开关结构：透射式和反射式的光电开关利用输出电平的状态判断有无被测物基本电路（透射式） （a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平b)无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平五、光电传感器的类型 按输出量的性质分两大类 1、模拟量光电传感器检测系统 （1）辐射式物体辐射能量到光电接受元件，根据测出光电流确定辐射物内部参数如测炽热金属，用光电比色高温计暖气热量计量中用热分配表测暖气消耗的热量 （2）透射式被测物置于恒光源于光电元件之间，根据被测物对光源的吸收程度测定被测参数对气体的成分分析如测气体的透明度、混浊度,(3) 反射式恒光源发出的光照射到被测物表面上，再从表面放射到光电元件上。

根据反射光通量的大小测定被测物表面的性质和状态如表面的缺欠、粗糙度 如用Y型光纤扫描式检测弹头缺欠 无缺欠，反射光恒定 有缺欠，对光的吸收增强，反射光减弱，输出有跳变接示波器可显示出波形 （4）遮挡式测工件尺寸2、开关量光电传感器光电式转速表旋转盘与指示盘开有相同间距的缝隙当旋转盘转动时，每转过一条缝隙，光线便产生一次明暗变化，光电元件感光一次光电流变化曲线如图经整形电路变为矩形脉冲信号送计数器（单片机），由公式算出转速8.3 光电器件的特性,（1）光照特性,不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性一般在自动控制系统中用作光电开关2）光谱特性,在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果1——硫化镉 2——硒化镉 3——硫化铅,（3）响应时间,当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的响应时间4）峰值探测率,（5）温度特性,随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动5）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称为光敏电阻的伏安特性。

位置敏感器件PSD -Position Sensitive Detector/ Device PSD 属于半导体器件, 是基于横向光电效应的连续模拟式光斑位置检测器件,它除了具有光电二极管阵列和CCD器件的定位性能外,还具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点,尤其是应用于精确定位时,具有受光斑强度分布对称性和尺寸影响小的特征,其弱点主要是非线性作为新型器件, PSD 已经被广泛应用在位置坐标的精确测量上, 如: 兵器制导和跟踪、工业自动控制或位置变化等技术领域上 大光敏面光电二极管（PN结光电传感器） 1.一维PSD 2.二维PSD,。