3-4光电式ppt课件(全).ppt

《3-4光电式ppt课件(全).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3-4光电式ppt课件(全).ppt（25页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、常用传感器常用传感器(传感器定义、组成及分类传感器定义、组成及分类(电参量型传感器电参量型传感器(电量型传感器电量型传感器(光电式传感器光电式传感器(光纤传感器光纤传感器(数字式传感器数字式传感器2023/2/281&光光电电式式传传感感器器(Photoelectric Sensor)是是以以光光电电器器件件作作为为转转换换元元件件的的传传感感器器的的总总称称。光光电电传传感感器器可可以以用用来来测测量量直直接接引引起起光光量量变变化化的的其其他他非非电电量量；也也可可用用来来测测量量能能转转换换成成光光量量变变化的其他非电量。化的其他非电量。1 1概述概述2 2光电传感器的组成光电传感器的组

2、成3 3光源光源4 4光电器件光电器件5 5光电传感器及其应用光电传感器及其应用6 6新型光电器件新型光电器件光电式传感器光电式传感器2023/2/282概概 述述&传统电测传感器与光电式传感器的区别：传统电测传感器与光电式传感器的区别：&光电传感器的特征是以光电器件作为转换元件。因光电传感器的特征是以光电器件作为转换元件。因此，采用光电器件作为转换元件的传感器就统称为光此，采用光电器件作为转换元件的传感器就统称为光电式传感器。电式传感器。被测量被测量敏感元件敏感元件电参量电参量/电量电量转换元件转换元件导线导线导线导线非电物理量非电物理量被测量被测量被测对象被测对象/光调制器光调制器电参量电

3、参量/电量电量导线导线被测介质、被测介质、空气或光导纤维空气或光导纤维光信号光信号传统电测传感器：传统电测传感器：光电式传感器：光电式传感器：光电器件光电器件各种实现各种实现机机-电电转换传感器转换传感器各种实现各种实现光光-电电转换传感器转换传感器2023/2/283概概 述述&调制调制(modulation)：使一个信号（载波）的某些参数在另一：使一个信号（载波）的某些参数在另一信号（调制信号）的控制下发生变化的过程，称为调制。信号（调制信号）的控制下发生变化的过程，称为调制。光调制光调制：使载波光波的参数随外加信号变化而变化的过程。：使载波光波的参数随外加信号变化而变化的过程。光调试过程

4、就是将一携带信息的信号叠加在载波光波上，完光调试过程就是将一携带信息的信号叠加在载波光波上，完成这一过程的器件叫做成这一过程的器件叫做调制器调制器。&解调解调(demodulation)：从已调制波中恢复出调制信号的过程，：从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解调。称为解调。光的解调光的解调：将载波光携带的信号转换的强度变化，然后由：将载波光携带的信号转换的强度变化，然后由光电探测器进行检测。光的解调过程通常是将载波光携带的光电探测器进行检测。光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成信号转换成光强度变化光强度变化，然后由光电器件进行检测。，然后由光电器件进行检测。&光调制技术包括光强度调制

5、、光频率或波长调制、光相位调光调制技术包括光强度调制、光频率或波长调制、光相位调制和光偏振态调制。其中光强度调制是最常用的调制技术。制和光偏振态调制。其中光强度调制是最常用的调制技术。2023/2/284&光电式传感器的一般主要包括光源、光通路、光电光电式传感器的一般主要包括光源、光通路、光电器件和测量电路四个部分。器件和测量电路四个部分。光电传感器的组成光电传感器的组成光电传感器的组成光电传感器的组成测量电路测量电路光源光源光通路光通路光电器件光电器件被测量被测量x1被测量被测量x2光量光量电参量电参量或电量或电量光量光量电量输出电量输出图图3.67 光电式传感器的组成光电式传感器的组成被测

6、体或被测体或人造光源人造光源各种光调制器各种光调制器实现光实现光-电电转换器件转换器件对光电器件输出对光电器件输出的电信号进行的电信号进行放大或转换，放大或转换，2023/2/285&光是电磁波谱中的一员，不同波长光的分布如图光是电磁波谱中的一员，不同波长光的分布如图3.693.69所示。其中光电式传感器主要使用的光的波长所示。其中光电式传感器主要使用的光的波长范围处在紫外至红外之间的区域，一般为可见光和范围处在紫外至红外之间的区域，一般为可见光和近红外光。近红外光。&工程检测中的光源，可以由各种发光器件产生产生，工程检测中的光源，可以由各种发光器件产生产生，也可以是物体的辐射光。利用物体在不

7、同温度下的也可以是物体的辐射光。利用物体在不同温度下的辐射光的强度和频谱特性不同进行测温的方法，称辐射光的强度和频谱特性不同进行测温的方法，称为辐射测温法。为辐射测温法。&工程上常见的是人造光源，人造光源按其工作原理工程上常见的是人造光源，人造光源按其工作原理不同，可分为热辐射光源、气体放电光源、电致发不同，可分为热辐射光源、气体放电光源、电致发光光源和激光光源。光光源和激光光源。光光 源源2023/2/2861.1.热辐射光源热辐射光源利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源称为热辐射光源。利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源称为热辐射光源。物体升温越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就

8、越物体升温越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。例如钨丝白炽灯和卤钨灯。短。例如钨丝白炽灯和卤钨灯。特点特点：光谱线较丰富，包含可见光与红外光；发光效率低；光谱线较丰富，包含可见光与红外光；发光效率低；发热大；寿命短；易碎，电压高，使用有一定的危险。发热大；寿命短；易碎，电压高，使用有一定的危险。2.2.气体放电光源气体放电光源气体放电光源是通过气体分子受激发后，产生放电而发光的。气体放电光源是通过气体分子受激发后，产生放电而发光的。电流通过置于气体中的两个电极时，两电极之间会放电发光，电流通过置于气体中的两个电极时，两电极之间会放电发光，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。气体

9、放电光源利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电光源目前常用的有碳弧、低压水银弧、钠弧、氙弧灯等。目前常用的有碳弧、低压水银弧、钠弧、氙弧灯等。气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关，改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，有关，改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。特点特点：效率高，省电，功率大；含有丰富的紫外线和频谱；：效率高，省电，功率大；含有丰富的紫外线和频谱；容易污染环境，玻璃易碎，发光调制频率较低。容易污染环境，玻璃

10、易碎，发光调制频率较低。光光 源源2023/2/2873.3.电致发光光源电致发光光源固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。如发光二极管、半导体它是将电能直接转换成光能的过程。如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。激光器和电致发光屏等。特点特点：体积小，属固体光源，耐振动；无辐射，无污染；功体积小，属固体光源，耐振动；无辐射，无污染；功耗低；寿命长；响应快；供电电压低；成本低。耗低；寿命长；响应快；供电电压低；成本低。4.4.激光光源激光光源某些物质的分子、原子、离子在特定频率的光子激发下，高

11、某些物质的分子、原子、离子在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子的光子(受激发射受激发射)。具有光的受激辐射放大功能的器件称为。具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。如各种固体激光器、气体激光器、半导体激光器、激光器。如各种固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器等。液体激光器等。特点特点：激光是频率单纯、能量高度集中的光，激光具有单色激光是频率单纯、能量高度集中的光，激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等特点。性好、方向性强、亮度高、相干性好等特点。光光 源源2023/2/2

12、88&光电器件的作用是将光信号转变为电信号。光电器光电器件的作用是将光信号转变为电信号。光电器件的基于光电效应工作的。件的基于光电效应工作的。1.光电效应及其典型器件光电效应及其典型器件所谓光电效应是指物体吸收了光能后产生的电效所谓光电效应是指物体吸收了光能后产生的电效应。应。光电器件光电器件光电效应光电效应外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应2023/2/2891.光电效应及其典型器件光电效应及其典型器件(1)外光电效应及器件外光电效应及器件基于外光电效应的光电器件有基于外光电效应的光电器件有光电管光电管和和光电倍增管光电倍增管。光电管光电管光

13、电器件光电器件光电倍增管光电倍增管(2)内光电效应及器件内光电效应及器件在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应成使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应成为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分为两种：为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应。2023/2/28101.光电效应及其典型器件光电效应及其典型器件(2)内光电效应及器件内光电效应及器件光电导效应及器件光电导效应及器件这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应这种光照后电阻率变化的

14、现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管光敏电阻、光敏二极管和和光光敏三极管敏三极管。a.光敏电阻光敏电阻光电器件光电器件b.光敏二极管（反向偏置光敏二极管（反向偏置PN结）结）c.光敏三极管光敏三极管2023/2/28111.光电效应及其典型器件光电效应及其典型器件(2)内光电效应及器件内光电效应及器件光生伏特效应及器件光生伏特效应及器件光生伏特效应是光照引起光生伏特效应是光照引起PN结（正向偏置）两端产生结（正向偏置）两端产生电动势的效应。电动势的效应。基于这种效应的光电器件是基于这种效应的光电器件是光电池光电池。光电池是自发电式。光电池是自

15、发电式有源器件，属于能量转换型、电压输出型传感器。有源器件，属于能量转换型、电压输出型传感器。光电器件光电器件PN结电场结电场光生电子光生电子-空穴对空穴对图图3.75 PN PN结光生伏特效应原理图结光生伏特效应原理图2023/2/2812照度/lx0200040000.10.20.30.20.40.6光光生生电电压压/V光光生生电电流流/mA硅光电池的光照特性硅光电池的光照特性1.光电效应及其典型器件光电效应及其典型器件(2)内光电效应及器件内光电效应及器件光生伏特效应及器件光生伏特效应及器件光电池与外电路的两种连接方式：光电池与外电路的两种连接方式：a.a.开路电压输出：开路电压输出：光

16、电器件光电器件开路电压与光照度之间呈非线性关系，灵敏度高，宜开路电压与光照度之间呈非线性关系，灵敏度高，宜作开关元件。作开关元件。短路电流短路电流开路电压开路电压短路电流大小与光照成短路电流大小与光照成正比，可作线性检测元正比，可作线性检测元件使用。件使用。b.b.短路电流输出：短路电流输出：2023/2/2813总结总结：光电效应分类及其典型器件光电效应分类及其典型器件2023/2/28142.光电器件的性能参数光电器件的性能参数(1)光照特性光照特性光照特性是光电器件灵敏度的表征，它反映了光电器光照特性是光电器件灵敏度的表征，它反映了光电器件输入光量与输出光电流件输入光量与输出光电流(光电

17、压光电压)之间的关系。之间的关系。光照特性常用光照特性常用响应率响应率（Response rate）R来描述：来描述：光电器件光电器件2023/2/28152.光电器件的性能参数光电器件的性能参数(2)光谱特性光谱特性光电器件光谱特性是指相对灵敏度光电器件光谱特性是指相对灵敏度K与入射光波长与入射光波长之间的关系，之间的关系，又称为光谱响应。又称为光谱响应。(3)响应时间响应时间光电器件的响应时间反映它的动态特性。时间响应小，表示动光电器件的响应时间反映它的动态特性。时间响应小，表示动态特性好。对于采用调制光的光电传感器，调制频率上限受响态特性好。对于采用调制光的光电传感器，调制频率上限受响应

18、时间的限制。应时间的限制。(4)峰值探测率峰值探测率峰值探测率是表征光电器件噪声水平的性能参数。峰值探测率是表征光电器件噪声水平的性能参数。光电器件光电器件探测器件的性能常用峰值探测探测器件的性能常用峰值探测率率D D*表征，表征，D D*值大，噪声等效值大，噪声等效功率小，光电器件性能好。功率小，光电器件性能好。2023/2/28162.光电器件的性能参数光电器件的性能参数(5)温度特性温度特性温度变化不仅影响光电器件的灵敏度，同时对光谱特性也有很温度变化不仅影响光电器件的灵敏度，同时对光谱特性也有很大影响。在室温条件下工作的光电器件由于灵敏度随温度而变，大影响。在室温条件下工作的光电器件由

19、于灵敏度随温度而变，因此高精度检测时有必要进行温度补偿或使它在恒温条件下工因此高精度检测时有必要进行温度补偿或使它在恒温条件下工作。作。(6)伏安特性伏安特性在一定光照下，对光电器件所加端电压与光电流之间的关系为在一定光照下，对光电器件所加端电压与光电流之间的关系为伏安特性。伏安特性。光电器件光电器件2023/2/2817&光电传感器是非接触式测量，根据输出量的性质可以将光电光电传感器是非接触式测量，根据输出量的性质可以将光电传感器分成模拟式和脉冲式两大类。传感器分成模拟式和脉冲式两大类。1.1.模拟式光电传感器模拟式光电传感器(a)(a)吸收式；吸收式；(b)(b)反射式；反射式；(c)(c

20、)遮光式；遮光式；(d)(d)辐射式辐射式光电传感器及其应用光电传感器及其应用光电传感器及其应用光电传感器及其应用(c)光电器件光电器件光源光源工件光源光源(b)光电器件光电器件工件光电器件光电器件被测物被测物(d)图图3.80 模拟式光电传感器应用示例模拟式光电传感器应用示例光源光源烟筒烟筒(a)光电器件光电器件2023/2/28182.2.脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器利用光电器件受光照的脉冲式光电传感器利用光电器件受光照的“有有”、“无无”的两种不同状态，经适当的调理电路输出的两种不同状态，经适当的调理电路输出“通通”、“断断”的开关信号。即将被测量转换成断续变化的开关

21、信的开关信号。即将被测量转换成断续变化的开关信号，又称为开关式光电传感器。号，又称为开关式光电传感器。光电传感器及其应用光电传感器及其应用光电传感器及其应用光电传感器及其应用2023/2/28191.1.位置敏感器件位置敏感器件光位置敏感器件是利用光线检测位置的光敏器件。当光光位置敏感器件是利用光线检测位置的光敏器件。当光照射到硅光电二极管的某一位置时，则光电流照射到硅光电二极管的某一位置时，则光电流I1/I2=R2/R1=x2/x1，故只要测出，故只要测出I1和和I2便可求得光照射的位便可求得光照射的位置。置。新型光电器件新型光电器件(a)原理原理(b)结构结构图图3.83 光平面位置检测器

22、光平面位置检测器图图3.82 光位置敏感器件原理图光位置敏感器件原理图x1x212R2R1 I1I2PN2023/2/28202.2.固态图像传感器固态图像传感器图像传感器是电荷转移器件与光敏阵列元件集为一体构图像传感器是电荷转移器件与光敏阵列元件集为一体构成的，具有自扫描功能的摄像器件。成的，具有自扫描功能的摄像器件。图像传感器图像传感器从功能上说从功能上说，它是一个能把受光面的光像分，它是一个能把受光面的光像分成许多小单元成许多小单元(称为像元称为像元)，并将它们转换成电信号，然，并将它们转换成电信号，然后顺序地输送出去的器件。后顺序地输送出去的器件。从构造上说从构造上说，图像传感器是一种

23、小型固态集成元件，其，图像传感器是一种小型固态集成元件，其核心是核心是电荷转移器件电荷转移器件(Charge Transfer Device，CTD)，其中最常用的是电荷耦合器件其中最常用的是电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)。CCD由阵列式排列在衬底上的金属由阵列式排列在衬底上的金属-氧化物氧化物-硅硅(Metal Oxide Semi-Conductor，简称，简称MOS)电容器组成，电容器组成，它具有它具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。新型光电器件新型光电器件2023/2/28212.2.固态图像传感器固态图像传感器典型一维

24、图像传感器由一列光敏单元和一列典型一维图像传感器由一列光敏单元和一列CCD(CCD(电荷转电荷转移器件移器件)并行构成。并行构成。新型光电器件新型光电器件光敏元与光敏元与CCD之间有一转移控制栅，其中之间有一转移控制栅，其中CCD作为读出移位寄存器。在光照作为读出移位寄存器。在光照射下，光生少数载流子在光敏元（射下，光生少数载流子在光敏元（MOS电容）中积蓄。每个单元所积蓄的电荷量与电容）中积蓄。每个单元所积蓄的电荷量与该单元所接受到的光照度、电荷积蓄时间成正比。在光敏元接受光照一定时间之后，该单元所接受到的光照度、电荷积蓄时间成正比。在光敏元接受光照一定时间之后，转移控制栅打开，各光敏元所积

25、蓄的电荷就并行地转移到转移控制栅打开，各光敏元所积蓄的电荷就并行地转移到CCD读出移位寄存器上，读出移位寄存器上，随后控制栅关闭，光敏元立即开始下一次的光电荷积蓄。与此同时，上一次的一串随后控制栅关闭，光敏元立即开始下一次的光电荷积蓄。与此同时，上一次的一串电荷信号沿移位寄存器顺序地转移并在输出端串行输出。电荷信号沿移位寄存器顺序地转移并在输出端串行输出。光敏元光敏元CCD转移控制栅转移控制栅2023/2/28222.2.固态图像传感器固态图像传感器每个光敏元的光电荷量不仅含有光照度信息，而且还含每个光敏元的光电荷量不仅含有光照度信息，而且还含有该单元位置的信息。因此，这种光敏元同时实现了光有

26、该单元位置的信息。因此，这种光敏元同时实现了光照度和位置的测量功能。照度和位置的测量功能。CCD图像传感器按其像素的空间排列可分为两大类：图像传感器按其像素的空间排列可分为两大类：(1)线性线性CCD。主要用于以为尺寸的自动检测，如测量。主要用于以为尺寸的自动检测，如测量精确的位移量、空间尺寸等，也可以由线阵精确的位移量、空间尺寸等，也可以由线阵CCD通通过附加的机械扫描，得到二维图像，用以实现字符、过附加的机械扫描，得到二维图像，用以实现字符、图像的识别。图像的识别。(2)面阵面阵CCD。主要用于实时摄像，如生产线上工件的。主要用于实时摄像，如生产线上工件的装配控制、可视电话以及空间遥感遥测

27、，航空摄影等。装配控制、可视电话以及空间遥感遥测，航空摄影等。新型光电器件新型光电器件2023/2/28233.3.半导体色敏器件半导体色敏器件半导体色敏器件是基于半导体的半导体色敏器件是基于半导体的内光电效应内光电效应，将光信号，将光信号转变为电信号的光辐射探测器件转变为电信号的光辐射探测器件。半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波段内段内单色辐射的波长单色辐射的波长。结构及工作原理结构及工作原理结构及工作原理结构及工作原理：新型光电器件新型光电器件(1)结构：半导体色敏器件相结构：半导体色敏器件相当于两只结深不同的光电当于两只结深不

28、同的光电二极管的组合，故又称双二极管的组合，故又称双结光电二极管结光电二极管。2023/2/28243.3.半导体色敏器件半导体色敏器件结构及工作原理结构及工作原理结构及工作原理结构及工作原理：(2)工作原理：工作原理：新型光电器件新型光电器件将两只结深不同的光电二极管组合，利将两只结深不同的光电二极管组合，利用浅的用浅的P-N结有较好的蓝紫光灵敏度，深的结有较好的蓝紫光灵敏度，深的P-N结有利于红外灵敏度的提高的特性，通结有利于红外灵敏度的提高的特性，通过测定在不同波长的光照射下，该器件中两过测定在不同波长的光照射下，该器件中两只光电二极管的短路电流的比值只光电二极管的短路电流的比值ISD2/ISD1，ISD1是浅结二极管的短路电流，它在短波区是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大；较大；ISD2是深结二极管的短路电流，它在是深结二极管的短路电流，它在长波区较大。因而利用短路电流比值与单色长波区较大。因而利用短路电流比值与单色光波长的关系，即可确定该单色光的波长。光波长的关系，即可确定该单色光的波长。光电二极管光谱特性曲线光电二极管光谱特性曲线CS-1CS-1半导体色敏器件半导体色敏器件短路电流比波长特性短路电流比波长特性2023/2/2825