傳感器技術(shù)第6講光電式傳感器.ppt

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第6講光電式傳感器 內(nèi)容 一 光電器件的基本概念 二 光電池 三 紅外傳感器 四 光電傳感器應(yīng)用舉例 目的 1 了解光電式傳感原理和結(jié)構(gòu) 2 掌握光電式傳器的特點(diǎn)及應(yīng)用知識(shí) 第6課光電式傳感器 1 什么是光電式傳感器 以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器稱光電式傳感器 2 用途主要用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量 如光強(qiáng) 光照度 輻射測(cè)溫 氣體成分分析等 也可用來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量 如零件直徑 表面粗糙度 應(yīng)變 位移 振動(dòng) 速度 加速度 以及物體的形狀 工作狀態(tài)的識(shí)別等 第6課光電式傳感器 3 特點(diǎn)光電式傳感器具有非接觸 響應(yīng)快 性能可靠等特點(diǎn) 因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用 近年來(lái) 新的光電器件不斷涌現(xiàn) 特別是CCD圖像傳感器的誕生 為光電式傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁(yè) 第6課光電式傳感器 4 外形特征 第6課光電式傳感器 4 外形特征 第6課光電式傳感器 4 外形特征 第一節(jié)光電器件的基本概念 光電器件 是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件 它是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件 光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng) 什么是光電效應(yīng) 在光照射在某些物質(zhì)上時(shí) 物質(zhì)的電子吸收光子的能量而發(fā)生電效應(yīng)現(xiàn)象 如導(dǎo)電率變化 釋放電子和產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)等 釋放的電子叫光電子 能產(chǎn)生光效應(yīng)的物質(zhì)叫電材料 第一節(jié)光電器件的基本概念 光電效應(yīng)分為以下三種類型 1 內(nèi)光電效應(yīng) 在光線作用下 物體的電導(dǎo)性能改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng) 如光敏電阻 2 外光電效應(yīng) 在光線作用下 能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng) 如光電管 光電倍增管 3 光生伏特效應(yīng) 在光線作用下 能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng) 即阻擋層光電效應(yīng) 如光電池 光敏晶體管 第一節(jié)光電器件的基本概念 一 光敏電阻傳感器 一 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理 結(jié)構(gòu) 它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì) 半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極 金屬電極與引出線端相連接 光敏電阻就通過(guò)引出線端接人電路 為了防止周圍介質(zhì)的影響 在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜 漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大 第一節(jié)光電器件的基本概念 一 光敏電阻傳感器 二 光敏電阻的主要參數(shù) 3 1 暗電阻光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻 此時(shí)流過(guò)的電流稱為暗電流 2 亮電阻光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻 此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流 3 光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流 第一節(jié)光電器件的基本概念 一 光敏電阻傳感器 三 光敏電阻的基本特性 3點(diǎn) 1 伏安特性在一定照度下 流過(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性 第一節(jié)光電器件的基本概念 一 光敏電阻傳感器 三 光敏電阻的基本特性 2 光譜特性光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與人射波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光譜特性 亦稱為光譜響應(yīng) 0 65um 1 05um 2 3um 第一節(jié)光電器件的基本概念 一 光敏電阻傳感器 三 光敏電阻的基本特性 3 溫度特性溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng) 同時(shí) 光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變 尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏晶體管 一 光敏二極的管結(jié)構(gòu) 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似 它裝在透明玻璃外殼中 其PN結(jié)裝在管的頂部 可以直接受到光照射 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏晶體管 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏三極管 二 光敏二極管的原理 當(dāng)光照射在PN結(jié)上 光子打在PN結(jié)附近 使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì) 它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng) 形成光電流 光的照度越大 光電流越大 因此光敏二極管在不受光照射時(shí) 處于截止?fàn)顟B(tài) 受光照射時(shí) 處于導(dǎo)通狀態(tài) 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏三極管 三 光敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理 光敏晶體管與一般晶體管相似 具有兩個(gè)PN結(jié) 只是它的發(fā)射極一邊做得很大 以擴(kuò)大光的照射面積 光敏二極管和光敏三極管的材料幾乎都是硅 si 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏三極管 三 光敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理 光照射在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近便產(chǎn)生光電流 幾微安 相當(dāng)于三極管的基極電流 于是在集電極c與基極b之間的PN結(jié)能產(chǎn)生幾毫安電流 相當(dāng)于三極管的集電極電流 光電三極管的通頻帶較窄 不如光電二極管性能穩(wěn)定 但靈敏度高 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏三極管 四 基本特性 1 光譜特性 從曲線可以看出 硅的峰值波長(zhǎng)約為0 9um 鍺的峰值波長(zhǎng)約為1 5um 此時(shí)靈敏度最大 而當(dāng)入要射光的波長(zhǎng)增加或縮短時(shí) 相對(duì)靈敏度也下降 一般來(lái)講 鍺管的暗電流較大 因此性能較差 故在可見光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí) 一般都用硅管 但對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí) 則鍺管較為適宜 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏晶體管 四 基本特性 2 伏安特性 從曲線可以看出 光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏晶體管 四 基本特性 3 溫度特性 暗電流及光電流與溫度的關(guān)系 稱光敏晶體管的溫度特性 什么是光敏晶體管的溫度特性 影響較大 影響較小 第一節(jié)光電器件的基本概念 二 光敏二極管和光敏晶體管 四 基本特性 幾種硅光電二極管的特性參數(shù) 第二節(jié)光電池 光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件 光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源 電路中有了這種器件就不需要外加電源 屬有源器件 第二節(jié)光電池 二 光電池結(jié)構(gòu) 外型圖 第二節(jié)光電池 三 光電池的工作原理 光電池實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié) 當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面 如P型面時(shí) 若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 那么P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴 電子 空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散 在結(jié)電場(chǎng)的作用下 最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì) 稱光生伏特效應(yīng) 第二節(jié)光電池 四 光電池的基本特性 1 光譜特性 光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度是不同的 硒光電池在0 5um附近 桂光電池在0 8um附近 第二節(jié)光電池 四 光電池的基本特性 2 光照特性 光電池在不同光照度下 光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的 它們之間的關(guān)系就是光照特性 流 第二節(jié)光電池 四 光電池的基本特性 3 溫度特性 光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況 使用時(shí) 必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償 第二節(jié)光電池 四 光電池的基本特性 4 特性參數(shù) 國(guó)產(chǎn)硅光電池的特性參數(shù) 第三節(jié)紅外傳感器 紅外技術(shù)是在最近幾十年中發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù) 它已在科技 國(guó)防和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用 一 紅外傳感器分類 五類 1 紅外輻射計(jì) 用于輻射和光譜輻射測(cè)量 2 搜索和跟蹤系統(tǒng) 用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo) 確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)行進(jìn)行跟蹤 3 熱成像系統(tǒng) 可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像 如紅外圖像儀 多光譜掃描儀等 4 紅外測(cè)距和通信系統(tǒng) 5 混合系統(tǒng) 是指以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或多個(gè)的組合 第三節(jié)紅外傳感器 二 紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 紅外輻射俗稱紅外線 它是一種不可見光 由于是位于可見光中紅色光以外的光線 故稱紅外線 它的波長(zhǎng)范圍大致在0 76 1000 m 紅外線在電磁波譜中的位置如圖所示 第三節(jié)紅外傳感器 二 紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 第三節(jié)紅外傳感器 二 紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 紅外線輻射的物理本質(zhì)是熱輻射 一個(gè)熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過(guò)紅外線輻射出來(lái)的 物體的溫度越高 輻射出來(lái)的紅外線越多 輻射的能量就越強(qiáng) 而且 紅外線被物體吸收時(shí) 可以顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?紅外輻射和所有電磁波一樣 是以波的形式在空間直線傳播的 它在大氣中傳播時(shí) 大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線存在不同的吸收帶 紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的 空氣中對(duì)稱的雙原子氣體 如N2 02 Hz等不吸收紅外線 第三節(jié)紅外傳感器 二 紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ) 第三節(jié)紅外傳感器 三 紅外探測(cè)器 紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng) 探測(cè)器 信號(hào)調(diào)理電路及顯示等組成 紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心 紅外探測(cè)器種類很多 常見的有兩大類 1 熱探測(cè)器2 光子探測(cè)器 第三節(jié)紅外傳感器 三 紅外探測(cè)器 1 熱探測(cè)器 熱探測(cè)器是利用紅外輻射的熱效應(yīng) 探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高 進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化 通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)的變化 便可確定控制器所吸收的紅外輻射 熱探測(cè)器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬 響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域 可以在室溫下工作 使用方便 應(yīng)用仍相當(dāng)廣泛 第三節(jié)紅外傳感器 三 紅外探測(cè)器 2 光子探測(cè)器 光子探測(cè)器是利用入射紅外輻射的光子流與探測(cè)器材料中的電子相互作用 從而改變電子的能量狀態(tài) 引起各種電學(xué)現(xiàn)象 稱光子效應(yīng) 通過(guò)測(cè)量材料電子性質(zhì)的變化 可以知道紅外輻射的強(qiáng)弱 利用光子效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器 統(tǒng)稱光子探測(cè)器 光子探測(cè)器的主要特點(diǎn)是靈敏度高 響應(yīng)速度快 具有較高的響應(yīng)頻率 但探測(cè)波段較窄 一般需在低溫下工作 第四節(jié)光電傳感器應(yīng)用舉例 1 紅外測(cè)溫儀 第四節(jié)光電傳感器應(yīng)用舉例 2 紅外線氣體分析儀 第四節(jié)光電傳感器應(yīng)用舉例 2 紅外線氣體分析儀 放大器 反射鏡 旋轉(zhuǎn)光柵 參比室 濾波氣室 測(cè)量室 紅外探測(cè)器 電容型 光源 鎳鉻絲3 10um的紅外光 定片 動(dòng)片 放大器 被測(cè)氣體 參比氣體 電機(jī) 發(fā)熱器 反光罩 紅外測(cè)溫儀 完