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1、第 七 章 光 電 傳 感 器 采 用 光 電 元 件 作 為 檢 測(cè) 元 件 的 傳 感 器 被 稱 為 光 電 傳感 器 。 光 電 傳 感 器 由 光 源 、 光 學(xué) 通 路 和 光 電 元 件 組 成 。 主 要 特 點(diǎn) ： 精 度 高 、 反 應(yīng) 快 、 非 直 接 接 觸 、 結(jié) 構(gòu) 簡單 、 形 式 多 樣 、 應(yīng) 用 廣 泛 。 。第 一 節(jié) 光 電 效 應(yīng) 與 光 電 器 件1.外 光 電 效 應(yīng) ： 在 光 線 作 用 下 電 子 從 物 體 表 面 逸 出 。2.內(nèi) 光 電 效 應(yīng) ： 在 光 線 作 用 下 物 體 的 電 阻 率 改 變 。3.光 生 伏 特 效 應(yīng)
2、： 在 光 線 作 用 下 物 體 具 有 發(fā) 電 能 力 。 光 電 效 應(yīng) 一 、 光 電 管 、 光 電 倍 增 管 利 用 外 光 電 效 應(yīng) 制 成 的 光 電 器 件 。（ 一 ） 光 電 管 光 輸 入 陽 極 陰 極 電子逸出 電 輸 出 光 -以 光 速 運(yùn) 動(dòng) 的 粒 子 流 。單 個(gè) 光 子 能 量 ： hE普 郎 克 常 數(shù) 光 波 頻 率021 2 Ahmv 光 電 管 中 的 自 由 電 子 逸 出 條 件 ：電 子質(zhì) 量 逸 出初 速 度 逸 出 功光 波頻 率Ah hA Ahcc 即 光 波 頻 率 光 波 波 長或 光 速 光 電 管測(cè) 量 電 路 ：Ahcm
3、 可 見 ， 要 使 光 電 管 中 的 自 由 電 子 逸 出 ， 頻 率 不 能太 低 ， 波 長 也 不 能 太 長 。為 入 射 光 波 長 上 限 ， 也 被 稱 為 “ 紅 限 ” 。光電管陰 極陽 極 電 壓 輸 出光 輸 入 （ 二 ） 光 電 倍 增 管 光 電 倍 增 管 具 有 放 大 光 電 子 電 流 的 能 力 。 光 電 倍 增 管 具 10-15級(jí) 倍 增 電 極 ， 電 位 依 次 升 高 ， 使 得陰 極 因 接 受 光 能 而 發(fā) 射 的 電 子 逐 級(jí) 加 速 ， 且 受 光 電 子 的 數(shù) 量逐 級(jí) 增 多 ， 形 成 較 大 的 光 電 流 。 可
4、用 于 微 光 測(cè) 量 。 設(shè) 單 級(jí) 的 信 號(hào) 倍 增 率 為 ， 則 多 級(jí) 的 倍 增 率 為 。 光 輸 入 陽 極陰 極 - + + + - - - + - + - + - - n 光 電 倍 增 管測(cè) 量 電 路 ： 直流電源 光 線輸出電壓陰 極陽 極 二 、 光 敏 電 阻 （ 一 ） 工 作 原 理 ： 由 半 導(dǎo) 體 材 料 構(gòu) 成 ， 利 用 內(nèi) 光 電效 應(yīng) 而 工 作 。 光 敏 電 阻 當(dāng) 光 線 照 射 時(shí) ， 因 材 料 中 的 電 子 空 穴 對(duì)增 加 ， 其 電 阻 值 會(huì) 變 小 ， 當(dāng) 光 照 消 失 時(shí) ， 電 阻 會(huì) 恢 復(fù) 原值 。 這 種 現(xiàn)
5、象 被 稱 為 光 導(dǎo) 效 應(yīng) 。 光 敏 電 阻 沒 有 極 性 ， 純 粹 是 電 阻 器 件 ， 即 可 以 加 直流 電 壓 ， 也 可 以 加 交 流 電 壓 工 作 。 光 照 電 路 符 號(hào) （ 二 ） 特 性 參 數(shù) 1.暗 電 阻 與 亮 電 阻 暗 電 阻 -在 室 溫 且 全 暗 條 件 下 測(cè) 得 的 穩(wěn) 定 電 阻 。 例 如MG41-42型 光 敏 電 阻 的 暗 阻 大 于 等 于 0.1兆 歐 。 暗 電 阻 -在 室 溫 且 一 定 光 照 條 件 下 測(cè) 得 的 穩(wěn) 定 電 阻 。例 如 MG41-42型 光 敏 電 阻 的 亮 阻 小 于 等 于 1000
6、歐 。 2.伏 安 特 性 曲 線 光 敏 電 阻 接 在 電 路上 ， 亮 電 流 （ 大 ） 與 暗電 流 （ 小 ） 之 差 被 稱 為光 電 流 。 光 敏 電 阻 的 亮 電 阻越 大 ， 暗 電 阻 越 小 ， 靈敏 度 越 高 。 光 照 度 小光 照 度 大 3.光 電 特 性 曲 線 -光 照 度 與 光 電 流 之 間 的 關(guān) 系 。4.光 譜 特 性 曲 線 -入 射 光 頻 率 與 靈 敏 度 之 間 的 關(guān) 系 。光 電 特 性 光 譜 特 性光 照 度光電流 靈敏度 光 波 波 長硫 化 鎘 硫 化 跎 硫 化 鉛 （ 紫 外 -紫 -紅 -紅 外 ） 5.頻 率
7、特 性 曲 線 -光 頻 率 與 靈 敏 度 之 間 的 關(guān) 系 。6.溫 度 特 性 曲 線 -溫 度 對(duì) 光 譜 特 性 的 影 響 。頻 率 特 性 （ 硫 化 鉛 ） 光 譜 溫 度 特 性硫 化 鉛硫 化 跎 溫 度 降 低 更 適 合 檢 測(cè) 波 長 長 的 信 號(hào)溫 度 高 溫 度 低（ 紫 外 -紫 -紅 -紅 外 ） 三 、 光 敏 晶 體 管（ 一 ） 工 作 原 理 1.光 敏 二 極 管 ： 正 常 情 況 下 ， PN結(jié) 反 向 是 不 導(dǎo) 通 的 。當(dāng) 被 光 線 照 射 時(shí) ， PN結(jié) 反 向 導(dǎo) 通 ， 可 以 感 測(cè) 光 信 號(hào) 。 NP 電 路 符 號(hào)結(jié) 構(gòu)
8、 示 意 基 本 電 路 2.光 敏 三 極 管 ： 正 常 情 況 下 ， 給 PNP型 三 極 管 的 集電 極 和 發(fā) 射 極 之 間 加 正 向 電 壓 ， 一 個(gè) PN結(jié) （ 集 電 結(jié) ）不 導(dǎo) 通 ， 另 一 個(gè) PN結(jié) （ 發(fā) 射 結(jié) ） 導(dǎo) 通 。 但 當(dāng) 集 電 結(jié) 被 光 線 照 射 時(shí) ， 集 電 結(jié) 會(huì) 反 向 導(dǎo) 通 ， 造成 三 極 管 中 出 現(xiàn) 放 大 電 流 ， 集 電 極 和 發(fā) 射 極 之 間 導(dǎo) 通 。也 可 以 感 測(cè) 光 信 號(hào) 。 無 光 照 無 輸 出有 光 照 有 輸 出+- （ 二 ） 基 本 特 性 1.光 譜 特 性 ： 一 定 照 度
9、 下 ,光 波 波 長 與 光 敏 管 靈 敏 度 的 關(guān)系 。 2.伏 安 特 性 : 不 同 照 度 下 ,輸 出 電 壓 電 流 關(guān) 系 。 硅管 鍺管光 譜 特 性 （ 紫 外 -紫 -紅 -紅 外 ） 伏 安 特 性光 照 度 小光 照 度 大 3.光 電 特 性 ： 光 照 度 -輸 出 電 流 關(guān) 系 。 一 般 光 照 加 強(qiáng) 電流 增 大 。 光 敏 二 極 管 的 線 性 度 較 好 ， 光 敏 三 極 管 會(huì) 飽 和 。 4.溫 度 特 性 : 一 定 照 度 下 溫 度 -電 流 關(guān) 系 。 對(duì) 亮 電 流 、 暗電 流 、 輸 出 電 流 影 響 程 度 不 同 。
10、溫 度 對(duì) 亮 電 流 小 ， 對(duì) 暗 電 流影 響 顯 著 。 4.頻 率 特 性 : 輸 入 的 調(diào) 制 光 頻 率 與 輸 出 靈 敏 度 的 關(guān) 系 。 溫 度 特 性輸 出 電 流暗 電 流 頻 率 特 性輸出靈敏度 四 、 光 電 池（ 一 ） 工 作 原 理 光 生 伏 特 效 應(yīng) 。（ 二 ） 基 本 特 性 1.光 譜 特 性 ： 一 定 照 度 下 ,光 波波 長 與 光 電 池 靈 敏 度 的關(guān) 系 。 （ 紫 外 -紫 -紅 -紅 外 ） 硅光 電 池硒光 電 池光 線 照 射 發(fā) 電 電 路 符 號(hào)受 光 范 圍 寬受 光 范 圍 窄 2.光 電 特 性 : 光 照
11、度 與 輸 出 電動(dòng) 勢(shì) 、 輸 出 電 流 之 間的 關(guān) 系 。 3.溫 度 特 性 指 開 路 電 壓 、 短路 電 流 與 溫 度 變 化 的關(guān) 系 。 4.頻 率 特 性 : 指 輸 入 的 調(diào) 制 光頻 率 與 輸 出 電 流 的 關(guān)系 。 硅 光 電 池 的 頻 率特 性 較 好 ， 頻 率 上 限約 幾 萬 Hz。 開 路 電 壓短 路 電 流輸 出 電 動(dòng) 勢(shì)短 路 輸 出 電 流 第 二 節(jié) 光 電 傳 感 器 與 光 電 檢 測(cè)一 、 光 電 傳 感 器 的 類 型 光 電 傳 感 器 組 成 ：被 測(cè) 量 使 得 光 通 亮 連 續(xù) 變 化 ， 輸 出 光 電 流 也 連
12、 續(xù) 變 化 。 （ 一 ） 模 擬 式 光 電 傳 感 器被 測(cè) 量 模 擬 式 光 電 傳 感 器 的 四 種 形 式 ：被 測(cè) 量 是 光 源 （ 測(cè) 光 源 溫 度 ） 被 測(cè) 量 吸 收 光 通 亮 （ 測(cè) 厚 ）光 源 被 投 射 -反 射（ 測(cè) 表 面 粗 糙 度 等 ） 光 源 被 運(yùn) 動(dòng) 物 體 阻 擋（ 測(cè) 尺 寸 和 位 置 ） （ 二 ） 脈 沖 式 光 電 傳 感 器 光 信 號(hào) 斷 續(xù) 變 化 ， 光 電 元 件 輸 出 的 也 斷 續(xù) 變 化 。 只有 兩 種 狀 態(tài) 。 常 用 于 計(jì) 數(shù) 或 測(cè) 速 。二 、 光 電 傳 感 器 的 常 用 光 源（ 一 ）
13、發(fā) 光 二 極 管 ： 電 能 光 能 。（ 二 ） 鎢 絲 燈 泡 ： 發(fā) 射 紅 外 光 。（ 三 ） 激 光三 、 光 電 轉(zhuǎn) 換 電 路1.光 敏 電 阻 測(cè) 量 電 路2.光 敏 晶 體 管 測(cè) 量 電 路3.光 電 池 測(cè) 量 電 路4.使 用 運(yùn) 算 放 大 器 的 光 敏 元 件 測(cè) 量 電 路 。 光 敏 電 阻測(cè) 量 電 路光 敏 晶 體 管測(cè) 量 電 路 光 線 增 強(qiáng)電 阻 減 小基 極 電 壓 輸 出 電 壓感 光感 溫 不 感 光感 溫 輸 出與 光 通 亮成 比 例 光 線 增 強(qiáng)電 壓 變 小 光 電 池測(cè) 量 電 路光 線 增 強(qiáng)電 壓 變 大光 線 增 強(qiáng)電
14、 壓 變 大 光 線 增 強(qiáng)電 壓 變 大 使 用 運(yùn) 算 放 大 器 的 光 敏 元 件 測(cè) 量 電 路 光 線 增 強(qiáng)PN導(dǎo) 通負(fù) 電 壓 輸 入 光 線 增 強(qiáng)短 路 電 路增 大光 線 強(qiáng) 弱影 響 放 大 倍 數(shù) I FRIU 20 二 、 光 電 檢 測(cè) 實(shí) 例 （ 一 ） WDS型 光 電 比 色 高 溫 計(jì) ： 通 過 輻 射 體 在 兩 個(gè) 不 同 波 長 上 的 輻 射 能 量 之 比 ， 測(cè) 定 輻射 體 的 溫 度 。 非 接 觸 式 ， 可 測(cè) 量 高 溫 。輻 射 體 物 鏡 瞄 準(zhǔn)反 射 鏡 光 導(dǎo) 棒 不 可 見 光可 見 光光 闌 分 光 鏡 比 例 計(jì) 算人
15、工觀測(cè)反 射 鏡 目 鏡 棱 鏡變 送 器 記 錄 儀 （ 二 ） 光 電 比 色 計(jì) 用 于 溶 液 的 顏 色 、 成 分 、 渾 濁 度 等 化 學(xué) 分 析 。 標(biāo) 準(zhǔn) 樣 品 受 檢 樣 品 光 源 凸 透 鏡凸 透 鏡 濾 色濾 色 光 電 池光 電 池 差 值 差 動(dòng) 放 大 器顯 示 儀 表 （ 三 ） 光 電 式 帶 材 測(cè) 厚 跑 偏 檢 測(cè) 儀 檢 測(cè) 帶 材 加 工 過 程 中 偏 離 正 確 位 置 的 情 況 。 光 源 不 反 射 帶 材光 源 凸 透 鏡 凸 透 鏡反 射 鏡半 透 膜反 射 鏡 光 敏三 極 管 正 確 位 置 電 橋 平 衡 U0=0左 或 右
16、 偏 UO都 會(huì) 改 變 。電 橋 （ 四 ） 光 電 式 轉(zhuǎn) 速 儀 1） 反 射 式 光 電 轉(zhuǎn) 速 儀 電 信 號(hào) 光 信 號(hào) 凸 透 鏡 半 透 膜 片 聚 焦 透 鏡凸 透 鏡 光 源測(cè)量電路計(jì)數(shù)器 不 反 光 位 置 電 橋 平 衡 U0=0反 光 位 置 輸 出 電 脈 沖 。 2） 直 射 式 光 電 轉(zhuǎn) 速 儀 測(cè)量電路 計(jì)數(shù)器光 信 號(hào) 電 信 號(hào) 凸 透 鏡 指 示 透 鏡光 源旋 轉(zhuǎn) 盤 不 透 光 位 置 電 橋 平 衡 U 0=0透 光 位 置 輸 出 電 脈 沖 。 （ 五 ） 光 電 檢 測(cè) 的 其 他 應(yīng) 用 舉 例布 料 寬 度 檢 測(cè) 、 有 無 檢 測(cè)
17、兩 臺(tái) 行 車 的安 全 距 離 檢 測(cè) 空 箱 檢 測(cè) 及 推 出 處 理 被 長 距 傳 送 的 金 屬 板 檢 測(cè) 第 三 節(jié) 光 導(dǎo) 纖 維 傳 感 器一 、 光 纖 傳 感 器 工 作 原 理 （ 利 用 光 的 完 全 內(nèi) 反 射 原 理 ） 象 電 路 傳 輸 電 信 號(hào) 一 樣 ， 光 導(dǎo) 纖 維 可 以 傳 輸 光 信 號(hào) 。主 要 應(yīng) 用 于 通 訊 領(lǐng) 域 。 使 用 光 導(dǎo) 纖 維 的 傳 感 器 被 稱 為 光 纖 傳 感 器 。光 纖 傳 感 器 傳 光 型 ： 作 為 光 學(xué) 通 路 傳 輸 光 信 號(hào) 。功 能 型 ： 被 測(cè) 信 號(hào) 光 纖 及 傳 輸 特 性
18、 變 化 。 包 層2.光 導(dǎo)纖 維 低 折 射 率高 折 射 率1.光 源 3.光 探測(cè) 器 光 纖 傳 感 器 的 優(yōu) 點(diǎn) : 1)性 能 好 、 耐 腐 蝕 、 不 受 電 磁 干 擾 ， 環(huán) 境 適 應(yīng) 性 強(qiáng) 。 2） 檢 測(cè) 靈 敏 度 高 、 精 度 高 ， 便 于 利 用 光 通 信 電 路 進(jìn) 行遠(yuǎn) 距 離 測(cè) 量 。 3） 光 纖 細(xì) 、 可 撓 曲 ， 可 以 進(jìn) 入 設(shè) 備 內(nèi) 部 或 人 體 內(nèi) 臟 進(jìn)行 測(cè) 量 。二 、 光 纖 傳 感 器 的 應(yīng) 用1.光 纖 位 移 傳 感 器 (傳 光 型 ) 光 源 接 受 光 纜發(fā) 射 光 纜 輸 出 特 性感 光 元 件 距 離 決 定 反 射 光 強(qiáng) 度 2.光 纖 壓 力 傳 感 器 (功 能 型 ) 光 纖 微 量 彎 曲 時(shí) 傳 輸 光 的 強(qiáng) 度 衰 減 ， 被 稱 為 微 彎 損耗 效 應(yīng) 。激 光 光 探 測(cè) 器光 源 固 定 板活 動(dòng) 板 壓 力 光 纖光 纖
《光電傳感器》PPT課件 (2)
