光电式传感器具体介绍.ppt

第7章 光电式传感器 将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。 光的基本性质 牛顿——微粒说 根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释 不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振 波动理论 惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波 7.1光电效应 光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应 光电效应包括外光电效应和内光电效应 一般地说，原子内部各个电子既绕着原子核做轨道运动，同时又做自旋运动，就像地球既绕着太阳公转，同时又自转那样。但是，原子内部的电子可以通过与外界交换能量而从一种运动状态改变为另一种运动状态。对于每一种运动状态来说，原子具有确定的内部能量值，对应为一个能级。同一种元素的原子，能级的情况是相同的。习惯将能量值大的能级称为高能级，能量值小的能级称为低能级，原子的最低能级称为基态。 处于高能级E2的原子是不稳定的，即使没有外界作用，也将自发地跃迁到低能级E1，发射一个频率为υ能量为hυ＝E2－El的光子，如下图所示。大量处于高能级的原子，它们各自独立地发射一列列频率相同的光波。 处于低能级E1的原子受到能量为hυ＝E2－El的光子作用时，吸收这一光子而跃迁到高能级E2的过程 。 处于高能级E2的原子，受能量为hυ＝E2－El的外来光子作用而跃迁到低能级E1，并发射一个与外来一样的光子。受激辐射的光与入射光具有相同的频率、位相、偏振方向和传播方向 。 7.2 外光电效应器件 基于外光电效应工作原理制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。 7.2.1 光电管 光电管的工作原理 当适当波长的入射光线穿过光窗照到光阴极上时，由于外光电效应，光电子就从极层内发射至真空。在外电场的作用下，光电子在极间作加速运动，最后被高电位的阳极接收，在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光阴极的灵敏度等因素。 7.2.2 光电倍增管 光电倍增管的结构： 光电倍增管由光阴极、次阴极(也叫倍增电极，俗称打拿极)以及阳极三部分组成，如图所示。 光电倍增管的工作原理： 光电倍增管有两种高压偏置方式：一种是阴极接地，阳极接一个高的正电压；另一种是阳极经过一个适当的负载电阻接地，而使阴极具有一个高的负电压。通常采用阳极接地的方法，如图7-7所示，其优点在于可直接将阳极连至一个直流放大测量系统或光子计数系统。 光电倍增管的倍增系数与工作电压的关系是光电倍增管的重要特性。随着工作电压的增加，倍增系数N相应增加，其输出电流也相应增加。 7.3 内光电效应器件 7.4.2 光电式传感器的应用设计实例 声光控延时开关 声光控延时开关是集声学、光学和延时技术为一体组成的自动照明开关，广泛用于楼道、建筑走廊、洗漱室、厕所、厂房、庭院等公共场所，是现代极理想的新颖绿色照明开关，并延长灯泡使用寿命。 实现了“人来灯亮，人去灯熄”，杜绝了长明灯，免去了在黑暗中寻找开关的麻烦，尤其是上下楼道带来不便。 该电路的声敏元件是驻极体话筒，若声敏元件采用压电式器件，则只需将电阻断开即可。 该电路通过修改可以用于路灯自动控制，在白天，由于光敏电阻的作用使得路灯（负载RL）不亮，而到了晚上，光敏电阻的阻值很大，路灯被点亮，由于有延时电路和，即使晚上有强烈的闪电，路灯也不会熄灭。该电路的具体修改方法是去除声控电路，即把的2脚与三极管的集电极断开，将1、2脚短接。同理，该电路还可以改为声控延时开关。 2. CCD电荷的转移 CCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底，氧化层均匀、连续，相邻金属电极间隔极小且相互绝缘，很好地保证了相邻势阱的耦合以及电荷的转移。 任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。 为了保证信号电荷按确定的方向和路线转移，在MOS光敏元阵列上所加的各路电压脉冲要求严格满足相位要求。 2 光纤的分类 1）. 按传输模式分类 光纤模式是指光波传播的途径和方式。对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。光纤按其传输模式分为单模光纤和多模光纤。 2）. 按折射率的变化分类 光纤按折射率的变化可分为阶跃型光纤和渐变型(梯度型)光纤。 3）. 按构成光纤的材料分类 从构成光纤的材料看，有石英玻璃光纤和塑料光纤两大类，从性能和可靠性考虑，当前大都采用玻璃光纤。 ③ 易燃易爆物的生产过程与设备的温度测量。光纤传感器在本质上是防火防爆器件，它不需要