项目6光电传感器及其应用.ppt

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1、1,项目6 光电传感器及其应用,6.1 光电效应及光电器件6.2 红外传感器 6.3 激光传感器6.4 光纤传感器6.5 光电传感器应用实例,2,6.1 光电效应及光电器件,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。,3,6.1.1 外光电效应,光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。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

2、由下式确定。,4,逸出电子的动能,若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量h必须超出逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即(爱因斯坦光电效应方程),5,6.1.2 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

3、的器件有光电池和光敏晶体管等。,6,导带,价带,禁带,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,Eg,光电导效应的过程,当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。,7,在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓等。例如，当一定波长的光照射PN结时，就产生电子-空穴对，在PN结内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，于是P区和N区之间产生电压，即光生电动势。利用该效应可制成各类光电池

4、。,6.1.3 光生伏特效应,8,光电管和光电倍增管 光电管和光电倍增管同属于用外光电效应制成的光电转换器件。,6.1.4 光电器件,光电管,光电倍增管,9,光电管的结构示意图,光,阳极,光电阴极,光窗,1.光电管,光电管有真空光电管和充气光电管，或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。,10,普通光电管,在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射

5、孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些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，在外电路就产生电流。,11,光电管的结构和电路,12,光电管的伏安特性,50,20lm,40lm,60lm,80lm,100lm,120lm,100,150,200,0,2,4,6,8,10,12,阳极与末级倍增极间的电压/V,IA/A,光电器件的主要性能,（1）光电管的伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。,13,光电管的光照特性,25,50,75,100,2,0,0.

6、5,1.5,2.0,/1m,IA/A,1.0,2.5,1,（2）光电管的光照特性 通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电,管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。,14,（3）光电管光谱特性,由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率f0，因此它们

7、可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率f0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。,15,2.光电倍增管,(1)结构与原理 由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，其工作原理如图。,16,光电倍增管的工作原理,光电倍增管由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子

8、的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105108倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。,17,(2)主要参数,1）倍增系数 M,电流放大倍数,M与所加电压有关，一般在105108之间。一般阳极和阴极的电压为1000V2500V，两个相邻的倍增电极的电压差为50V100V。,18,2）阴极灵敏度和总灵敏度,一个光子在阴极上能够打出的平均电子数称为光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数称为光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的放大倍数或总灵敏度如图所示。,19,3）暗电流和本底脉冲

9、,一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。,20,光电倍增管的光照特性,与直线最大偏离是3%,1013,1010,109,107,105,103,101,在45mA处饱和,1014,1010,

10、106,102,光通量/1m,阳极电流/A,4）光电倍增管的光谱特性,光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。,21,光敏电阻,光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。,22,当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光

11、辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即 h=Eg(eV)式中和入射光的频率和波长。一种光电导体，存在一个照射光的波长限C，只有波长小于C的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。,1.光敏电阻的工作原理,23,如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高

12、的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案。,2.光敏电阻的结构,24,1-光导层;2-玻璃窗口;3-金属外壳;4-电极;5-陶瓷基座;6-黑色绝缘玻璃;7-电阻引线。,RG,1,2,3,4,5,6,7,(a)结构,(b)电极,(c)符号,CdS光敏电阻的结构和符号,3.光敏电阻的符号,25,RG,RL,E,I,6.光敏电阻的连线电路,光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、

13、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。,26,5.光敏电阻的主要参数,暗电阻：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流称为暗电流。亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流称为该光照下的亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。,27,50,100,150,200,1,2,U/V,0,20,40,I/A,6.光敏电阻的基本特性（1）伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，

14、光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现,象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。,28,0,1,2,3,4,5,I/mA,L/lx,1000,2000,（2）光照特性,下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。,29,20,40,60,80,100,40,80,120,1

15、60,200,240,/m,3,1,2,相对灵敏度,1-硫化镉2-硒化镉3-硫化铅,（3）光谱特性,光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。,30,20,40,60,80,100,I/%,f/Hz,0,10,102,103,104,硫化铅,硫化镉,（4）频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏电

16、阻时延,特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。,31,I/%,40,80,120,160,2,1,T/h,0,400,800,1200,1600,（5）稳定性 图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，,有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就

17、是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。,32,I/A,100,150,200,-50,-10,30,50,10,-30,T/C,20,40,60,80,100,0,1.0,2.0,3.0,6.0,/m,I/mA,+20 C,-20 C,（6）温度特性,其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。,33,光敏二极管和光敏三极管,34

18、,光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1AD系列、2DU14系列。光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。,P,N,光,光敏二极管符号,RL,光,P,N,光敏二极管接线,1.光敏二极管,35,P-Si,N-Si,I-Si,PIN管结构示意图,PIN 结光电二极管,PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变

19、小。,36,雪崩光电二极管(APD),雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。,37,光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接

20、引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。,P,P,N,N,N,P,e,b,b,c,RL,E,e,c,2.光敏三极管,38,光敏三极管的结构和电路,39,相对灵敏度/%,硅,锗,入射光,/,4000,8000,12000,16000,100,80,60,40,20,0,硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。,光敏三极管基本特性,（1）光谱特性 光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能

21、量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。,40,0,500lx,1000lx,1500lx,2000lx,2500lx,I/mA,2,4,6,20,40,60,80,光敏晶体管的伏安特性,U/V,（2）伏安特性,光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号

22、变成电信号，而且输出的电信号较大。,41,光敏晶体管的光照特性,I/A,L/lx,200,400,600,800,1000,0,1.0,2.0,3.0,（3）光照特性,光敏晶体管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。,42,暗电流/mA,光电流/mA,10,20,30,40,50,60,70,T/C,25,0,50,100,0,200,300,400,10,20,30,40,50,60,70,80,T/C,光敏晶体管的温度特性,（4）温度

23、特性,光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。,43,光敏三极管的频率特性曲线如图所示。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。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。,0,100,1000,500,5000,10000,20,40,60,100,80,RL=1k,RL=10k,RL=100k,入射光调制频率/HZ,相对灵敏度/%

24、,光敏晶体管的频率特性,（5）频率特性,44,不同光敏器件的响应时间有所不同。光敏电阻较慢，约为（10110）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（105 107）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。,（6）响应时间,45,光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，又称为太阳能电池。它是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电

25、池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。,光电池,+,光,P,N,SiO2,RL,I,光,P,N,46,硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,1.工作原理,+,光,P,N,SiO2,RL,(a)光电池的结构图,I,光,(b)光电池的工作原理示意图,P,N,47,I,U,Id,U,I,

26、RL,I,(a),(b),(c),光电池符号和基本工作电路,2.光电池的表示符号及电路,光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。,48,L/klx,L/klx,5,4,3,2,1,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,2,4,6,8,10,开路电压,Uoc/V,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.3,0.1,0,1,2,3,4,5,Uoc/V,Isc/mA,Isc/mA,(a)硅光电池,(b)硒光电池,开路电压,短路电流,短路电流,3.基本特性,（1）光照特性 开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性

27、曲线,49,0,2,4,6,8,10,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,I/mA,L/klx,50,100,1000,5000,RL=0,短路电流,短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。,50,20,40,60,80,100,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,0.2,I/%,1,2,/m,1-硒光电池2-硅光电池,(2)光谱特性,光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出

28、，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。,51,在一定照度下，光电流I与光电池两端电压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。,（3）伏安特性,52,20,40,60,80,100,0,I/%,1,2,3,4,5,1,2,f/kHz,1-硒光电池2-硅光电池,(4)频率特性,光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间

29、电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。,53,20,0,40,60,90,40,60,UOC/mV,T/C,ISC,UOC,ISC/A,600,400,200,UOC-开路电压,ISC-短路电流,硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线,（5）温度特性,光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。,54,6

30、.1.6 光电耦合器件,光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内,一般有金属封装和塑料封装两种。发光元件为发光二极管，受光元件为光敏二极管、光敏三极管或光敏可控硅。它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出端。,55,1、光电耦合器件特点,强弱电隔离 输入输出极之间绝缘电阻很高。耐压达2000V以上。对系统内部噪声有很强的抑制作用 能避免输出端对输入端地线等的干扰。发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）光电耦合器的组合形式应用于自动控制电路中的强弱电隔离。,56,绝缘玻璃,发光二极管,透明绝缘体,光敏三极管,塑料,发光二极管,光敏三极管,透明树脂,采用

31、金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏三极管对准，以此来提高灵敏度。,(a)金属密封型,(b)塑料密封型,采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。,2、光电耦合器的结构,57,3、光电耦合器典型结构,58,(a),(b),(c),(d),光电耦合器的组合形式,4、光电耦合器的组合形式 光电耦合器的组合形式有多种，如图所示。,该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的

32、光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。,59,对于光电耦合器的特性，应注意以下各项参数。（1）电流传输比（2）输入输出间的绝缘电阻（3）输入输出间的耐压（4）输入输出间的寄生电容（5）最高工作频率（6）脉冲上升时间和下降时间,5、光电耦合器件的各项参数,60,6.2 红外线传感器,61,6.2.1 红外线传感器概述,凡是存在于自然界的物体，例如人体、火焰甚至于冰都会放射出红外线，只是其发射的红外线的波长不同而已。人体的温度为3637，所放射的红外线波长为9lOm(属于远红外线区)，加热到400700的物体，其放射出的红外线波长为35

33、m(属于中红外线区)。红外线传感器可以检测到这些物体发射出的红外线，用于测量、成像或控制。用红外线作为检测媒介，来测量某些非电量，比可见光作为媒介的检测方法要好。,62,红外线及其特性,红外线也称红外光或红外辐射，它是一种电磁波，其波长范围在电磁波谱中的位置如图所示。由图可见，它是波长位于可见光和微波之间的一种不可见光。红外光的最大特点是具有光热效应，能辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。,63,红外光检测的优越性,1可昼夜测量 红外线(指中、远红外线)不受周围可见光的影响，故可在昼夜进行测量。2不必设光源 由于待测对象发射出红外线，故不必设光源。3适用于遥感技术 大气对某些特定波长范围的红外

34、线吸收甚少(22.6m，35m，814m三个波段称为“大气窗口”)，故适用于遥感技术。,64,红外线传感器按其工作原理可分为两类：量子型及热型。热型红外线光敏元件的特点是：灵敏度较低、响应速度较慢、响应的红外线波长范围较宽，价格比较便宜、能在室温下工作。量子型红外线光敏元件的特性则与热型正好相反，一般必须在冷却（77K）条件下使用。,热型红外线光敏元件的特点,65,1.热释电效应 若使某些强介电质物质的表面温度发生变化，随着温度的上升或下降，在这些物质表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应，是热电效应的一种。这种现象在钛酸钡之类的强介电质物质材料上表现得特别显著。热释电效应产生的电荷

35、不是永存的，很快便被空气中的各种离子所结合。,6.2.2 热释电型红外传感器,66,热释电红外线光敏元件的材料较多，其中以陶瓷氧化物及压电晶体用得最多。3.热释电红外传感器 结构及电路如图所示。传感器的敏感元件是PZT（钛锆酸铅），在上下两面做上电极，并在表面上加一层黑色氧化膜以提高其转换效率。等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，输出电压信号又极其微弱，管内有场效应管FET放大器及厚膜电阻，以达到阻抗变换的目的。,2.热释电红外线光敏元件的材料,67,热释电红外传感器等效电路,68,热释电红外传感器基本结构,69,PVF2是聚偏二氟乙烯的缩写，是一种经过特殊加工

36、的塑料薄膜。它具有压电效应，同时也具有热释电效应，是一种新型传感器材料。热释电系数比钽酸锂、硫酸三甘肽等要低。它具有不吸湿、化学性质稳定、柔软、易加工及成本低的特点，是制造红外线监测报警装置的好材料。,6.PVF2 热释电红外传感器,70,菲涅耳透镜是由塑料制成的、特殊设计的光学透镜，配合热释电红外线传感器使用。透镜由很多“盲区”和“高灵敏区”组成，物体或人体发射的红外线通过菲涅耳透镜会产生一系列的光脉冲进入传感器，从而提高了接收灵敏度。如图所示。物体或人体移动的速度越快，灵敏度就越高。目前一般配上透镜可检测10米上下，而采用新设计的双重反射型，则其检测距离可达20米以上。,5.菲涅耳透镜,7

37、1,菲涅耳透镜的应用,72,色彩传感器,E3MC-A11 2M色彩传感器,73,色彩测量的原理,74,色彩传感器是由单晶硅和非单晶态硅制成的半导体器件。物体的颜色是由照射物体的光源和物体本身的光谱反射率决定的。在光源一定的条件下，物体的颜色取决于反射的光谱（波长），能测定物体反射的波长，就可以测定物体的颜色。色彩传感器有两种：双PN结光电二极管（简称双结型）和非晶态集成色彩传感器。,色彩传感器的种类,75,1.双结型色彩传感器,76,2.非晶态集成色彩传感器,77,非晶态传感器放大电路,传感器上有时并联一个100K电阻，以保证良好的线性度。其运算放大电路如图所示。,78,CZG-GC-500系

38、列紫外火焰传感器,79,6.3 激光传感器,激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。激光器种类繁多，按工作物质分类为：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器。,80,激光传感器优点,激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。它能把被测物理量(如长度，流量，速度等)转换成光信号，然后应用光电转换器把光信号变成电信号，通过相应电路的过滤、放大，整流得到输出信号，从而算出被测量，因此广义上

39、也可将激光测量装置称为激光式传感器。激光式传感器实际上是以激光为光源的光电式传感器。激光传感器优点：能实现无接触远距离测量；结构、原理简单可靠；适合各种恶劣的工作环境，抗光、抗电干扰能力强；分辨率较高(如在测量长度时能达到几纳米)；示值误差小；稳定性好，宜用于快速测量。虽然高精密激光传感器已上市多年，但以前由于其价格太高，一直不能获得广泛应用。现在，由于其产品价格大幅度下降，使其成为远距离检测场合一种最经济有效的方法。,81,激光传感器的工业应用,激光传感器除了在长度等测量中的一些应用外，还可测量物体或微粒的运动速度，测量流速、振动、转速、加速度、流量等，并有较高的测量精度。,82,激光的特性

40、,1高方向性(即高定向性，光速发散角小)2高亮度3高单色性4高相干性,83,激光传感器的应用,1激光测长 精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一，如图6.27所示。现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的，其精度主要取决于光的单色性的好坏。激光是最理想的光源，它比以往最好的单色光源(氪-86灯)还纯10万倍。因此激光测长的量程大、精度高。,84,2激光测距,激光测距的原理与无线电雷达相同，将激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间，再乘以光速即得到往返距离。由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点，这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都

41、是很关键的，因此激光测距仪日益受到重视。1965年前苏联利用激光测地球和月球之间距离(380103km)误差只有250m。1969年美国人登月后置反射镜于月面，也使用激光测量地月之距，误差只有15cm。,85,3激光测振,激光测振基于多普勒原理测量物体的振动速度。多普勒原理是指：若波源或接收波的观察者相对于传播波的媒质而运动，那么观察者所测到的频率不仅取决于波源发出的振动频率而且还取决于波源或观察者运动速度的大小和方向。所测频率与波源的频率之差称为多普勒频移fd。,86,4激光测速,激光测速也是基于多普勒原理的一种激光测速方法，用得较多的是激光多普勒流速计(即激光流量计)，它可以测量风洞气流速

42、度、火箭燃料流速、飞行器喷射气流流速、大气风速和化学反应中粒子的大小及汇聚速度等。,87,激光式位移传感器,由激光器、光学元件、光电转换元件构成的激光测量系统，将被测位移量转换成电信号。激光检测有精度高、测量范围大、测试时间短、非接触、易数字化、效率高等优点。激光干涉测长技术，目前已广泛地应用于精密长度测量，如磁尺、感应同步器、光栅的检定；精密机床位移检测与校正；集成电路制作中的精密定位等。常用的激光干涉测长传感器分为单频激光干涉传感器和双频激光干涉传感器。,88,(1)单频激光干涉传感器,89,(2)双频激光干涉传感器,90,3激光陀螺式角速度传感器,91,6.4 光纤传感器,光纤传感器能抗

43、电磁干扰；安全；灵巧轻便；使用方便,92,光纤传感原理,将光源入射的光束经由光纤送入调制区,在调制区内,外界被测参数与进入调制区的光相互作用使光的性质如强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，再经过光纤送入光敏器件、解调器而获得被测参数。,93,光纤传感器结构,94,光纤传感器的分类,光纤传感器按照光纤的使用方式可分为功能型传感器和非功能型传感器。功能型传感器是利用光纤本身的特性随被测量发生变化，利用光纤作为敏感元件，又称为传感型光纤传感器。非功能型传感器是利用其他敏感元件来感受被测量变化，光纤仅作为光的传输介质，也称为传光型光纤传感器或称混合型光纤传感器。功能型(FF):

44、传光且敏感(传感型)非功能型(NFF):只传光.(传光型),95,光导纤维是用比头发丝还细的石英玻璃制成的，每根光纤由圆柱形的内芯和包层组成。内芯的折射率略大于包层的折射率。光是直线传播的。然而入射到光纤中的光线却能限制在光纤中，而且随着光纤的弯曲而走弯曲的路线，并能传送到很远的地方去。光纤的直径比光的波长大很多，可以用几何光学的方法来说明光在光纤中的传播。,6.4.1 光纤传感元件,96,光导纤维中光的传输特性,97,（1）数值孔径：无论光源发射功率有多大，只有2张角之内的光功率能被光纤接收。角2与光纤内芯和包层材料的折射率有关，我们将的正弦定义为光纤的数值孔径（NA）。一般希望有大的数值孔

45、径,以利于耦合效率的提高,但数值孔径越大,光信号畸变就越严重,所以要适当选择。,光纤的主要参数和类型,98,（2）光纤模式,光纤模式简单地说就是光波沿光纤传输的途径和方式。多模光纤中，同一光信号采用很多模式传输，会使这一光信号分裂为不同时间到达接收端的多个小信号，导致合成信号畸变。希望模式数量越少越好，尽可能在单模方式下工作，即单模光纤。阶跃型的圆筒光纤内传播的模式数量可简单表示为：,99,由于光纤纤芯材料的吸收、散射以及光纤弯曲处的辐射损耗等影响，光信号在光纤的传播不可避免地会有损耗。假设从纤芯左端输入一个光脉冲，其峰值强度（光功率）为Io，传播损耗后，光纤中任一点处的光强度为：（4）光纤类

46、型 按折射率变化分为阶跃型光纤和渐变型光纤。按传输模式多少分为单模光纤与多模光纤。,（3）传播损耗,100,光纤传感器的种类很多，工作原理也各不相同，但都离不开光的调制和解调两个环节。光调制就是把某一被测信息加载到传输光波上。承载了被测信息的已调制光，传输到光探测系统后再经解调，便可获得所需的该被测信息。常用的光调制方法有强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制等几种。,6.4.2 常用光纤传感器,101,1.光纤压力传感器,102,2.光纤血流传感器,103,6.5 光电传感器应用实例,104,220V,C1,路灯,CJD-10,8V,200F,200F,C2,C3,100F,R1,R3,R5

47、,R7,R4,R6,R7,R2,J,470k,200k,10k,6.3k,BG1,280k,25k,57k,10k,BG2,BG3,BG4,2CR,6.5.1 路灯自动控制器,105,6.5.2 光电式数字转速表,106,6.5.3 物体长度及运动速度的检测,107,手,热风机,继电器KM,延时电路,红外光接收,红外光发射,信号处理,交流电源,红外自动干手器电路原理框图,红外光,红外光,热风,电信号,6.5.4 红外自动干手器,108,6.5.5 手指光反射测量心率方法,109,显示器,信号变换处理,放大器,5V,LED,B,光传感器,68K,270,C,手指光反射测量心率电路图,手指光反射测

48、量心率电路,110,6.5.6 条形码扫描笔,111,扫描笔输出的脉冲,112,6.5.7 烟尘浊度监测仪,防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。,113,平行光源,光电探测,放大,显示,刻度 校正,报警器,烟道,吸收式烟尘浊度检测系统原理图,114,在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反

49、射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。,6.5.8 光电转速传感器,下图是光电数字式转速表的工作原理图。图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。,115,光纤陀螺式角速度传感器,116,6.5.9 光电池应用,光电池主要有两大类型的应用：将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。这是全世界范围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题。太阳

50、能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池定将获得更广泛的应用。将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。,117,调节控制器,逆变器,交流负载,太阳电池方阵,直流负载,太阳能电池电源系统,阻塞二极管,光电池应用举例,（1）太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向