光电式传感器与光纤传感器.ppt

第7章 光电式传感器和光纤传感器 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。 7.1 光电效应和光电器件 光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。 一、外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。 基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。 我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。 二、内光电效应 受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。 1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。 2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。 2. 光敏电阻的工作原理 光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 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。 无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。 2) 光照特性（I～E） 光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中。 5.光敏电阻的应用 1.光照度计 农作物日照时数测定。 输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。1天查询720次。 无光照V0=VL 。有光照V0=VH。 2.光敏二极管的基本特性 1）光谱特性 在入射度一定时，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感，这就是它的光谱特性。如图所示。 3.光敏二极管的应用 1）光电路灯控制电路 2.光敏三极管的基本特性 1）光谱特性与伏安特性 光谱特性与二极管相同，伏安特性如图。 2）温度特性与光照特性 温度特性与光敏二极管相同，光照特性如图 3.光敏三极管的应用 1.脉冲编码器 7.2 CCD图像传感器 固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合器件（简称CCD）、MOS图像传感器（简称SSPA）和电荷注入器件（简称CID）。 目前，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。 在本节中仅说明CCD图像传感器的工作原理与特性 2.面阵型CCD图像传感器 面阵型CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输三种。下面主要介绍前两种。 1）行传输（LT）面阵CCD 三. CCD图像传感器的特性参数 1.转移效率 当CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷，则转移效率定义为 2.分辨率 CCD图象传感器的分辨率用调制转移函数MTF表征。当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化为调制转移函数MTF。 根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0的一半，即 3.暗电流 暗电流起因于热激发产生的电子－空穴对，是缺陷产生的主要原因。CCD器件暗电流越小越好。 4.灵敏度 图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，即 7.3 光纤传感器 光纤传感优点： 灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。 应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。 7.3 光纤传感器 7.3.1 光导纤维的结构和导光原理 7.3.2 光导纤维的主要参数 7.3.3 光纤传感器结构原理 7.3.4 光纤传感器的分类 7.3.5 光纤传感器的特点 7.3.6 光纤传感器的应用 7.3.1 光导纤维的结构和导光原理 圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率 斯乃尔定理 光纤导光 7.3.2