1、1,第十章 光电传感器,主要内容：10.1 光电效应 10.2 光电器件,2,1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。,概 述,光电传感器是一种以光电效应为原理的传感器。,3,一、光的分类 （根据波长分类）,可 见 光,红外光,近红外 中红外 远红外,红620nm-760nm 橙592nm-620nm 黄578nm- 592nm 绿500nm- 578nm 青464nm-500nm 蓝446nm -464nm 紫400nm-446nm,4,光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。,1.光的性质,光衍射：光在传播路径中，遇到障碍
2、物（不透明或透明），绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。,光干涉：两列或几列光波在空间相遇时相互迭加，在某些区域加强，在另一些区域则削弱，形成稳定的强弱分布的现象。,条件：频率相同、振动方向相同以及 有恒定的相位差,5,光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为h-普朗克常数，6.62610-34Js； -光的频率（单位s-1）。 可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大,2.光子能量,6,二、光源（发光器件）,1.白炽光源,用钨丝通电加热作为光辐射源。发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以很多光敏元件都能和它配合接收到光信
3、号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。,7,2.荧光灯,发光原理：高压使灯丝放电，发射电子。电子与灯管内的惰性气体（氖气）及少量的水银中的原子碰撞，发出紫外线，紫外线照射到灯管臂的荧光物质上，变成可见光。特点：发光效率高，节能效果明显（75%），寿命长（提高810倍）。,波长为750310nm，缺少红光，故合成后略带青色或呈青白色 。,8,3.发光二极管（LEDLight Emitting Diode）,由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。,发光原理：当PN结上加有正向电压时，电子
4、由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，在复合的同时，伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。,9,4、激光器发光原理：在特制的谐振腔加上电压，光子在里面不断来回振动，光子振动时，产生碰撞激发出新的光子，数量不断翻倍，光子越来越多，最后从谐振腔的窗口出释放出来，再被经过的光子激发，放出光。特点：高方向性、高单色性和高亮度。波长范围：从0.24m到远红外整个波段。,激光器种类繁多，按工作物质分类： 固体激光器、气体激光器、 半导体激光器、液体激光器。,10,光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转
5、换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。,三、光电传感器,在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。光敏器件种类很多，常见的有： 光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器、 光纤等等。,11,指纹锁,指纹门禁,光 电 鼠 标,12,13,第一节 光电效应,光电效应可分为： 外光电效应 内光电效应 光电导效应 光生伏特效应,当光电传感器中的光电元件受到光线作用时，光电元件中的电子吸收光子能量，就会产生某些电特性的变化，这种物理现象称为光电效应。,14,(1)外光电效应,在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。,爱因
6、斯坦光电效应方程（能量守恒定律）,h-普朗克常数； -入射光频率；,15,A 电子的逸出功；,- 电子逸出的动能（能量）；,光照射物体时，物体中电子吸收入射光子的能量E ，当物体吸入的能量超出逸出功A时电子就会逸出物体表面，产生光电子发射。超出的能量变成电子的动能。 能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。,基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管,16,紫外线管外形,当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。,紫外线,17,(2)内光电效应,入射光强改变物质导电率的物理现象称内光
7、电导效应 。 这种效应几乎所有高电阻率半导体都有。 原理：由于在入射光作用下电子吸收光子能量，从价带激发到导带过度到自由状态，同时价带也因此形成自 由空穴，使导带电子和价带空 穴浓度增大引起电阻率减小。 为使电子从价带激发到导带， 入射光子的能量E0应大于禁带 宽度的能量Eg。 基于这种原理可制成光敏电阻。,18,光生伏特效应： 物体表面受到光照射时，内部会激发出电子-空穴对，在内电场作用下电子、空穴分离，在物体内部产生电动势-光生伏特效应,光生伏特效应应用 ：,（1）制作光电池（2）光敏二极管；（3）光敏三极管；（4）半导体位置敏感器件,19,第二节 光电器件,1 光电管,结构：光电管是一个
8、抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有阴极、阳极，阴极涂有光敏材料 原理：当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（EA），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形 成电子流，电流在回路电阻 R上 产生正比于电流大小的压降。,因而实现对光强度的测量。,20,结构示意图及测量电路,实物,21,2 光电倍增管,光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击激发出二次电子，将光电流在管内进行放大。,22,光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极（10个左右），倍增极也涂有光敏材料。 在阳极和
9、阴极之间加有几百上千伏的高压，每个倍增极间有100200V高压； 倍增极外加电压Ud与增益G的关系近似为： 式中： K 常数 N 倍增极数,G一般在105数量级。,23,入射光,阴极K,第一倍增极,第二倍增极,第三倍增极,第四倍增极,阳极A,24,3 光敏电阻,光敏电阻的工作原理是基于光电导效应 结构：在玻璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，两端金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。,25,光敏电阻图片,无极性，纯电阻，可加直流或交流偏压。,当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。,26,光敏电阻光照特性 无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值； 有光照时，产生电子-空穴对，电阻值随光强增加
10、而降低； 光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。,光敏电阻主要参数 暗电阻 无光照时的电阻； 暗电流 无光照时的电流； 亮电阻、亮电流 受光照时的阻值、电流； 光电流 亮电流与暗电流之差称光电流 。,27,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,28,伏安特性 给定偏压 光照越大光电流越大； 给定光照度 电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。 光照度 Lx（勒克斯 ） = lm （流明）/s 单位面积的光通量,29,4 光敏二极管和光敏三极管,光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。即
11、光照时，产生大量的电子-空穴对，在结电场作用下，在P区和N区之间形成电位差，产生光生电动势。 特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高; 广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等系统中。,电梯平层用光电开关,光电开关器件,30, 光敏二极管,光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个PN结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率,增大受光面积，PN结面积比一般二极管大。,发光二极管与光敏二极管的不同发光二极管：（1）电光。 （2）工作时加正向电压。,光敏二极管：,（1）光电信号。 （2）工作时加反向电压。,31,工作原理： 光敏二极管在电路中一般处于反
12、向偏置状态。 无光照时，PN结反向电阻很大， 反向电流很小； 有光照时，PN结处产生光生 电子-空穴对； 在电场作用下形成光电流， 光照越强光电流越大； 光电流方向与反向电流一致。,32,光敏二极管,将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。,33,光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示,在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。,当光照增加时，光电流I与光照度成正比关系。,光敏二极管的反向偏置接法,UO,+,光照,34,基本特性： 光照特性 图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。
13、光电流与照度成线性关系。,35, 光敏三极管,与普通晶体管不同的是，光敏晶体管将集电结做成光敏二极管，作为受光结。 另外集电极的面积做的较大，以收集更多的光电子。 大多数光敏晶体管的基极无引线，无论NPN、PNP一般集电结加反偏。 玻璃封装上有个聚光镜，便于收集光线。,36,普通三极管,光敏三极管,基区很薄，基极一般不接引线； 集电极面积较大。,37,硅（Si）光敏晶体极管一般都是NPN结构，光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。,在负载电阻RL上的输出电压为：,晶体管电流放大系数,38,光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，
14、有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。,39,5. 光电池（有源器件）,光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。 光电池的用途：（1）电源 将太阳能转变为电能，广泛用于宇航电源；（2）传感器 用于检测和自动控制等。,光 电 池 符 号,40,光电池外形,光敏面,41,结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下面有一抗反射膜，下电极是一层衬底铝。,原理：当光照射PN结的一个面时，电子-空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般
15、可产生0.2V0.6V电压50mA电流。,42,光电池电路连接,光电池作为电源使用时的不同连接。需要高电压时应将光电池串联使用； 需要大电流时应将光电池并联使用。,例如：锗管发射极电压较低，可直接用1块光电池控制。,硅管的发射结导通电压为0.6V0.7V，光电池的0.5V 电压起不到控制作用，可将两个光电池串联后接入基极。,43,光电池在动力方面的应用,太阳能赛车,太阳能电动机模型,太阳能 硅光电池板,44,光电池在动力方面的应用（续）,太阳能发电,45,光电池在动力方面的应用（续）,光电池在人造卫星上的应用,46,6. 其他光电管, PIN型硅光电二极管，高速光电二极管，响应时间达1ns，适
16、用于遥控装置。,PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十兆赫，可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF 频带小信号开关。,47, 雪崩式光电二极管:具有高速响应和放大功能，高电流增益，可有效读取微弱光线，用于0.8m范围的光纤通信、光盘受光元件装置。,硅雪崩光电二极管用于可见光和近红外探测器，它具有高信噪比，高响应速度等特点。可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距。,
17、48, 光电闸流晶体管（光激可控硅）:由入射光线触发导通的可控硅元件。,光电晶闸管结构：有三个引出电极，即阳极a、阴极k和门极g 。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃透镜照射到正向阻断的PN结上时，将产生门极电流，从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。要切断已触发导通的光敏晶闸管，必须使阳极与阴极的电压反向，或使负载电流小于其维持电流。光电晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。,49,光敏晶闸管
18、外形,光敏面,50, 光电耦合器件 又称光电隔离器（器件的光信号封闭）,“光耦”器件由发光元件和接收光敏元件（光敏电阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小。通过电光、光电，两次转换进行输入输出耦合。,51,“光耦”集成器件的特点： 输入输出完全隔离，有独立的输入输出抗，绝缘电阻在1万兆以上。器件有很强的抗干扰能力和隔离性能，可避免振动、噪声干扰。特别适宜工业现场做数字电路开关信号传输、逻辑电路隔离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。,52,10.3 光纤传感器,光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是
19、20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维材料的新型传感器。光纤传感器把光纤作为敏感元件，同时又作为传递信息的介质。主要特点：电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。 灵敏度高。 容易实现对被测信号的远距离监控。,53,发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。,上海东方明珠,54,各种装饰性光导纤维,55,光缆的外形及光纤的拉制,56,一、光纤基本结构及导光原理,1、光纤结构,主要由三部分组成 中心纤芯； 外层包层； 护套尼龙料。,纤芯：很细的石英玻璃丝制成,折射率n1高。,包层：硅橡胶制成，折射率n2低。,光导纤维的导光能力取决于纤芯和
20、包层的性质， 纤芯折射率n1大于包层折射率n2（ n1n2）。,57,2、基本原理,当光由光密物质（折射率大）出射至光疏物质（折射率小）时，发生折射 。入射角与折射角之间的关系为：,（a）折射角大于入射角：,（b）临界状态：,（c）全反射 ：,（1）斯乃尔定理：,无反射,58,（2）光导原理,入射光线AB,入射角为i，B点产生第一次折射，折射角j，在纤芯与包层界面C点发生第二次折射，折射角r。,设n0=1,经推导得：,59,全反射的条件： ii0,即i与r之间关系为 ： r i,当 r=90时，i=i0 ,当r90时，光线发生全反射，则ii0,=NA(数值孔径）,当rNA，iarcsin NA
21、，光线消失。,60,实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。,可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（n1、n2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。,61,3、光纤传光原理,光的全反射实验,62,4、光纤类型,阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。,63,梯度型：梯度型光纤的的折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线则逐步降低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。,64,二、光导纤维的主要参数,(1)NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要入射角在一定范围之内的入射光才能被光纤
22、接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层而消失。 (2)一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。 (3)产品光纤不给出折射率只给数值孔径NA，如：石英光纤的数值孔径一般为：NA=0.20.4,1、数值孔径（NA）,65,2、光纤模式（V）,光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式。光纤模式定义：传递的光波之间的干涉产生的横向强度分布称为模式。模式大小定义式为：,式中：,d-为纤芯半径；,-为入射波长。,66,模式讨论： 在信息传播中，希望模式数越少越好，这样不会导致信号畸变失真。 模式值V小，就是d值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称
23、单模光纤。单模光纤性能好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。 除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。,67,3、传播损耗（A）,光纤传输损耗主要来源于材料吸收损耗、 散射损耗和波导弯曲损耗。 目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。 在这些材料中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料吸收损耗。,传播损耗（单位为dB）,式中, l光纤长度；a单位长度的衰减；I0光导纤维输入端光强；I光导纤维输出端光强。,68,二、光纤传感器结构原理及分类 1、光纤传感器结构原理由光发送器、敏感元件(光
24、纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。,由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。,光 纤,信号处理,光接收器,敏感元件,光发送器,69,2、光纤传感器的分类,（1）根据光纤在传感器中的作用 光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。1）功能型光纤传感器以光纤自身作为敏感元件，感受被测量的变化。被测量影响光纤的光学特性，实现对光纤传输光的调制。功能型光纤传感器将“传”和“感”合为一体的传感器。所以又称传感型光纤传感器。,信号处理,光受信器,光纤敏感元件,光
25、发送器,70,2）非功能型光纤传感器利用其它敏感元件来感受被测量的变化，实现对光纤传输光的调制。即这种光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。又称传光型光纤传感器。,71,3）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。例如：光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。,信号 处理,光受 信器,光发送器,光纤,耦合器,被测对象,72,2）偏振调制光纤传感器它是一种利用光偏振态变化来测量和传递被测对象信息的传感器。（1）利用光在磁场中传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；（2）利用光在电场中的压电晶体内传播的
26、泡克尔效应做成的电场、电压传感器；（3）利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；（4）以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影响，因此灵敏度高。,73,3）频率调制光纤传感器它是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行检测的传感器。（1）利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应制作：光纤速度传感器、流速传感器、振动传感器、压力传感器、加速度传感器。光多普勒效应：用光照射运动着的物体，反射光的频率随物体运动速度而改变的现象。,74,3）频率调制光纤传感器（2）利用物质受强光照射时的喇曼散射效应制成气体传感器，用于测量气体浓度或
27、监测大气污染。喇曼散射效应：光通过介质时，由于入射光与介质中分子运动相互作用而引起光频率发生变化的现象，称为拉曼散射效应。 （3）利用光致发光的温度传感器光致发光：物体受外界光源进行照射，从而获得能量，产生激发导至发光的现象，称为光致发光。,75,4）相位调制传感器 利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化。通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。（1）利用光弹效应的声、压力或振动传感器；（2）利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；（3）利用电致伸缩的电场、电压传感器；这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。,
