传感器技术第6讲光电式传感器.ppt

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1、第第6讲讲 光电式传感器光电式传感器 内容：内容：一、光电器件的基本概念；一、光电器件的基本概念；二、二、光电池；光电池；三、红外传感器；三、红外传感器；四、光电传感器应用举例。四、光电传感器应用举例。目的：目的：1 1、了解光电式传感原理和结构了解光电式传感原理和结构 ；2、掌握光电式传器的特点及应用知识掌握光电式传器的特点及应用知识。第第6课课 光电式传感器光电式传感器1、什么是光电式传感器？、什么是光电式传感器？以光电器件作为转换元件的传感器以光电器件作为转换元件的传感器称光电式传感器称光电式传感器。2、用途、用途 主要用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光主要用于检测直接引起光量

2、变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。识别等。第第6课课 光电式传感器光电式传感器3、特点、特点 光光电电式式传传感感器器具具有有非非接接触触、响响应应快快、性性能能可可靠靠等等特点。特点。因因此此在在工工业业自自动动化化装装置置和和机机器器人人中中获获得得广广泛泛应应用用。近近年年来来，新新

3、的的光光电电器器件件不不断断涌涌现现，特特别别是是CCD图图像像传传感感器器的的诞诞生生，为为光光电电式式传传感感器器的的进进一一步步应应用用开开创创了了新的一页。新的一页。第第6课课 光电式传感器光电式传感器4、外形特征、外形特征第第6课课 光电式传感器光电式传感器4、外形特征、外形特征第第6课课 光电式传感器光电式传感器4、外形特征、外形特征第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 光光电电器器件件是是将将光光能能转转换换为为电电能能的的一一种种传传感感器器件件，它它是构成光电式传感器最主要的部件。是构成光电式传感器最主要的部件。光电器件工作的物理基础是光电器件工作的物理基础是光

4、电效应光电效应。什么是光电效应什么是光电效应?在在光光照照射射在在某某些些物物质质上上时时,物物质质的的电电子子吸吸收收光光子子的的能能量量而而发发生生电电效效应应现现象象，如如导导电电率率变变化化、释释放放电电子子和和产产生生电电动动势势等等。释放的电子叫光电子，能产生光效应的物质叫电材料。释放的电子叫光电子，能产生光效应的物质叫电材料。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 光电效应分为以下光电效应分为以下三种类型三种类型：1、内内光光电电效效应应-在在光光线线作作用用下下，物物体体的的电电导导性性能能改改变变的的现现象象称称为内光电效应。如光敏电阻为内光电效应。如光敏电阻2、

5、外外光光电电效效应应-在在光光线线作作用用下下，能能使使电电子子逸逸出出物物体体表表面面的的现现象称为外光电效应。如光电管、光电倍增管象称为外光电效应。如光电管、光电倍增管3、光光生生伏伏特特效效应应-在在光光线线作作用用下下，能能使使物物体体产产生生一一定定方方向向的的电电动动势势的的现现象象称称为为光光生生伏伏特特效效应应，即即阻阻挡挡层层光光电电效效应应。如如光光电电池池、光敏晶体管。光敏晶体管。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 一、光敏电阻传感器一、光敏电阻传感器(一一)光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理结结构构：它它是是涂涂于于玻玻璃璃底底板板上上的的

6、一一薄薄层层半半导导体体物物质质，半半导导体体的的两两端端装装有有金金属属电电极极，金金属属电电极极与与引引出出线线端端相相连连接接，光光敏敏电电阻阻就就通通过过引引出出线线端端接接人人电电路路。为为了了防防止止周周围围介介质质的的影影响响，在在半半导导体体光光敏敏层层上上覆覆盖盖了了一一层层漆漆膜膜，漆漆膜膜的的成成分分应应使使它它在在光光敏敏层层最最敏感的波长范围内透射率最大。敏感的波长范围内透射率最大。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 一、光敏电阻传感器一、光敏电阻传感器(二二)光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数(3)1暗电阻暗电阻 光敏电阻在不受光时的阻值称光敏电阻

7、在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。暗电流。2亮电阻亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称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为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电流。3光电流光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 一、光敏电阻传感器一、光敏电阻传感器(三三)光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性（3点）点）1伏安特性伏安特性 在一定照度下，流在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏

8、安系称为光敏电阻的伏安特性。特性。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 一、光敏电阻传感器一、光敏电阻传感器(三三)光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性2光谱特性光谱特性 光敏电阻的相对光敏灵光敏电阻的相对光敏灵敏度与人射波长的关系称敏度与人射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱为光谱特性，亦称为光谱响应。响应。umumum第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 一、光敏电阻传感器一、光敏电阻传感器(三三)光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性3温度特性温度特性 温度变化影响光敏电阻的光温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电

9、阻都要改变，尤其敏度和暗电阻都要改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。电阻受温度影响更大。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏晶体管二、光敏二极管和光敏晶体管 (一一)光敏二极的管结构光敏二极的管结构 光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射结装在管的顶部，可以直接受到光照射 结构结构外形外形符号符号第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏晶体管二、光敏二极管和光敏晶体管

10、第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏三极管二、光敏二极管和光敏三极管 (二二)光敏二极管的原理光敏二极管的原理 当光照射在当光照射在PN结上，光子打在结上，光子打在PN结附近，使结附近，使PN结附结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时，处于截止状态，受大。因此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。光照射时，处于导通状态。第一节第一节 光

11、电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏三极管二、光敏二极管和光敏三极管 (三三)光敏三极管的结构与原理光敏三极管的结构与原理光敏晶体管与一般晶体管相似，具有两个光敏晶体管与一般晶体管相似，具有两个PN结，只是它的结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光敏二极管发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光敏二极管和光敏三极管的材料几乎都是硅和光敏三极管的材料几乎都是硅(si)结构结构外形外形符号符号e第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏三极管二、光敏二极管和光敏三极管 (三三)光敏三极管的结构与原理光敏三极管的结构与原理光照射在发

12、射极光照射在发射极e与基极与基极b之间的之间的PN结附近便产生光电流结附近便产生光电流(几微安，几微安，相当于三极管的基极电流相当于三极管的基极电流)，于是在集电极，于是在集电极c与基极与基极b之间的之间的PN结结能产生几毫安电流能产生几毫安电流(相当于三极管的集电极电流相当于三极管的集电极电流)。光电三极管的。光电三极管的通频带较窄，不如光电二极管性能稳定，但灵敏度高。通频带较窄，不如光电二极管性能稳定，但灵敏度高。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏三极管二、光敏二极管和光敏三极管 (四四)基本特性基本特性1光谱特性光谱特性 从曲线可以看出，硅的峰值波从

13、曲线可以看出，硅的峰值波长约为长约为09um，锗的峰值波长约为，锗的峰值波长约为15um，此时灵敏度最大，而当入，此时灵敏度最大，而当入要射光的波长增加或缩短时，相对要射光的波长增加或缩短时，相对灵敏度也下降。一般来讲，锗管的灵敏度也下降。一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测般都用硅管。但对红外光进行探测时，则锗管较为适宜。时，则锗管较为适宜。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏晶体管二、光敏二极管和光敏晶体管 (四四)基本特性基

14、本特性2伏安特性伏安特性 从曲线可以看出，从曲线可以看出，光敏晶体管的光电流光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管比相同管型的二极管大上百倍。大上百倍。第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏晶体管二、光敏二极管和光敏晶体管 (四四)基本特性基本特性 3温度特性温度特性暗电流及光电流暗电流及光电流与温度的关系。与温度的关系。称光敏晶体管的称光敏晶体管的温度特性温度特性什么是光敏晶体管的温度特性？什么是光敏晶体管的温度特性？影响较大影响较大影响较小影响较小第一节第一节 光电器件的基本概念光电器件的基本概念 二、光敏二极管和光敏晶体管二、光敏二极管和光敏晶体管 (四四

15、)基本特性基本特性几种硅光电二极管的特性参数几种硅光电二极管的特性参数 型号或名称型号或名称 光谱范围光谱范围 峰值波长峰值波长 灵敏度灵敏度 响应时间响应时间 探测本领探测本领 2DU 0.41.1 0.9 0.4 10-7 最小可探测最小可探测功率功率 Pmin=10-8W 2CU 0.41.1 0.9 0.5 10-7 Pmin=100W 2DU LO41.1 1.06 0.6 510-9 第二节第二节 光电池光电池 光光电电池池是是一一种种直直接接将将光光能能转转换换为为电电能能的的光光电电器器件件。光光电电池池在在有有光光线线作作用用下下实实质质就就是是电电源源，电电路路中中有有了了

16、这这种种器件就不需要外加电源。属有源器件。器件就不需要外加电源。属有源器件。1、硒光电池硒光电池2、氧化亚铜光电池、氧化亚铜光电池3、硫化铊光电池、硫化铊光电池4、硫化镉光电池、硫化镉光电池5、锗光电池、锗光电池6、硅光电池硅光电池7、砷化镓光电池、砷化镓光电池一、光电池的种类一、光电池的种类：能用可见光作光源能用可见光作光源能用可见光作光源能用可见光作光源第二节第二节 光电池光电池 二、光电池结构：二、光电池结构：(a)结构图外型图(c)符号第二节第二节 光电池光电池三、光电池的工作原理三、光电池的工作原理 光电池实质上是一个大面积的光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到结，当光照射到

17、PN结结的一个面，如的一个面，如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，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最后建立一个与光照强度有关的电动势。-称光生伏特效称光生伏特效应应 第二节第二节 光电池光电池四、光电池的基本特性四、光电池的基本特性（1）光谱特性光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的 硒光电池在um附近

18、桂光电池在um附近第二节第二节 光电池光电池四、光电池的基本特性四、光电池的基本特性（2）光照特性）光照特性 光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。的，它们之间的关系就是光照特性。流第二节第二节 光电池光电池四、光电池的基本特性四、光电池的基本特性（3）温度特性）温度特性 光电池的温度特性是描光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的短路电流随温度变化的情况。情况。使用时，必须进行温度补偿使用时，必须进行温度补偿第二节第二节 光电池光电池四、光电池的基本特性四、光电池的基

19、本特性（4）特性参数）特性参数 国产硅光电池的特性参数国产硅光电池的特性参数 参量型号参量型号 开路电压开路电压 mV 短路电流短路电流 mA 输出电流输出电流 mA 转换效率转换效率 面积面积/mm22CR31 450-600 915 6.58.5 68 510 2CR32 550-600 915 8.611.3 8lO 510 2CR33 550-600 12-15 11.4-15 10-12 510第三节第三节 红外传感器红外传感器 红红外外技技术术是是在在最最近近几几十十年年中中发发展展起起来来的的一一门门新新兴兴技技术术。它已在科技、国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。它已在科技

20、、国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。一、红外传感器分类（五类）一、红外传感器分类（五类）（1）红外辐射计）红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量；，用于辐射和光谱辐射测量；（2）搜索和跟踪系统）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运行进行跟踪；位置并对它的运行进行跟踪；（3）热成像系统）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像，如红，可产生整个目标红外辐射的分布图像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等；外图像仪、多光谱扫描仪等；（4）红外测距和通信系统）红外测距和通信系统；（5）混合系统）混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组

21、合。，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。第三节第三节 红外传感器红外传感器二二、红外检测的物理基础、红外检测的物理基础 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在围大致在0761000m，红外线在电磁波谱中的位置如，红外线在电磁波谱中的位置如图所示。图所示。第三节第三节 红外传感器红外传感器二二、红外检测的物理基础、红外检测的物理基础 第三节第三节 红外传感器红外传感器二二、红外检测的物理基础、红外检测的物理基础 红外线辐射的物理本质

22、是热辐射。一个炽热物体向外红外线辐射的物理本质是热辐射。一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。而且，越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。而且，红外线被物体吸收时，可以显著地转变为红外线被物体吸收时，可以显著地转变为热能热能。红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该

23、特性工作的，在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如空气中对称的双原子气体，如N2、02、Hz等不吸收红外线。等不吸收红外线。第三节第三节 红外传感器红外传感器二二、红外检测的物理基础、红外检测的物理基础第三节第三节 红外传感器红外传感器三、红外探测器三、红外探测器 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示等组成。红外探测器是红外传感器的核心，红及显示等组成。红外探测器是红外传感器的核心，红外探测器种类很多，常见的有两大类：外探测器种类很多，常见的有两大类：1、热探测器、热探测器 2、光子探测器、

24、光子探测器。第三节第三节 红外传感器红外传感器三、红外探测器三、红外探测器 1、热探测器、热探测器 热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的敏感热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定控发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定控制器所吸收的红外辐射。制器所吸收的红外辐射。热探测器热探测器主要优点主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在室温下工作，使用方便，应用仍相整个红外区域，可以在室温下工作，使

25、用方便，应用仍相当广泛。当广泛。第三节第三节 红外传感器红外传感器三、红外探测器三、红外探测器 2、光子探测器、光子探测器。光子探测器是利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中的电子光子探测器是利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中的电子相互作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，称光相互作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象，称光子效应。通过测量材料电子性质的变化，可以知道红外辐射的强子效应。通过测量材料电子性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。利用光子效应制成的红外探测器，统称光子探测器。弱。利用光子效应制成的红外探测器，统称光子探测器。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度

26、快，具有较高的响光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。第四节第四节 光电传感器应用举例光电传感器应用举例1、红外测温仪、红外测温仪第四节光电传感器应用举例第四节光电传感器应用举例2、红外线气体分析仪红外线气体分析仪 甲烷乙炔乙烷乙烯一氧化碳二氧化碳第四节第四节 光电传感器应用举例光电传感器应用举例2、红外线气体分析仪红外线气体分析仪 放大器反射镜旋转光栅参比室滤波气室测量室红外探测器电容型光源镍铬丝310um的红外光定片动片放大器放大器被测气体被测气体参比气体参比气体电机电机发热器发热器反光罩反光罩红外测温仪烟雾完完