《光电传感技术》PPT课件.ppt
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1、第第2章章 光电式传感技术光电式传感技术第第2章章 光电式传感技术光电式传感技术2.1 光电传感器的工作原理2.2 光敏二极管2.3 光敏三极管2.4 光敏电阻2.5 光电池2.6 高速光电二极管2.7 光电倍增管2.8 色敏光电传感器2.9 光位置传感器2.10 红外光传感器2.11光固态CCD图像传感器2.12光纤传感器2.13 激光传感器2.14 核辐射(光)传感器2.15典型应用举例2章 光电式传感器本章目的和要求本章目的和要求n掌握各种光电式传感器:掌握各种光电式传感器:u结构结构u工作原理工作原理u基本特性基本特性u使用注意事项及应用使用注意事项及应用2章 光电式传感器概述概述 光
2、电式传感器光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。是将光信号转换为电信号的一种传感器。光电式传感技术特点:光电式传感技术特点:用于检测非电量,具有结构简单、用于检测非电量,具有结构简单、非接触、可靠性高、精度高和反应快等特点。广泛用于空间非接触、可靠性高、精度高和反应快等特点。广泛用于空间位置测定、图像控制、辐射检测、工业监测、病情初期诊断位置测定、图像控制、辐射检测、工业监测、病情初期诊断等检测技术领域。等检测技术领域。2.1 2.1 光电传感器的工作原理光电传感器的工作原理 光电传感器的工作原理:光电传感器的工作原理:光电效应。光电效应。光电效应:光电效应:当光照射物体时,物体受到
3、一连串具有能量当光照射物体时,物体受到一连串具有能量的光子的轰击,于是物体中的电子吸收入射光子的能量,而的光子的轰击,于是物体中的电子吸收入射光子的能量,而发生相应的效应(如发射电子、电导率变化或产生电动势等)发生相应的效应(如发射电子、电导率变化或产生电动势等),这种现象称为光电效应。,这种现象称为光电效应。光电计数器光电计数器2章 光电式传感器光电效应有以下光电效应有以下3类:类:外光电效应、光电导效应、光外光电效应、光电导效应、光生伏特效应生伏特效应(1)外光电效应:外光电效应:在光线作用下能使电子逸出物体在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象。光电元件:光电管、光电倍增管等。表面的现象
4、。光电元件:光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子,每个光子具有的能量光子是具有能量的粒子,每个光子具有的能量由下式确定。由下式确定。2章 光电式传感器光电效应方程光电效应方程:式中:m电子质量;v0电子逸出速度。A0 物体的表面电子逸出功 若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时,电子就逸出物体表面,产生电子发射。故要使一个电子逸出,则光子能量h必须超出逸出功A0,超过部分的能量,表现为逸出电子的动能。2章 光电式传感器2章 光电式传感器内光电效应内光电效应包括包括:光电导效应:光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应(2)光电导效应:在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象。光电
5、元件:光敏电阻等。(3)光生伏特效应:在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。光电元件:光电池、光敏二极管、光敏三极管等。2章 光电式传感器过过程程:当当光光照照射射到到半半导导体体材材料料上上时时,价价带带中中的的电电子子受受到到能能量量大大于于或或等等于于禁禁带带宽宽度度的的光光子子轰轰击击,并并使使其其由由价价带带越越过过禁禁带带跃跃入入导导带带,如如图图,使使材材料料中中导导带带内内的的电电子子和和价价带带内内的的空空穴穴浓浓度度增增加加,从而使电导率变大。从而使电导率变大。导带导带价带价带禁带禁带自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带
6、价电子所占能带Eg内光电效应光电池电子能级示意图电子能级示意图2章 光电式传感器材料的光导性能决定于禁带宽度,对于一种光电导材料,总存在一个照射光波长限0,只有波长小于0的光照射在光电导体上,才能产生电子能级间的跃进,从而使光电导体的电导率增加。式中、分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁,入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg,即2章 光电式传感器 光谱光谱光波:波长为光波:波长为10106nm的电磁波的电磁波紫外线:波长紫外线:波长10380nm,可见光:波长可见光:波长380780nm红外线:波长红外线:波长780106nm2章 光电式传感器2.2 光敏二极管光敏二极管 光敏
7、二极管在电路中一般是处于光敏二极管在电路中一般是处于光敏二极管在电路中一般是处于光敏二极管在电路中一般是处于反向偏置状态反向偏置状态反向偏置状态反向偏置状态。光敏二极管的光照特性是光敏二极管的光照特性是光敏二极管的光照特性是光敏二极管的光照特性是线性线性线性线性的,适合检测等方面的应用。的,适合检测等方面的应用。的,适合检测等方面的应用。的,适合检测等方面的应用。光敏二极管与普通半导体二极管的光敏二极管与普通半导体二极管的光敏二极管与普通半导体二极管的光敏二极管与普通半导体二极管的不同之处:不同之处:不同之处:不同之处:光敏二极管光敏二极管光敏二极管光敏二极管的的的的PNPNPNPN结装在管壳
8、的顶部,可以直接受到光的照射。结装在管壳的顶部,可以直接受到光的照射。结装在管壳的顶部,可以直接受到光的照射。结装在管壳的顶部,可以直接受到光的照射。2.2.1 光敏二极管的结构和工作原理光敏二极管的结构和工作原理2章 光电式传感器 没有光照射时没有光照射时,处于反向偏置的光敏二极管,处于反向偏置的光敏二极管,工作于截止工作于截止状态状态,这时只有少数载流子在反向偏压的作用下,渡越阻挡层,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形成微小的反向电流即暗电流暗电流。这时反向电阻很大。这时反向电阻很大。当当光照射光照射在在PNPN结上时结上时,光子打在光子打在PNPN结
9、附近结附近,PN,PN结附近结附近产生产生电子电子-空穴对,空穴对,它们在反向外加电压和内电场的作用下参与导电它们在反向外加电压和内电场的作用下参与导电,从而使通过从而使通过PNPN结的反向电流大为增加,形成结的反向电流大为增加,形成光电流光电流。这时二极。这时二极管处于导通状态。管处于导通状态。光的照度越大光的照度越大,光电流越大。光电流越大。2章 光电式传感器光敏二极管的基本特性1 1)光谱特性)光谱特性 在入射光照度在入射光照度一定时,输出的光一定时,输出的光电流(或相对灵敏电流(或相对灵敏度)随光波波长的度)随光波波长的变化而变化。变化而变化。一种光敏二极一种光敏二极管只对一定波长的管
10、只对一定波长的入射光敏感。入射光敏感。硅管:(峰值波长1.1m)探测可见光和炽热物体。锗管:(峰值波长1.8m)探测红外光。2章 光电式传感器2)伏安特性)伏安特性(一定照(一定照度下的电流电压特性)度下的电流电压特性)当光照时,反向电流当光照时,反向电流随着光照强度的增大而随着光照强度的增大而增大;增大;在不同照度下,伏安在不同照度下,伏安特性曲线几乎平行,所特性曲线几乎平行,所以只要没有达到饱和值,以只要没有达到饱和值,它的输出实际上不受偏它的输出实际上不受偏压大小的影响。压大小的影响。无偏压时,光敏二极管仍有光电流输出,这是由光敏二极无偏压时,光敏二极管仍有光电流输出,这是由光敏二极管的
11、光电效应性质所决定的。管的光电效应性质所决定的。光的颜色会随着温度的升高而变化,这种光源的温度就叫该光源的光的颜色会随着温度的升高而变化,这种光源的温度就叫该光源的色温(单位:开尔文)。色温(单位:开尔文)。Lx-照度单位:勒克斯照度单位:勒克斯2章 光电式传感器3 3)光照特性)光照特性 光敏二极管光照特性的线性好。2章 光电式传感器4 4)温度特性)温度特性 温度变化对光敏二极管输出光电流影响较小温度变化对光敏二极管输出光电流影响较小,但对暗电流但对暗电流的影响却十分显著的影响却十分显著.解决措施:选硅管、温度补偿电路、交流放大和隔直电容解决措施:选硅管、温度补偿电路、交流放大和隔直电容低
12、照度低照度 高照度高照度2章 光电式传感器5 5)响应特性)响应特性 上升时间短上升时间短t tr r5ns5ns,响应速度快,则适用于快速响应或,响应速度快,则适用于快速响应或入射光调制频率较高的场合。入射光调制频率较高的场合。2章 光电式传感器2.2.3 光敏二极管的型号参数光敏二极管的型号参数见书P14 表2.1和表2.22章 光电式传感器最高反向工作电压最高反向工作电压V VRMRM:是指光敏二极管在无光照的条件下,反向漏电流不是指光敏二极管在无光照的条件下,反向漏电流不大于大于0.1A0.1A时所能承受的最高反向电压值。时所能承受的最高反向电压值。V VRMRM越大,管子性能越稳定越
13、大,管子性能越稳定。暗电流暗电流I ID D:是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小,光敏二极管的性能越稳定,检测弱光的能力越强。暗电流越小,光敏二极管的性能越稳定,检测弱光的能力越强。光电流光电流I IL L:是指光敏二极管在受到一定光照时,在最高反向工作电压下产生是指光敏二极管在受到一定光照时,在最高反向工作电压下产生的电流。其测量的一般条件是的电流。其测量的一般条件是:2856K:2856K钨丝光源,照度为钨丝光源,照度为1000lx1000lx。光电灵敏度光电灵敏度SnSn:它是反映光敏二极管对光敏感程
14、度的一个参数,用在每微瓦它是反映光敏二极管对光敏感程度的一个参数,用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示,单位为的入射光能量下所产生的光电流来表示,单位为A/WA/W。即指输入给定波长。即指输入给定波长的单位功率时,光敏二极管能输出的光电流值。的单位功率时,光敏二极管能输出的光电流值。响应时间响应时间:光敏二极管将光信号转化为电信号所需要的时间。响应时间越短,光敏二极管将光信号转化为电信号所需要的时间。响应时间越短,说明光敏二极管的工作频率越高。说明光敏二极管的工作频率越高。正向压降正向压降VFVF:是指光敏二极管中通过一定的正向电流时,它两端产生的压降。是指光敏二极管中通过一定的正向电
15、流时,它两端产生的压降。结电容结电容CjCj:指光敏二极管指光敏二极管PNPN结的电容。结的电容。CjCj是影响光电响应速度的主要因索。是影响光电响应速度的主要因索。结面积越小,结电容结面积越小,结电容CjCj也就越小,则工作频率越高。也就越小,则工作频率越高。光敏二极管主要参数光敏二极管主要参数2章 光电式传感器部分2CU型光敏二极管主要参数2章 光电式传感器部分2CU型光敏二极管主要参数 用于可见光和近红外光的接收,也可用于自动控制仪器和电气设备的光电转换系统。2章 光电式传感器部分 2CU79、2CU80 光敏二极管主要参数 2CU80型为低照度宽光谱光敏二极管,可用于多段亮度计和地物光
16、谱仪及微弱光的探测仪。2章 光电式传感器部分 2DU 型光敏二极管主要参数 主要用于可见光和近红外光探测器,也可用于光电转换的自动控制仪器、触发器、光电耦合、编码器、特性识别、过程控制和激光接收等方面。2章 光电式传感器2.2.4 光敏二极管的应用1 1)光电路灯控制电路)光电路灯控制电路分析:分析:1.1.无光照时:无光照时:2.2.有光照时:有光照时:IlVA2章 光电式传感器2)光强测量电路)光强测量电路IlVA分析:分析:1.1.无光照时:无光照时:2.2.有光照时:有光照时:电桥电桥2章 光电式传感器3)便携式照度计电路光电传感器光电传感器输出电压:输出电压:V0=SlRL Sl=5
17、/lx R L=200当当=0 lx 则则V0=SlRL=0mV当当=1 lx 则则V0=SlRL=1mV当当=5000 lx 则则V0=SlRL=5V将将光光敏敏二二极极管管与与放放大大器器RfRf集集成成在在一一起起,输出为线性,灵敏度为输出为线性,灵敏度为5/lx。2章 光电式传感器2.3 光敏三极管光敏三极管 光敏三极管比具有相同有效面积的光敏二极管的光敏三极管比具有相同有效面积的光敏二极管的光电流大几十至几百倍,但响应速度较二极管差。光电流大几十至几百倍,但响应速度较二极管差。2.3.1 2.3.1 光敏三极管的结构和工作原理光敏三极管的结构和工作原理基基极极开开路路,集集电电极极与
18、与发发射射极极之之间间加加正正电电压压。当当光光照照射射在在集集电电结结上上时时,在在结结附附近近产产生生电电子子-空空穴穴对对,电电子子在在结结电电场场的的作作用用下下,由由P P区区向向N N区区运运动动,形形成成基基极极电电流流,空空穴穴在在基基区区积积累累,提提高高发发射射结结正正向向偏偏置置,发发射射区区多多子子电电子子穿穿过过基基区区向向集集电电区区移移动动,在在外外电电场场作作用用下下形形成成集集电电极极电电流流IcIc,结结果果表表现现为为基基极极电电流流放放大大倍倍形形成成集集电电极极电电流流(光光电电流流),所所以以光光电电三三极极管管有有放放大大作用。作用。2章 光电式传
19、感器光敏三极管的基本特性2 2)伏安特性)伏安特性a a)无偏压时有光电流)无偏压时有光电流b b)比光敏二极管的光电)比光敏二极管的光电流大流大倍倍c c)可把光敏三极管看成)可把光敏三极管看成普通三极管(把入射光的普通三极管(把入射光的光照变化看成基极电流的光照变化看成基极电流的变化)变化)1)光谱特性)光谱特性 光谱特性与二极管相同光谱特性与二极管相同光敏二极管 2章 光电式传感器3)光照特性)光照特性其线性没二极管好、低照度小、高照度饱和4)温度特性)温度特性 温度特性与光敏二极管相同5)响应特性)响应特性上升时间 t rU2,输出电压,输出电压UO为负。为负。(3)带材)带材5偏右,
20、遮光面偏右,遮光面积增大,积增大,光照光照减弱减弱,R1阻阻值增大,值增大,U1减少,减少,U1 132章 光电式传感器图图 红外线气体分析仪结构原理图红外线气体分析仪结构原理图该分析仪由红外线辐射该分析仪由红外线辐射光源、气室、红外探测光源、气室、红外探测器及电路等部分组成。器及电路等部分组成。光源由镍铬丝通电光源由镍铬丝通电加热发出红外线,切光加热发出红外线,切光片将连续的红外线调制片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线。成脉冲状的红外线。测量气室中通入被测量气室中通入被分析气体,参比气室中分析气体,参比气室中封入不吸收红外线的气封入不吸收红外线的气体(如体(如N2等)。等)。滤波气室通入干
21、扰滤波气室通入干扰气体。气体。如检测如检测CO(4.65m)时,干扰气体时,干扰气体CO2(4.26m)。红外探测器是薄膜电容红外探测器是薄膜电容型,它有两个吸收气室,型,它有两个吸收气室,充以被测气体,当两吸充以被测气体,当两吸收气室吸收的红外辐射收气室吸收的红外辐射能量不同时,气体温度能量不同时,气体温度升高不同,导致室内压升高不同,导致室内压力增大不同,薄膜移动,力增大不同,薄膜移动,电容量变化。电容量变化。如被测气体的浓度愈大,如被测气体的浓度愈大,两束光强的差值也愈大,两束光强的差值也愈大,则电容的变化量也愈大,则电容的变化量也愈大,因此电容变化量反映了因此电容变化量反映了被分析气体
22、中被测气体被分析气体中被测气体的浓度。的浓度。3-10mN 222章 光电式传感器2.11 2.11 光固态光固态CCDCCD图像传感器图像传感器 光固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器,光固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器,以以电荷转移电荷转移为核心,可以完成光电信号转换、信号存储和为核心,可以完成光电信号转换、信号存储和传输处理的集成光敏传感器,具有体积小、重量轻、功耗传输处理的集成光敏传感器,具有体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点,可探测可见光、紫外线、小、成本低等优点,可探测可见光、紫外线、x x射线、红射线、红外光、微光和电子轰击等。外光、微光和电子轰击等。固态图像传
23、感器按其结构可分为固态图像传感器按其结构可分为三类三类:电荷耦合器:电荷耦合器件(简称件(简称CCDCCD)、)、MOSMOS图像传感器(简称图像传感器(简称SSPASSPA)和电荷注入)和电荷注入器件(简称器件(简称CIDCID)。)。前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如,前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如,摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。2章 光电式传感器2.11.1 电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD)电荷耦合器件(电荷耦合器件(Charge Couple DeviceCharge Couple De
24、vice,简称简称CCDCCD),是一种金属氧化物半导体(),是一种金属氧化物半导体(MOSMOS)集成)集成电路器件,它以电路器件,它以电荷电荷作为信号作为信号,基本功能是进行基本功能是进行光光电转换、电荷的存储和电荷的转移输出电转换、电荷的存储和电荷的转移输出。是在。是在MOSMOS结构电荷存储器的基础上发展起来的,被称为结构电荷存储器的基础上发展起来的,被称为“排排列起来的列起来的MOSMOS电容阵列电容阵列”。2章 光电式传感器 CCD CCD 技术的发展促进了各种技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化,应视频装置的普及和微型化,应用遍及航天、遥感、天文、通用遍及航天、遥感、天文、
25、通讯、工业、农业、军用等各个讯、工业、农业、军用等各个领域。领域。基于基于CCDCCD光电光电耦合器件的输入耦合器件的输入设备有:数字摄设备有:数字摄像机、数字相机、像机、数字相机、平板扫描仪、指平板扫描仪、指纹机等。纹机等。2章 光电式传感器 CCDCCD基本基本结构结构分两部分:分两部分:MOSMOS光敏元光敏元阵列阵列;读出读出移位寄存器移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千(万)个光敏元,制作成百上千(万)个光敏元,一个一个光敏元光敏元对应一个对应一个像素像素,在半,在半 导体硅平面上光敏元按导体硅平面上光敏元按线列线列或或面面 阵阵有规则地
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