光电式传感器董春利精选.ppt

传感器与检测技术 董春利 主编 潘洪坤 执笔 大连职业技术学院电气电子工程系 2008年3月 第八章 光电式传感器技术 8.1 光电效应与光电传感器 8.2 光纤传感器 8.3 激光传感器 8.4 激光传感器 8.5 图像传感器 光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。 光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，它是构成光电式传感器最主要的部件。 光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可靠性，因此在自动检测、计算机和控制系统中，应用非常广泛 光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。 被测量的变化引起的光信号的变化可以是光源的变化、也可以是光学通路的变化、或者是光电元件的变化。 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。 第一节 光电效应与光电传感器 一、光电效应 1．光电效应原理 根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运动的“粒子流”，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为： E=h·υ 对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看做是一连串能量为hγ的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，我们把这种物体材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。 2．光电效应的分类 通常把光电效应分为三类： 外光电效应： 光照射于某一物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射。逸出来的电子称为光电子。 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管。 内光电效应： 光照射于某一物体上，使其导电能力发生变化，这种现象称为内光电效应，也称光电导效应。 基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。 光生伏特效应： 在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，即阻挡层光电效应， 基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。 3．光电效应的特性 光照特性：当光电元件上加上一定电压时，光电流I与光电元件上光照度E之间的对应关系 光谱特性：光敏元件上加上一定的电压，这时如有一单色光照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光电流会随入射光波长的不同而变化。 伏安特性：在一定照度下，光电流I与光敏元件两端电压V的对应关系，称为伏安特性。伏安特性可以帮助我们确定光敏元件的负载电阻，设计应用电路。 频率特性：在相同的电压和同样幅值的光照下，当入射光以不同频率的正弦频率调制时，光敏元件输出的光电流I和灵敏度S会随调制频率f而变化，称为频率特性。 温度特性：光电元件的温度特性是指其输出与温度的关系。部分光电元件输出受温度影响较大，应采取相应措施进行温度补偿。 响应时间：不同光敏器件的响应时间有所不同。光敏电阻较慢，约为（10-1~10-3）s，一般不能用于要求快速响应的场合。工业用的硅光敏二极管的响应时间为（10-5~10-7）s左右，光敏三极管的响应时间比二极管约慢一个数量级，在要求快速响应或入射光、调制光频率较高时应选用硅光敏二极管。 二、光电元件 1．光电管和光电倍增管 （1）光电管 1）光电管的结构(如图) 2）光电管的原理 光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，在入射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。 电流和电阻R0上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。即：UL=F（Φ） 3）光电管的性质 适用于不同的光谱范围 同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。 （2）光电倍增管 （3）光电管的特性 1）暗电流 光电管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。 暗电流的存在决定了光电管可测量光信号的最小值。所以要求其暗电流小并且稳定。 2）光谱响应特征 在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电管的绝对光谱响应率，表示为： 3）光电管的伏安特性 在一定照度下，光电流与光电管两端 电压的对应关系，称为伏安特性。 2．光敏电阻 光敏电阻是采用半导体材料制做，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。 （1）工作原理 光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。 敏度高