传感器教程-光电式传感器精.ppt

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1、1第1页，本讲稿共40页9-1 光电基础知识光电基础知识n1半导体价带、导带、禁带半导体价带、导带、禁带n2-光电探测器原理光电探测器原理n二二 光源和频谱光源和频谱n三三 常用光源及特性常用光源及特性 2第2页，本讲稿共40页9.2光电效应光电效应n9.2.1外光电效应外光电效应在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应 3第3页，本讲稿共40页光电器件n1充气光电管充气光电管n2光电倍增管光电倍增管4第4页，本讲稿共40页3 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性n1。伏安特性 n2光照特性 n3光谱特性 n4频率特性 5第5页，本讲稿共40页6第6页，本讲稿共

2、40页9.2.2内光电效应内光电效应n内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应 n1光电导效应：光敏电阻光电导效应：光敏电阻n2光敏电阻在未受到光照射的阻光敏电阻在未受到光照射的阻值称为暗电阻，此时流过的电流值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流；称为暗电流；在受到光照射时的阻值称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。7第7页，本讲稿共40页8第8页，本讲稿共40页3、光敏电阻的基本特性n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。图 10.9硫化镉光敏电阻的伏安特性 9第9页，本讲稿共40页光照特性n指光敏电阻的光电流I和光

3、照强度之间的关系光敏电阻的光照特性 10第10页，本讲稿共40页光谱特性n光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系。即光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的光谱特性 11第11页，本讲稿共40页频率特性n光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示，对应着不同材料的频率特性。光敏电阻的频率特性 12第12页，本讲稿共40页温度特性n光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应、灵敏度和暗电阻。n硫化铅光敏电阻受温度影响更大。硫化铅光敏电阻的光谱温

4、度特性 13第13页，本讲稿共40页（2）光电池）光电池n光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。即电源。n工作原理：基于“光生伏特效应”。n光电池实质上是一个大面积的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。14第14页，本讲稿共40页光电池结构、符号光电池结构、符号15第15页，本讲稿共40页光电池种类光电池种类 n光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等n最受人们重视的

5、是硅光电池。因为它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统中n硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。16第16页，本讲稿共40页光电池基本特性n光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。硅光电池的光谱特性 17第17页，本讲稿共40页光照特性n光电池在不同光照度下，其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 硅光电池的光照特性 18第18页，本讲稿共40页频率特性19第19页，本讲稿共40页（3

6、）光敏二极管和光敏三极管）光敏二极管和光敏三极管20第20页，本讲稿共40页光敏二极管工作原理光敏二极管工作原理n光敏二极管的结构与一般二极管相似、光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。n在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，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。光的照度越大，光电流越大。n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。21第21页，本讲稿共40页光敏晶体管光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的

7、照射面积。大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。22第22页，本讲稿共40页NPN型光敏晶体管结构和基本电路 23第23页，本讲稿共40页光敏管的基本特性n光敏晶体管的光谱特性 24第24页，本讲稿共40页n伏安特性 25第25页，本讲稿共40页光照特性 26第26页，本讲稿共40页频率特性 27第27页，本讲稿共40页总结2

8、8第28页，本讲稿共40页9.4光纤传感器光纤传感器n光纤传感器的特点：极高的灵敏度和精度固有的安全性好抗电磁干扰高绝缘强度耐腐蚀集传感与传输于一体能与数字通信系统兼容等n光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70多个物理量的测量n在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面有广泛的应用前景。29第29页，本讲稿共40页1、光纤的结构30第30页，本讲稿共40页2、光纤的传光原理光纤的传光原理光全反射条件：31第31页，本讲稿共40页光纤模式光纤模式n光波在光纤中的传播途径和方式称为光纤模式。对于不同入射角的光

9、线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波间的干涉也是不同的，这就是传播模式不同。一般总希望光纤信号的模式数量要少，以减小信号畸变的可能。n单模光纤直径较小，只能传输一种模式。其优点是：信号畸变小、信息容量大、线性好、灵敏度高；缺点：纤芯较小，制造、连接、耦合较困难。n多模光纤直径较大，传输模式不只一种，其缺点是：性能较差。优点：纤芯面积较大，制造、连接、耦合容易。32第32页，本讲稿共40页光纤传感器的发展趋势 n 当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。n 集成化光纤传感器。n 多功能全光纤控制系统。n 充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。n 开辟新领域。

10、33第33页，本讲稿共40页光纤传感器的应用光纤传感器的应用n一一 光纤液位传感器光纤液位传感器n二二 热辐射光纤温度传感器热辐射光纤温度传感器n三三 光纤角速度传感器光纤角速度传感器(光纤陀螺光纤陀螺)n四四 光纤电流传感器光纤电流传感器 n五五 反射式位移传感器反射式位移传感器n34第34页，本讲稿共40页9.5光栅传感器光栅传感器n9.5.1 光栅的结构及工作原理光栅的结构及工作原理n 1.光栅结构光栅结构n 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。图中a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光），a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通

11、常a=b=W/2，也可刻成ab=1.10.9。目前常用的光栅每毫米刻成25、50、100、125、250条线条35第35页，本讲稿共40页36第36页，本讲稿共40页9.6.1 光栅的结构及工作原理光栅的结构及工作原理 1.光栅结构光栅结构 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。图中a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光），a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成ab=1.10.9。目前常用的光栅每毫米刻成25、50、100、125、250条线条。37第37页，本讲稿共40页光栅莫尔条纹的形式 2.光栅测量原理光

12、栅测量原理38第38页，本讲稿共40页 莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。(1)位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系为 越小，BH越大，这相当于把栅距W放大大了1/倍。例如=0.1，则1/573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。39第39页，本讲稿共40页 （2）莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向向向右右移移动动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向向上上移移动动；反之，当光栅1向向左左移移动动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向向下下移移动动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。(3)误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对对线线纹纹的的刻刻划划误误差差有有平平均均抵抵消消作作用用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。40第40页，本讲稿共40页