光电式传感器_课件

,*,传感与检测技术,*,*,传感与检测技术,*,2024/11/11,传感与检测技术,1,传感与检测技术,主讲：自动化学院检测教研室,刘红丽,2023/8/5传感与检测技术1传感与检测技术主讲：自动化学,2024/11/11,传感与检测技术,2,主要内容：,3.6.1,光电效应,3.6.2,光电器件,光电管,、,光电倍增管,、,光敏电阻,、,光电晶体管,、,光电池,、,其他光电器件,、,电荷耦合器,3.6.3,光电式传感器的应用,3.6,光电式传感器,2023/8/5传感与检测技术2主要内容：3.6 光电式,2024/11/11,传感与检测技术,3,3.6,光电式传感器,概述,光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，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。,光敏器件种类很多，如：,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。,在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。,2023/8/5传感与检测技术33.6光电式传感器概述,2024/11/11,传感与检测技术,4,3.6,光电式传感器,概述,指纹锁,门禁,光,电,鼠,标,2023/8/5传感与检测技术43.6光电式传感器概述,2024/11/11,传感与检测技术,5,3.6,光电式传感器,概述,料位自动控制,电动扶梯自动启停,光电开关,2023/8/5传感与检测技术53.6光电式传感器概述,2024/11/11,传感与检测技术,6,由于能源和电力资源的匮乏，自动扶梯在空载状态下的运转成为一种巨大的浪费。因此，我们设想，如果能让自动扶梯自动检测到空载状态一段时间后，指令扶梯由全速运转减速至半速运转。在人员进出相对不频繁的场所，基于上述思想，自动扶梯检测到空载状态一段时间后，将由全速运转逐渐减速直到停止运转，这样便可实现节省电能达,30%,50%,左右。当有乘客踏上自动扶梯床盖板时，扶梯可通过设置在床盖板入口处的光电感应装置自动感知乘客的到来，开始全速运转。,电动扶梯自动启停,AOI SMT,2023/8/5传感与检测技术6由于能源和电力资源的匮乏，自,2024/11/11,传感与检测技术,7,3.6,光电式传感器,概述,光栅,光纤,光电管,光敏电阻,2023/8/5传感与检测技术73.6光电式传感器概述,2024/11/11,传感与检测技术,8,3.61,光电效应,3.6,光电式传感器,传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为：,外光电效应,:,在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管,光电倍增管等。,内光电效应,光电导效应,:,在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为光电导效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻，光敏晶体管等。,光生伏特效应,:,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，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。,2023/8/5传感与检测技术8 3.61 光电效应 3.6,2024/11/11,传感与检测技术,9,3.6.1,光电效应,工作原理,(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。,光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个,光子具有的能量是：,普朗克常数,(),光的频率（,Hz,），波长短，频率高，能量,大,2023/8/5传感与检测技术9 3.6.1 光电效应工作原,2024/11/11,传感与检测技术,10,3.6.1,光电效应,1,工作原理,如果光子的能量,E,大于电子的逸出功,A,，超出的能量表现在电子逸出的功能，电子逸出物体表面，产生光电子发射。,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。,由能量守恒定律有：,2023/8/5传感与检测技术10 3.6.1 光电效应,2024/11/11,传感与检测技术,11,光电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。,这种效应几乎所有高电阻,率半导体都有，为使电子从,价带激发到导带，入射光子,的能量,E,0,应大于禁带宽度,E,g,。,基于光电导效应的光电器件,有光敏电阻。,3.61,光电效应,1,工作原理,(2),内光电效应,2023/8/5传感与检测技术11光电导效应：入射光强改变物,2024/11/11,传感与检测技术,12,3.6.1,光电效应,1,工作原理,光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在,PN,结上产生电动势的效应。,为什么,PN,结会因光照产生光生伏特效应呢？,有下面两种情况：,不加偏压的,PN,结,处于反偏的,PN,结,(2),内光电效应,2023/8/5传感与检测技术12 3.6.1 光电效,2024/11/11,传感与检测技术,13,不加偏压的,PN,结,当光照射在,PN,结时，如果电子能量大于半导体禁带,宽度（,E,0,E,g,）,可激发出电子,空穴对，在,PN,结内电场作用下空穴移向,P,区，而电子移向,N,区，,使,P,区和,N,区之间产生电压，,这个电压就是光生电动势,.,基于这种效应的器件有,光电池,3.6.1,光电效应,1,工作原理,(2),内光电效应,2023/8/5传感与检测技术13 不加偏压的PN结,2024/11/11,传感与检测技术,14,处于反偏的,PN,结：,无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；,有光照时，光子能量足够大产生光生电子,空穴对，,在,PN,结电场作用下，形成光电流，,电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。,具有这种性能的器件有：,光敏二极管、光敏晶体管,.,3.6.1,光电效应,1,工作原理,(2),内光电效应,2023/8/5传感与检测技术14 处于反偏的PN结：,2024/11/11,传感与检测技术,15,3.6.2,光电器件,（,1,）光电管,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,（,E,A,），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。,因此,2023/8/5传感与检测技术153.6.2 光电器件,2024/11/11,传感与检测技术,16,3.6.2,光电器件,（,1,）光电管,2023/8/5传感与检测技术163.6.2 光电器件,2024/11/11,传感与检测技术,17,3.6.2,光电器件,（,1,）光电管,2023/8/5传感与检测技术173.6.2 光电器件,2024/11/11,传感与检测技术,18,光电管器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。,1.,光电管的伏安特性,在一定的光照射下，对光电器件的阳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,3,图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。（,光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的区域内）,图,3a,真空光电管的伏安特性 图,3b,充气光电管的伏安特性,2023/8/5传感与检测技术18光电管器件的性能主要由伏,2024/11/11,传感与检测技术,19,光通量,的单位。发光强度为,1,坎德拉,(cd),的点光源，在单位立体角（,1,球面度）内发出的光通量为“,1,流明”。英文缩写,(lm),。,所谓的流明简单来说，就是指蜡烛一烛光在一公尺以外的所显现出的亮度,.,一个普通,40,瓦的白炽灯泡，其发光效率大约是每瓦,10,流明，因此可以发出,400,流明的光,.40,瓦的白炽灯,220,伏时，光通量为,340,流明。光通量是描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力，单位是,流明,，也叫明亮度。,2023/8/5传感与检测技术19光通量的单位。发光强度为,2024/11/11,传感与检测技术,20,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,4,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。,图,4,光电管的光照特性,2.,光电管的光照特性,2023/8/5传感与检测技术20通常指当光电,2024/11/11,传感与检测技术,21,3.,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，它们有不同的极限频率，因此它们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极限频，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。,2023/8/5传感与检测技术213.光电管光谱特性,2024/11/11,传感与检测技术,22,3.6.2,光电器件,（,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。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。,光电倍增管是利用二次电子释放效应，在外接电场的作用下高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。,2023/8/5传感与检测技术223.6.2 光电器件,2024/11/11,传感与检测技术,23,3.6.2,光电器件,（,2,）光电倍增管,2023/8/5传感与检测技术23 3.6.2 光电,2024/11/11,传感与检测技术,24,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），在阳极和阴极之间加有几百上千伏的高压，每个倍增极间有,100,200V,高压，电流增益在,10,5,数量极。,倍增极外加电压,U,d,与增益,G,的关系近似为：,式中：,K,常数,N,光电倍增管倍增极数,3.6.2,光电器件,（,2,）光电倍增管,2023/8/5传感与检测技术24 光电倍增管的,2024/11/11,传感与检测技术,25,上式可见，外加电压,U,d,的变化引起光电倍增管增益的变化，因此对供给光电倍增管的工作电源电压要求较高，必须有极好的稳定性,（,2,）光电倍增管,增益变化为：,2023/8/5传感与检测技术25 上式可见，外加电压,2024/11/11,传感与检测技术,26,光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度,一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。,而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达,10A/lm,，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。,2023/8/5传感与检测技术26光电阴极灵敏度和光电倍增管,2024/11/11,传感与检测技术,27,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,l,m,时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图,6,所示。,光电倍增管的光照特性,2023/8/5传感与检测技术27光电倍增管的光谱特性,2024/11/11,传感与检测技术,28,（,3,）光敏电阻,光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。,光敏电阻结构及符号,3.6.2,光电器件,2023/8/5传感与检测技术28（3）光敏电阻 光敏电,2024/11/11,传感与检测技术,29,其优点是灵敏度高，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。不足有需要外部电源，有电流时会发热