《ly光学传感器》PPT课件

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1、光电式传感器的物理基础是光电效应。光电式传感器的物理基础是光电效应。（1）外光电效应）外光电效应 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。（2 2）内光电效应）内光电效应 当光照射在物体上，使物体的当光照射在物体上，使物体的电阻率电阻率发生变化，发生变化，或产生或产生光生电动势光生电动势的效应。的效应。第第9 9章章 光学传感器光学传感器光电传感器光电传感器 光电池光电池光敏三极管光敏三极管光电倍增管光电倍增管光电管光电管光敏二极管光敏二极管光敏电阻光敏电阻1.1.光电管光电管 光电管工作电路光电管工作电路真空光电管结构真空光电管结构阴极阴极阳极阳极玻璃

2、管玻璃管RL输出电压输出电压光电管光电管阳极阳极阴阴极极EIp2.2.光电倍增管光电倍增管入入射射光光3.3.光敏电阻光敏电阻R RG GR RL LE EI I光敏电阻工作电路光敏电阻工作电路RLmAVPN光照内E4.4.光电池光电池有光线作用下，光电池有光线作用下，光电池实质上就是电源。实质上就是电源。光敏二极管的基本结构也是一个光敏二极管的基本结构也是一个PNPN结，它装在透明结，它装在透明玻璃外壳中，其玻璃外壳中，其PNPN结装在管顶，可直接受到光照射。结装在管顶，可直接受到光照射。P PN N光光光敏二极管符号光敏二极管符号5.5.光敏二极管光敏二极管（1 1）结构）结构光敏二极管在

3、电路中一般是处于光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。反向工作状态。RL 光光PN光敏二极管接线光敏二极管接线 无光照时，光敏二极管处于截止无光照时，光敏二极管处于截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。状态，反向电阻很大，反向电流很小。外加的反向工作电压使光敏二极外加的反向工作电压使光敏二极管的管的PNPN结空间电荷区增宽，电路中只结空间电荷区增宽，电路中只有很小的反向漏电流，称暗电流。有很小的反向漏电流，称暗电流。暗电流主要是由暗电流主要是由PNPN结中少数载流子的运动构成。结中少数载流子的运动构成。（2 2）工作原理：）工作原理：RL 光光PN光敏二极管接线光敏二极管接线 当光照时，光

4、敏二极管处于导通状态。当光照时，光敏二极管处于导通状态。光子打在光子打在PNPN结附近，使结附近，使PNPN结空间结空间电荷区产生电子电荷区产生电子-空穴对，在外电场空穴对，在外电场的作用下，与的作用下，与P P区和区和N N区的少数载流子区的少数载流子作定向运动，空穴移向作定向运动，空穴移向P P区，电子移区，电子移向向N N区，这就形成了光电流。区，这就形成了光电流。当光照射当光照射PNPN结时，在反向电压的作用下，其反向电流结时，在反向电压的作用下，其反向电流随光照强度变化而变化，实现将光信号转换成电信号。随光照强度变化而变化，实现将光信号转换成电信号。光敏二极管接线光敏二极管接线 RL

5、 光光PN 为了减少暗电流的影响，有些为了减少暗电流的影响，有些光敏二极管在制作光敏二极管在制作PNPN结的同时，还结的同时，还做出一个环形的扩散层，引出的电做出一个环形的扩散层，引出的电极称为环极。极称为环极。环极的电位高于负极，反向漏环极的电位高于负极，反向漏电流直接从环极流过，而不再经过电流直接从环极流过，而不再经过负极，从而可减少负极与正极间的负极，从而可减少负极与正极间的暗电流。暗电流。正极正极环极环极负极负极光敏二极管符号光敏二极管符号 （3 3）基本应用电路）基本应用电路+ERFR1R2RLCUO+-+ERFR2RLUO+-(a)(b)硅光电二极管实用电路硅光电二极管实用电路光电

6、转速传感器光电转速传感器光电器件多采用光电池、光敏二极管和光敏三极管。光电器件多采用光电池、光敏二极管和光敏三极管。光敏三极管有光敏三极管有PNPPNP型和型和NPNNPN型两种。其结构与一般三极型两种。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益管很相似，具有电流增益,只是它的集电结面积较大只是它的集电结面积较大,以扩以扩大光的照射面积大光的照射面积,且其基极不接引线。且其基极不接引线。NNPe bcPPN bec6.6.光敏三极管光敏三极管光敏三极管的符号图光敏三极管的符号图 当光线照射在集电结的基区时当光线照射在集电结的基区时,会产生电子会产生电子-空穴对空穴对,光生电子被拉光生电子被拉到集电

7、极到集电极,基区留下空穴基区留下空穴,使基极与使基极与发射极间的电压升高发射极间的电压升高,这样便有大量这样便有大量的电子流向集电极的电子流向集电极,形成输出电流形成输出电流,且集电极电流为光电流的且集电极电流为光电流的倍。倍。RL E基本工作电路基本工作电路 当集电极加上正电压当集电极加上正电压,基极开路时基极开路时,集电极处于反集电极处于反向偏置状态。向偏置状态。光敏三极管是兼有光敏二极管特性的器件，它在把光敏三极管是兼有光敏二极管特性的器件，它在把光信号变为电信号的同时，又将信号电流放大。光信号变为电信号的同时，又将信号电流放大。光敏三极管的主要特性：光敏三极管的主要特性：光电灵敏度与光

8、波长间的关系。光电灵敏度与光波长间的关系。光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。（1 1）光谱特性）光谱特性相对灵敏度相对灵敏度/%/%硅硅锗锗入射光入射光/40008000120001600010080604020 0光敏晶体管的光谱特性光敏晶体管的光谱特性光敏晶体管的伏安特性光敏晶体管的伏安特性（2 2）伏安特性）伏安特性在一定照度下，光电流与外加电压之间的关系。在一定照度下，光电流与外加电压之间的关系。20200 0500lx500lx1000lx1000lx1500lx1500lx2000lx2000lx2500lx2500lxI I/mA/m

9、A2 24 46 6404060608080U U/V/V光敏晶体管的光照特性光敏晶体管的光照特性I I/A/AL/L/lxlx200200400400600600800800100010000 01.01.02.02.03.03.0（3 3）光照特性）光照特性光敏三极管的输出电流光敏三极管的输出电流 I I 和照度之间的关系。和照度之间的关系。光敏晶体管的温度特性光敏晶体管的温度特性光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。（4 4）温度特性）温度特性暗电流暗电流/mA/mA10 10 2020 3030 4040 5050 6060 7070T T/C

10、/C2525 0 05050光电流光电流/mA/mA100100 0 02002003003004004001010 2020 3030 4040 5050 6060 7070 8080T T/C/C 光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。载电阻可以提高频率响应。0 0100100100010005005005000500010000100002020404060601001008080R RL L=1k=1kR RL L=10k=10kR RL L=100k=100k入射光调制频率入射光调制频率 /H/HZ Z相相对对

11、灵灵敏敏度度/%/%光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性（5 5）频率特性）频率特性透射型指套式光电传感器透射型指套式光电传感器工作原理：发光二极管发出的光透射过手指，被手指组织工作原理：发光二极管发出的光透射过手指，被手指组织的血液吸收和衰减，然后由光敏三极管接收。的血液吸收和衰减，然后由光敏三极管接收。光电效应光电效应内光电效应内光电效应外光电效应外光电效应 光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管光生伏特效应光生伏特效应 光电池、光电池、光敏二极管光敏二极管、光敏三极管光敏三极管光光量量电电量量光电导效应光电导效应 光敏电阻光敏电阻光电式传感器光电式传感器20092009年诺贝尔物理学奖

12、获得者年诺贝尔物理学奖获得者 博伊尔和史密斯发明了博伊尔和史密斯发明了CCD图像传感器。图像传感器。高锟在高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面学通信方面”取得了突破性成就。取得了突破性成就。第二节第二节 光纤传感器光纤传感器 光纤传感器是利用光在光纤传感器是利用光在光纤光纤中传导，引起光中传导，引起光的特性发生变化的一类传感器。的特性发生变化的一类传感器。光纤（光纤（optical fiberoptical fiber）是光导纤维的简称。）是光导纤维的简称。它是利用光的全反射原理，高效率地传输光能的它是利用光的全反射原理，高效率地传输光能的玻璃或塑料纤维。

13、玻璃或塑料纤维。一、光纤结构一、光纤结构覆盖层覆盖层纤芯纤芯入射光入射光光纤的结构光纤的结构光纤由纤维芯和覆盖层组成。光纤由纤维芯和覆盖层组成。光纤的直径多为光纤的直径多为1010200m,200m,长度因用途而长度因用途而异。纤维芯的材料一般多为多成分玻璃或透明异。纤维芯的材料一般多为多成分玻璃或透明塑料，覆盖层选用折射率低的玻璃或其它材料。塑料，覆盖层选用折射率低的玻璃或其它材料。二、光纤的传光原理二、光纤的传光原理光纤导光示意图光纤导光示意图0n2n1n入射介质、纤芯、覆盖层折射率分别为入射介质、纤芯、覆盖层折射率分别为、为使光线不射出纤维芯，而有效地向前传输，应符合为使光线不射出纤维芯

14、，而有效地向前传输，应符合什么条件？什么条件？1n2n0n0 1 2 3 ABCEDKOOF 为使光线不射出纤维芯，而有效地向前传输，应符合为使光线不射出纤维芯，而有效地向前传输，应符合全反射条件全反射条件:32 1n2n0n0 1 2 3 ABCEDKOOF1223n sinnsin 2c1nsinn 2231sinnsinn 在纤维和覆盖层的界面上有：在纤维和覆盖层的界面上有：临界入射角临界入射角 在纤维内，射向覆盖层的入射角大于临界角的光线，在纤维内，射向覆盖层的入射角大于临界角的光线，全部在内部反射后继续前行。入射光线应满足何要求？全部在内部反射后继续前行。入射光线应满足何要求？223

15、1sinnsinn 2c1nsinn 32 1n2n0n0 1 2 3 ABCEDKOOF0011n sinn sin 1010nsinsinn 10202112200nsinsinn2nncos1sinnn 2c 2c1nsinn 2221212010nn11nnnnn 1n2n0n0 1 2 3 ABCEDKOOF1.1.数值孔径数值孔径三、光纤的主要参数三、光纤的主要参数222100n-nn1sinNA 数值孔径反映了光纤对入射光的接收能力，数值孔径反映了光纤对入射光的接收能力，NA越大，说明光纤能使光线全反射的入射角范围越大，越大，说明光纤能使光线全反射的入射角范围越大，则接收能力越强

16、。则接收能力越强。2.2.传输损耗传输损耗损耗原因：损耗原因：纤维芯的吸收、散射及光纤弯曲处纤维芯的吸收、散射及光纤弯曲处的辐射损耗等。的辐射损耗等。0lg10IIA传播损耗（单位为传播损耗（单位为dBdB）I I0 0入射光强；入射光强；I I距光纤入射端距光纤入射端1Km1Km处的光强。处的光强。四、光纤传感器的分类四、光纤传感器的分类功能型功能型非功能型非功能型1.1.光纤压力传感器光纤压力传感器五、光纤传感器及其在医学上的应用五、光纤传感器及其在医学上的应用光导纤维导管端血压传感器结构示意图光导纤维导管端血压传感器结构示意图1 1 导光纤维导光纤维2 2 膜片膜片3 3 导管导管4 4

17、 保护罩保护罩5 5 环氧树脂密封接点环氧树脂密封接点2.2.光纤温度传感器光纤温度传感器 纤维芯为纤维芯为SiOSiO2 2材料，覆盖层为硅酮树脂，构成传感材料，覆盖层为硅酮树脂，构成传感器时将光纤的覆盖层去掉，用对温度依赖性大的甘油等器时将光纤的覆盖层去掉，用对温度依赖性大的甘油等液体形成液态覆盖层。温度变化引起覆盖层折射率改变，液体形成液态覆盖层。温度变化引起覆盖层折射率改变，从而引起反射光量变化，即可达到测温的目的。从而引起反射光量变化，即可达到测温的目的。第三节第三节 CCD 传感器传感器CCD(charge coupled devices)：电荷耦合器件：电荷耦合器件 CCD器件的

18、基本功能是将动态的光学信号转器件的基本功能是将动态的光学信号转换成电信号，是一种新型光电转换器件，它能存换成电信号，是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向内作定向传输而实现自扫描。传输而实现自扫描。主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。SiP型123nnS二极管输入S二极管输出nn耗尽区）（nmSiO 1202电极金属Alt1230t1t2t3t4tt=t0SiP型1P2P1P2P3P3PP1P2P3

19、P1P2P3t=t1SiP型1P2P1P2P3P3P1tt P1P2P3P1P2P3t=t2SiP型1P2P1P2P3P3P2tt P1P2P3P1P2P3t=t3SiP型1P2P1P2P3P3P3tt P1P2P3P1P2P3二、二、CCD器件器件的分类的分类1.1.线阵是把线阵是把CCD像素排成像素排成1 1直线的器件。直线的器件。）光积分单元（感光单元不透光的电荷转移机构输出转移栅光积分区不透光的电荷转移机构输出转移栅不透光的电荷转移机构2.2.面阵是把面阵是把CCD像素排成像素排成1 1个平面的器件个平面的器件三、三、CCD器件的应用器件的应用主要用于各种摄像设备中。主要用于各种摄像设备中。小小 结：结：光电式传感器光电式传感器光纤传感器光纤传感器CCD传感器传感器（重点）（重点）（了解）（了解）（了解）（了解）光光学学传传感感器器Thanks