8光电式传感器学生课件

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1、2024/4/241第八章第八章光电式传感器光电式传感器内容：光电器件、光敏电阻内容：光电器件、光敏电阻CCD传感器传感器光纤传感器光纤传感器以光电器件作为转换元件的传感器以光电器件作为转换元件的传感器优点：响应快、性能稳、非接触优点：响应快、性能稳、非接触优点：响应快、性能稳、非接触优点：响应快、性能稳、非接触2024/4/242知识要点知识要点第八章第八章光电式传感器光电式传感器光电效应与光电器件光电效应与光电器件光电器件的光电器件的基本特性基本特性光电式传感器的光电式传感器的基本类型基本类型电荷耦合器件电荷耦合器件光纤传感器光纤传感器Photoelectric type 2024/4/2

2、43光电效应：光电效应：光电子发射效应光电子发射效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应三种类型：三种类型：发生在物体内部发生在物体内部发生在物体表面发生在物体表面半导体半导体金属金属一、一、光电器件光电器件物质受到光照会发生某些电学特性的变化，物质受到光照会发生某些电学特性的变化，这一现象称为光电效应。这一现象称为光电效应。photoelectric effect2024/4/244当物质受到光照射时，电子得到了足够的光能当物质受到光照射时，电子得到了足够的光能会从物质表面上会从物质表面上发射发射出来的现象，称为光电子发射。出来的现象，称为光电子发射。常见的光电器件：光电管和光电倍增

3、管常见的光电器件：光电管和光电倍增管光电子发射效应光电子发射效应(外光电效应外光电效应)当物质受到光的照射时，载流子的浓度增加，当物质受到光的照射时，载流子的浓度增加，导电率导电率增大的现象，称为光电导效应。增大的现象，称为光电导效应。常见的光电器件：光敏电阻常见的光电器件：光敏电阻光电导效应光电导效应(内光电效应内光电效应)2024/4/245当物质受到光的照射时，使物体上产生一定方当物质受到光的照射时，使物体上产生一定方向的向的电动势电动势的现象，称为光生伏特效应。的现象，称为光生伏特效应。常见的光电器件：光电池常见的光电器件：光电池光生伏特效应光生伏特效应(内光电效应内光电效应)1、光电

4、发射型器件、光电发射型器件非电量非电量转换转换光亮变化光亮变化光子光子光电光电器件器件光电效应光电效应电流电流（电子）（电子）+device 2024/4/246光电效应方程：光电效应方程：光是一粒一粒运动着的粒子流，即光子光是一粒一粒运动着的粒子流，即光子光是一粒一粒运动着的粒子流，即光子光是一粒一粒运动着的粒子流，即光子每个光子的能量为每个光子的能量为每个光子的能量为每个光子的能量为hfhf光子打在光电材料上，光子与电子进行能量交换光子打在光电材料上，光子与电子进行能量交换光子打在光电材料上，光子与电子进行能量交换光子打在光电材料上，光子与电子进行能量交换能量转换为：电子逸出功能量转换为：

5、电子逸出功能量转换为：电子逸出功能量转换为：电子逸出功+初始动能初始动能初始动能初始动能h普朗克常数普朗克常数hf光子的能量光子的能量f 光的频率光的频率m电子质量电子质量v电子初速度电子初速度A电子逸出功电子逸出功爱因斯坦假说爱因斯坦假说2024/4/247当入射光的频率当入射光的频率fEg(禁带宽度禁带宽度)，PN结内产生电子结内产生电子-空穴对，空穴对，PN结两端产生电动势，结两端产生电动势，直接将光能转变成电能。直接将光能转变成电能。光生电子光生电子-空穴对空穴对+P+PN -N -光电器件：光电器件：光电池光电池结电场光生电子-空穴对+-2024/4/2414二、光电器件的基本特性二

6、、光电器件的基本特性光通量光通量(lumen)1、光电特性、光电特性当光电器件电极上的电压一定时当光电器件电极上的电压一定时,光电流光电流I与光通量关系。与光通量关系。IF()2、光照特性、光照特性当光电器件电极上的电压一当光电器件电极上的电压一定时，光电流定时，光电流I与光照强度关系。与光照强度关系。IF(E)真空光电管光照特性真空光电管光照特性光电特性呈现线性关系光电特性呈现线性关系E照度照度照度照度(illuminance)是光源照射在是光源照射在被照物体单位面积上的光通量。被照物体单位面积上的光通量。计算公式计算公式:照度照度=光通量光通量/单位面积单位面积E=d/dA,1lx=1lm

7、/m2单位：勒克斯（单位：勒克斯（lx）照在照在1 1平方米平方米 物体被照亮的程度物体被照亮的程度指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。功率相等时，其光通量并不相等。Characteristics 2024/4/2415 光电倍增管光照特性光电倍增管光照特性灵敏度高，线性范围大灵敏度高，线性范围大光敏电阻光照

8、特性光敏电阻光照特性非线性非线性,作为开关元件作为开关元件光电式传感器光电式传感器2024/4/2416硅光电池光照特性硅光电池光照特性开路电压呈非线性开路电压呈非线性短路电流呈线性短路电流呈线性光敏二极管光照特性光敏二极管光照特性线性特性好，用于检测线性特性好，用于检测光电式传感器光电式传感器开路电压开路电压短路电流短路电流光生电流光生电压2024/4/2417光敏三极管光照特性光敏三极管光照特性线性特性好线性特性好用于弱光检测用于弱光检测3、光谱特性、光谱特性I=F()入射光波长入射光波长光电式传感器光电式传感器当光电器件在一定照度时，输出的光电当光电器件在一定照度时，输出的光电流流I与入

9、射光波长关系。与入射光波长关系。2024/4/2418真空管真空管光电倍增管光电倍增管光敏电阻光敏电阻硫化镉硫化铊硫化铅锑钾铯光电式传感器光电式传感器灵灵敏敏度度2024/4/2419硅光电池硅光电池光敏晶体管光敏晶体管硒硅硅锗n光谱特性与制造器件的材料、制造工艺有关光谱特性与制造器件的材料、制造工艺有关n不同材料对应不同的红线频率不同材料对应不同的红线频率n各种敏感材料对不同的波长灵敏度不一样各种敏感材料对不同的波长灵敏度不一样n每一种材料只对某一种波长的灵敏度最高每一种材料只对某一种波长的灵敏度最高2024/4/24204、伏安特性、伏安特性当光通量或照度一定，当光通量或照度一定，I=F（

10、U）用于选择光电元件的负载电阻，进行电路设计。用于选择光电元件的负载电阻，进行电路设计。光敏电阻光敏电阻真空管真空管光电倍增管光电倍增管2024/4/2421光电池光电池光敏晶体管光敏晶体管光电式传感器光电式传感器2024/4/2422I=F1（f）或或SF2（f）电压、光强幅值相同，入射光以不同正电压、光强幅值相同，入射光以不同正弦交变频率调制时弦交变频率调制时5、频率特性、频率特性S灵敏度灵敏度f光调制频率光调制频率真真空空管管硫化铅硫化铅硫化铊硫化铊光光敏敏电电阻阻2024/4/2423硅光电池硅光电池硒光电池硒光电池光光电电池池1k1k光光敏敏三三极极管管光电式传感器光电式传感器RL

11、外光电元件无惯性，响应快；光生伏特外光电元件无惯性，响应快；光生伏特元件响应较慢，内光电效应元件响应最慢。元件响应较慢，内光电效应元件响应最慢。2024/4/2424开路电压开路电压短路电流短路电流硅硅光光电电池池光光敏敏三三极极管管暗电流暗电流光电流光电流光敏电阻光敏电阻6、温度特性、温度特性温度变化对元件特性的影响温度变化对元件特性的影响2024/4/2425三、光电式传感器的基本组成和类型三、光电式传感器的基本组成和类型光源光源光学光学通路通路光电光电光电光电器件器件器件器件测量测量电路电路12IX1被测量被测量X2被测量被测量把光电器件输出电信号把光电器件输出电信号转换成电路的可用信号

12、转换成电路的可用信号1、基本组成、基本组成2024/4/24262、基本类型、基本类型（1）透射式透射式p0AA被测对象被测对象A所吸收的光通量所吸收的光通量P光敏元件所接收的光通量光敏元件所接收的光通量0光源发出一定的光通量光源发出一定的光通量I f(P)f(A)测量液体、气体和固体的透明度和混浊度测量液体、气体和固体的透明度和混浊度测量液体、气体和固体的透明度和混浊度测量液体、气体和固体的透明度和混浊度AA光敏光敏元件元件pI被测对象被测对象0光电式传感器光电式传感器transmissiontype 2024/4/2427(2)反射式反射式测量表面粗糙度测量表面粗糙度p0AA被测对象损失光

13、通量被测对象损失光通量(3)幅射式幅射式If(P)f(0)f(T)如光电高温计和炉子燃烧监视装置如光电高温计和炉子燃烧监视装置p0光电式传感器光电式传感器reflection typeradiationtype 2024/4/2428(4)遮挡式遮挡式If（P）f（A）光敏光敏元件元件(5)开关式开关式光路光路“通通”与与“不通不通”用于开关，计数，编码等。用于开关，计数，编码等。光电式传感器光电式传感器shielding typeswitchingtype 2024/4/2429四、电荷耦合器件四、电荷耦合器件优点：优点：n寿命长：寿命长：CCDCCD摄像管的寿命约摄像管的寿命约2020一一

14、3030年。年。n成本低：成本低：用用CCDCCD摄像管构成的摄像机没有电子枪摄像管构成的摄像机没有电子枪 及其附属设备，体积小，成本低。及其附属设备，体积小，成本低。n机械性能好：机械性能好：耐震、耐撞，不怕强光照射。耐震、耐撞，不怕强光照射。n重合精度高：重合精度高：摄像管与镜头固定牢固，匹配精摄像管与镜头固定牢固，匹配精n暂留特性好：暂留特性好：适于拍摄运动图像。适于拍摄运动图像。大规模金属氧化物半导体集成电路光电器件，大规模金属氧化物半导体集成电路光电器件，有光电转换、存储、移位并读出信号电荷的功能。有光电转换、存储、移位并读出信号电荷的功能。ChargeCoupleDevice202

15、4/4/2430CCDCCD的基本工作原理的基本工作原理CCD电荷存储电荷存储 构成构成CCDCCD的基的基本单元是本单元是MOSMOS电容电容器器,由金属、氧化由金属、氧化物、半导体材料构物、半导体材料构成。这个单元也叫成。这个单元也叫做像素。做像素。MetalOxidSemiconductor2024/4/2431工作原理工作原理 MOSMOS电容与其电容与其电子势阱具有存储电子势阱具有存储电荷的作用。改变电荷的作用。改变栅压高低，可以使栅压高低，可以使势阱内电荷包逐个势阱内电荷包逐个向势阱转移。向势阱转移。2024/4/2432n当当MOSMOS电容栅压增高时，在半导体内部被电容栅压增高

16、时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储，象对电子的陷阱一样，称为电子势存储，象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。阱。n电子势阱可以用来存放电子电子势阱可以用来存放电子n特点：当栅压增加，势阱变深特点：当栅压增加，势阱变深 当栅压减小，势阱变浅当栅压减小，势阱变浅 电子向势阱深处移动电子向势阱深处移动2024/4/2433线型线型CCDCCD的主要用途的主要用途n组成测试仪器，可以组成测试仪器，可以测量测量物位、尺寸、工物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。件损伤、自动焦

17、点等。n用作光学信息处理装置的输入环节，例如用作光学信息处理装置的输入环节，例如传真技术。光学文字识别技术传真技术。光学文字识别技术(OCR)(OCR)与图像与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等。器人视觉技术等。n作为自动化流水线装置中的敏感器件，例作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车如可用于机床、自动售货机、自动搬运车及自动监视装置等。及自动监视装置等。2024/4/2434文字图像识别系统文字图像识别系统 写有邮政编码的信封放在传送带上，写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的

18、运动方传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。描的方式把数字依次读出。读出的数字经二值化等处理，与计算机读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。送入相应分类箱中。邮政编码识别系统邮政编码识别系统 2024/4/2435驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1

19、分类箱23邮政编码识别系统邮政编码识别系统2024/4/2436光导纤维的结构和传光原理光导纤维的结构和传光原理纤芯：光的传输通道，直径纤芯：光的传输通道，直径5m-75m5m-75m包层：直径包层：直径100m-200m100m-200m外套：增强机械强度，直径外套：增强机械强度，直径1mm1mm结构：结构：五、光纤传感器五、光纤传感器optical fiber sensor3.3.传光原理传光原理入射角入射角1 1 光光密密介质介质n n1 1光光疏疏介质介质n n2 2，n n1 1 n n2 2以以2 2折射到介质折射到介质2 a2 a”以以1 1反射回介质反射回介质1 a1 a n

20、n1 1sinsin1 1 n n2 2sinsin2 2 n n1 1nn2 2，1 1 C C时，光不再产生折射，称为时，光不再产生折射，称为全反射全反射即即1bb介质介质2（n2）介质介质1（n1）密密疏疏二、光纤传感器的基本原理二、光纤传感器的基本原理被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光的强度（振幅）相位，频率或偏振状态随的强度（振幅）相位，频率或偏振状态随被测量被测量变化而变化，再通过对被调制过的光信号进行检变化而变化，再通过对被调制过的光信号进行检测与解调，从而获得被测参数。测与解调，从而获得被测参数。三、传输光的调制方式三、传输光的调制方式 对传输光的调制法：光通量、光相位、光频率、对传输光的调制法：光通量、光相位、光频率、光波长、光偏振调制等。光波长、光偏振调制等。Principle