光电式传感器课件.ppt
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1、光电式传感器 1.1 光源1.2 光电效应及光电器件1.3 光电式传感器应用举例1.4世界知名传感器生产商 光电传感器一般由辐射源、光学通路、光电器件三部分组成。光电式传感器的工作原理就是:首先将被测量的变化转换成光信号的变化,然后通过光电器件变换成电信号。它主要是基于光电转换元件的光电效应。被测量作用于辐射源或光学通路,从而将被测信息调制到光波上,使光波的强度、相位、空间分布和频谱分布等发生改变,光电器件将光信号转换为电信号,电信号经后续电路解调分离出被测信息,从而实现对被测量的测量。光电测量方法结构简单、非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点。特别是激光光源、光栅、光学码盘、CC
2、D器件、光纤等的成功应用,使光电传感器在自动检测中得到广泛应用。1.1 光源 光源是光电式传感器的一个重要组成部分,正确合理地选择光源是成功设计光电传感器的前提和保证。光电传感器中所用光源分为自然光源和人造光源两类。人造光源又分为热辐射光源、气体放电光源、电致发光光源和激光光源。1.1.1热辐射光源 利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源称为热辐射光源。物体温升越高,辐射能量越大,辐射光谱的峰值波长越短。加热可以借电流沿导体流动时所释放的热量来实现,如钨丝白枳灯、卤钨灯。1、白炽灯:是一种典型的可见光谱热辐射光源。钨丝密封在玻璃泡内,泡内充以惰性气体或保持真空,依靠电能将钨丝加热到白炽状态而发
3、光。白炽灯虽为可见光源,但它的能量只有15%左右落在可见光区域,它的峰值波长在近红外区域,约11.5um,可作近红外光源。2、卤钨灯:是一种特殊的白炽灯,灯泡用石英或硬质玻璃制作,能够耐3500K的高温,灯泡内充以卤族元素,通常是碘。卤族元素能够与沉积在灯泡内壁上的钨发生化学反应,形成卤化钨扩散到钨丝附近,由于温度高而分解,钨原子重新沉积到钨丝上,这样弥补了灯丝的蒸发,大大延长了灯泡的寿命,同时也解决了灯泡因钨的沉积而发黑的问题,光通量在整个寿命期始终能够保持相对稳定。3、卤钨灯与白炽灯的比较 1)体积小 是同功率白炽灯体积的0.53%,便于实现光学系统小型化。2)光通量稳定。最终时的光通量为
4、开始的95%-98%,而白炽灯只为60%。3)紫外线较丰富,因卤钨灯的灯丝温度较高,而且它的泡壳也能通过紫外线辐射,可作为紫外辐射源用于光谱辐射测量。4)发光效率比白炽灯高23倍。5)寿命长。1.1.2气体放电光源气体放电光源:电流通过置于气体中的两个电极时,两电极之间会放电发光,利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电光源的光谱不连续,光谱与气体的种类及放电条件有关,改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小,可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。如光谱灯:低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源,统称为光谱灯。例如:低压汞灯的辐射波长为254nm;钠灯的辐射波长约为
5、589nm。它们经常用作光电检测仪器的单色光源。气体放电光源发出的热量少,对检测对象和光电探测器件的温度影响小,对电压恒定的要求也比白炽灯低。1.1.3电致发光光源电致发光:固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光;利用这种现象制成的器件称为电致发光器件,如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏。发光二极管LED(light emitting diode)具有体积小,寿命长(106-109h),工作电压低(12V),响应速度快(几个纳秒至几十纳秒)的优点,广泛用于飞机、计算机、仪器仪表、自动控制设备和民用电器上,作为显示、指示、照明、光源、光电开关、光电偶合、光电报警、光电遥控等元件使
6、用。1.1.4激光光源激光的英文是laser,它是“光受激辐射放大”(light amplification by stimulated emission of radiation)的缩写。某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量(如特定频率的辐射),从低能级跃迁到高能级上(受激吸收),如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数,就形成了粒子数反转,在特定频率的光子激发下,高能粒子集中地跃迁到低能级上,发射出与激发光子频率相同的光子(受激发射)。由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数,因此上述现象称为光的受激辐射放大。具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。1.2 光电效应及光电器件
7、1.2.1 光电效应 光照射在物体表面上就可看成是物体受到一连串能量为E的光子轰击,而光电效应就是由于该物体吸收到光子能量为E的光后产生的电效应。E=h.f,其中,h为普朗克常数,h=6.62610-34 J.S,f为光子频率。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类:(1)外光电效应。在光线作用下能使电子逸出物体表面的称为外光电效应。基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。一个电子只能接受一个光子的能量。因此要使一个电子从物体表面逸出,必须使光子能量大于该物体的表面逸出功。各种不同的材料具有不同的逸出功,因此对某特定材料而言,将有一个频率限Vo,称为“红限”。当入射光的频率低于o
8、时,不论入射光有多强,也不能激发电子;当入射频率高于Vo时,不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子,光越强则激发出的电子数目越多。(2)内光电效应。在光线作用下能使物体电阻率改变的称为内光电效应,又称光电导效应。基于该效应的光电器件有光敏电阻等。(3)半导体光生伏特效应。在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的称为半导体光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池、光敏晶体管等。基于外光电效应的光电器件属于真空光电器件,基于内光电效应和半导体光生伏特效应的光电器件属于半导体光电器件。1.2.2光敏电阻 光敏电阻是由具有内光电效应的光导材料制成的,为纯电阻器件。具有很高的灵敏度,光谱响应的范围宽
9、(从紫外区域到红外区域),体积小、重量轻、性能稳定,机械强度高,耐冲击和振动,寿命长,价格低,被广泛应用于自动检测系统中。光敏电阻一般由金属的硫化物、硒化物、碲化物等组成,如硫化镉、硫化铅、硫化铊、硒化镉、硒化铅、碲化铅等。1光敏电阻的基本特性 (1)光电流:暗电阻(暗阻):光敏电阻在不受光照射时的电阻值;暗电流:光敏电阻在不受光照射时流过光敏电阻的电流称为暗电流;亮电阻(亮阻):光敏电阻在受光照射时的电阻值;亮电流:在受光照射时流过光敏电阻的电流称为亮电流;光电流:亮电流与暗电流之差称为光电流。暗阻越大越好,亮阻越小越好,这样光电流就大,光敏电阻的灵敏度就高。一般暗电阻超过1M欧姆,甚至10
10、0M欧姆;亮电阻在几千欧姆以下。(2)伏安特性:在一定的照度下,加在光敏电阻两端的电压与光电流之间的关系曲线,称为光敏电阻的伏安特性曲线。从图中看出:外加电压一定时,光电流的大小随光照的增加而增加;外加电压越高、光电流越大,没有饱和现象 但光敏电阻在使用时受耗散功率的限制,其两端电压不能超过最高工作电压。(3)光照特性:在一定外加电压下,光敏电阻的光电流与光通量的关系曲线,称为光敏电阻的光照特性。图1.4 光敏电阻的伏安特性曲线 图1.5 光敏电阻的光照特性曲线 光敏电阻的光照特性是非线性的,所以光敏电阻不宜用做定量检测元件,而常在自动控制中用做光电开关。(4)光谱特性:光敏电阻对于不同波长l
11、 的入射光,其相对灵敏度Kr是不同的。在选用光敏电阻时,应把元件与光源结合起来考虑,才能获得满意的结果。(5)频率特性:相对灵敏度Kr与光强度变化频率f之间的关系曲线。当光敏电阻受到光照射时,光电流要经过一段时间才能达到稳态值,而在停止光照后,光电流也不立刻为0,这是光敏电阻的时延特性。局限性:(1)由于光敏电阻的时延特性比较大,所以它不能用在要求快速响应的场合。(2)光敏电阻受温度影响较大,随着温度的升高,暗阻和灵敏度都下降。图1.6 光敏电阻的光谱特性 图1.7 光敏电阻的频率特性 图1.8 光敏电阻的光谱温度特性 1.2.3 光敏晶体管:包括光敏二极管、光敏三极管 1光敏二极管 (1)工
12、作原理。光敏二极管是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光敏元件。光敏二极管一般处于反向工作状态。光敏二极管在没有光照射时反向电阻很大,反向电流很小,此电流就是暗电流。当有光照射光敏二极管时,光子打在PN结附近,使PN结附近产生光生电子空穴对,它们在PN结处的内电场作用下定向运动形成光电流,即为短路电流。短路电流与光照度成比例,光的照度越大,光电流越强。在不受光照射时,光敏二极管处于截止状态;受光照射时,光敏二极管处于导通状态。图1.9 光敏二极管2光敏三极管(1)工作原理:光敏三极管是半导体光生伏特效应的原理制成的光敏元件,分为PNP型和NPN型两种。当有光照射光敏三极管时,光子打在PN结附近
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