第七章光电式传感器2011
《光电式传感器》课件
光电式传感器的Байду номын сангаас类
• 总结词:光电式传感器有多种分类方式,如按工作方式可分为直接转换 型和间接转换型,按输出信号可分为模拟输出和数字输出等。
• 详细描述:根据工作方式的不同,光电式传感器可以分为直接转换型和间接转换型两类。直接转换型传感器利用光电效 应直接将光信号转换为电信号,如光电管、光电倍增管等;而间接转换型传感器则通过其他物理效应将光信号转换为电 信号,如光电池、光电晶体管等。此外,根据输出信号的不同,光电式传感器可以分为模拟输出和数字输出两类。模拟 输出型传感器输出连续变化的电信号,如光电管和光电池;数字输出型传感器则输出离散的电信号,如光电码盘和光电 开关等。
联网领域的应用越来越广泛。未来,需要加强光电式传感器在这些领域
的应用研究,推动相关技术的进步和发展。
03
交叉学科融合发展
光电式传感器涉及到多个学科领域,如物理学、化学、生物学等。未来
,需要加强交叉学科的融合发展,推动光电式传感器在更多领域的应用
和创新。
光电式传感器通常采用光信号传输,不易 受到电磁干扰的影响,具有较好的抗干扰 能力。
光电式传感器的缺点
对环境光敏感
光电式传感器容易受到环境光的影响 ,特别是在室外或者强光环境下,测 量精度会降低。
成本较高
光电式传感器通常需要使用高精度的 光学元件和电子元件,导致其成本较 高。
需要稳定的光源和检测器
光电式传感器需要稳定的光源和检测 器,以保证测量的准确性和稳定性。
《光电式传感器 》PPT课件
目录
• 光电式传感器概述 • 光电式传感器的应用 • 光电式传感器的优缺点 • 光电式传感器的发展趋势 • 光电式传感器的研究现状与展望
01
传感器(电子教案)第7章
表示当光电管的阳级电压一定时,阳极电流I与入射在阴极上 光通量φ之间的关系。
2.伏安特性
当入射光的频谱及光通量一定时,阳极与阴极之间的电压同 光电流的关系叫伏安特性 ,如图7-4(c)所示。
3.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。 保持光通量和阳极电压不变,阳极电流与光波长之间的关系 叫光电管的光谱特性。光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯 性特性、暗电流和衰老特性等,使用时应根据产品说明书和 有关手册合理选用。
第7 章
光电式传感器
光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。 光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。
7.1光电效应 7.2光电元件及其特性 7.3光电式传感器的测量电路 7.4光电传感器及其应用 7.5光纤传感器 7.6电荷耦合器件(CCD) 7.7光栅式传感器 7.8激光式传感器 本章要点
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7.1 光电效应
由光的粒子学说可知,光可以认为是由具有一定能量的粒 子所组成,而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。 光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击 在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后 产生的电效应。从传感器的角度看光电效应可分为二大类型。
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7.3光电式传感器的测量电路
要使光电式传感器能很好地工作。除了合理选用光 电转换元件外,还必须配备合适的光源和测量线路。 7.3.1光源 发光二极管 图7-14 真空光电管的差接测量电路 钨丝灯泡 图7-15 光电倍增管的测量电路 电弧灯或石英灯 激光 图7-16 光敏电阻开关电路 7.3.2测量电路 图7-18 具有温度补偿的光敏二极管 光电管的测量电路 测量电路 光电倍增管的测量电路 光敏电阻的测量电路 光敏晶体管的测量电路 光电池的测量电路
光电式传感器工作原理
光电式传感器工作原理
光电式传感器利用光电效应的原理来感知物体的存在或测量物体的位置、距离等信息。
其工作原理如下:
1. 光电效应:光电效应是指当光线照射到某些物质表面时,能够使物质中的电子获得足够的能量从而从原子或分子中脱离出来。
这些脱离的电子称为光电子。
2. 光电传感器结构:光电式传感器通常由光源、探测器和信号处理电路组成。
光源一般为发光二极管(LED)或激光二极管(LD),用来发射光束。
探测器一般为光敏元件,如光敏电阻、光敏二极管、光电二极管等,用来接收光束。
信号处理电路则用来处理探测器接收到的光强信号,并将其转化为电信号输出。
3. 功能原理:光电式传感器的工作原理可以分为两种不同的方式。
- 光电隔离式:光源和探测器分别位于传感器的两侧,通过
光束在两侧之间的遮挡来感知物体的存在。
当物体遮挡了光束,探测器接收到的光强就会减弱,从而触发传感器输出信号。
这种方式常用于物体检测、计数和测量等应用。
- 反射式:光源和探测器位于同一侧,通过物体对光线的反
射来感知物体的存在或测量物体的位置。
当光束照射到物体上并反射回探测器时,探测器接收到的光强会发生变化,从而触发传感器输出信号。
这种方式常用于物体的位置检测和距离测
量等应用。
总的来说,光电式传感器利用光电效应,通过光源和探测器的组合来感知物体的存在或测量物体的位置、距离等信息。
不同的工作方式可以适用于不同的应用场景。
七章节光电式传感器
7.1 光电效应
(1)结光电效应。 以PN结为例,当光照射PN结时,若光子能量大于半
导体材料的禁带宽度Eg,则使价带的电子跃迁到导带,产生 自由电子—空穴对。在PN结阻挡层内电场的作用下,被激发 的电子移向N区的外侧,被激发的空穴移向P区的外侧,从而 使P区带正电,N区带负电,形成光电动势。
基于结光电效应的光电元件有光电池和光电晶体管等。
7.2光电元件
.
图7-8 光电倍增管的光电特性
7.2光电元件
(4)光电倍增管的暗电流
光电倍增管暗电流的定义和产生的原因与光电管一 样,只是多了倍增极二次发射的影响。光电倍增管中光电 阴极和各倍增极都有热电子发射,由于光电倍增管中电流 是逐级倍增的,所以在热电子发射中,光电阴极和第一倍 增极的热电子发射是主要的。为了减少由管座各极之间漏 电流形成的暗电流,有时将阳极单独引出来,此外,管内 电子将残余气体和铯原子电离,正离子将奔向阴极并轰击 产生二次电子发射,这些电子再经倍增极放大输出,增加 了暗电流。
7.2光电元件
.
图7-4 光电管的光照特性
7.2光电元件
7.2.2光电倍增管 当入射光很微弱时,普通光电管产生的光电流很小,只
有零点几个微安,造成的测量误差将很大,甚至无法检测。 为了提高光电管的灵敏度,在光电管的阴极和阳极之间安装 一些倍增极,就构成了光电倍增管。光电倍增管实际上是光 电阴极和二次电子倍增器的结合。当电子或光子以足够大的 速度轰击金属表面而使内部的电子逸出金属表面时,这种逸 出金属表面的电子叫做二次电子。二次电子的数目不仅取决 于入射光粒子的数目,还与入射光粒子的速度、金属的性质 等有关。
与各倍增极之间电压保持恒定条件下,阳极电流IA(光电 流)与最后一级倍增极和阳极间电压UAD的关系,典型光 电倍增管伏安特性如图7-7所示。它是在不同光通量下的 一组曲线族。象光电管一样,光电倍增管的伏安特性曲线 也有饱和区,照射在光电阴极上的光通量越大,饱和阳极 电压越高,当阳极电压非常大时,由于阳极电位过高,使 倒数第二级倍增极发出的电子直接奔向阳极,造成最后一 级倍增极的入射电子数减少,影响了光电倍增管的倍增系 数,因此,伏安特性曲线过饱和区段后略有降。
《传感器技术与应用》课件第七章光电式传感器
05
光电式传感器的优缺点 与发展趋势
光电式传感器的优点
测量精度高
非接触测量
光电式传感器采用光信号作为测量媒介, 具有较高的测量精度和灵敏度,能够实现 微小量的精确测量。
光电式传感器通过光信号与被测物体的相 互作用进行测量,无需直接接触被测物体 ,能够减少对被测物体的损伤和磨损。
光电二极管和光电晶体管
光电二极管
利用内光电效应制成的光电转换器件,能够 将入射光的辐射能转换为电流。
光电晶体管
在普通晶体管的基础上增加光敏基区,利用 内光电效应实现光信号的放大和调制。
光电耦合器
光电耦合器定义
将发光器件和光敏器件封装在同一壳 体内,通过光的传输实现电信号的传 输与隔离的器件。
光电耦合器原理
响应速度快
抗干扰能力强
光电式传感器具有较快的响应速度,能够 实现快速动态测量和实时控制。
光电式传感器采用光信号传输,不易受到 电磁干扰的影响,能够在复杂的环境中进 行稳定测量。
光电式传感器的缺点
对光源依赖性强
光电式传感器依赖于特定光源,如激光、红外线等,需要稳定的 光源和光路系统,对光源的稳定性要求较高。
利用光纤传输光信号,通过光电器 件将光纤中的光信号转换为电信号。
光电式传感器的应用领域
工业自动化控制
用于检测生产线上的产品、测量长度和速度 等参数。
环境监测
用于检测空气质量、水质等环境参数。
医疗诊断
用于检测生物体的生理参数,如血压、脉搏 等。
安全防范
用于监控、报警等安全系统,保障人员和财 产安全。
发光器件发出光线,光敏器件接收光 线并转换为电信号,从而实现输入与 输出之间的电气隔离。
光电式传感器习习题集重点
第七章光电式传感器
7.1 简述光电式传感器的特点和应用场合,用方框图表示光电式传感器的组成。
7.2 何谓外光电效应光电导效应和光生伏特效应?
7.3 试比较光电池光敏晶体管光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。
7.4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能?它们对正确选用器件有什么作用?
7.5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件?试举例说明。
7.6 试用射线分析方法,阐明阶跃光纤的导光原理,并解释光纤数值孔径的物理意义。
7.7 举例说明光纤传感器各种调制方式的原理和应用。
7.8 说明光纤激光多普勒测速的原理和系统的组成。
7.9 试计算:基于法拉第旋光效应的石英光纤工频变流电流传感器的光纤匝数N。
已知:光纤线圈半径R=0.3m,电流有效值1000A,由其产生磁场引起光纤偏振光的最大偏转角为30度。
光电式传感器
光电式传感器光电式传感器是一种通过光信号来检测物体的位置、形状和颜色等信息的传感器。
它主要由光电元件、放大器电路、信号处理电路和输出电路等组成,可广泛应用于机器人、自动化生产线、计量仪器、安防监控等领域。
工作原理光电式传感器的主要工作原理是利用光电元件对物体反射和透射的光信号进行检测。
它通过发射一束光线照射到被探测物体上,然后检测被反射和透射的光线的强度、频率、相位等参数来确定被探测物体的存在和状态。
光电元件一般采用光电二极管、光敏电阻、光电管、光电晶体管等,而光线的发射和收集一般通过透镜、光纤和反光镜等实现。
分类及应用根据不同的工作原理和应用场景,光电式传感器可以分为多种类型。
其中比较常见的有:接近式光电传感器接近式光电传感器是一种最常用、最简单的光电式传感器。
它主要通过发射一束红外线照射到被测物体上,然后检测透射回来的光线的强度变化来判断被测物体是否存在。
接近式光电传感器广泛应用于人体检测、自动门、安全门和计量系统等方面。
光电开关光电开关是一种通过光电元件来检测、开关电路的传感器。
它主要通过发射一束光线来检测物体的存在和位置等信号,然后将信号(一般为0和1)传递给输出模块,以实现开闭等控制功能。
光电开关广泛应用于自动化生产线、安全门、包装机械、自动售货机等领域。
光电码盘光电码盘是一种通过光学编码来进行位置检测的传感器。
它主要通过在码盘的表面上覆盖光学码来检测旋转物体的位置、角度、方向等信息。
光电码盘广泛应用于电机控制、机器人、航空航天、导航和工业自动化等领域。
处理技术光电式传感器的检测精度和稳定性直接关系到其应用效果和可靠性。
因此,传感器制造商一直致力于探索改进传感器的处理技术。
目前,主要的处理技术包括增益调整、滤波、线性化、自动校正等。
其中增益调整是通过调整放大器的增益来提高传感器的灵敏度和稳定性,滤波则是通过滤除噪音信号来提高传感器的检测精度。
而线性化和自动校正则是通过将传感器输出信号进行线性化处理和自动调整校准,来提高传感器的可靠性和准确性。
(整理)第七章光电传感器习题答案
•第七章光敏传感器•1.光电效应通常分为哪几类?简要叙述之。
与之对应的光电器件有哪些?•2.半导体内光电效应与入射光频率的关系是什么?3.光电倍增管产生暗电流的原因有哪些?如何降低暗电流?•4.试述光电倍增管的组成及工作原理?•5.简述光敏二极管和光敏三极管的结构特点、工作原理及两管的区别?•6.为什么在光照度增大到一定程度后,硅光电池的开路电压不再•随入射照度的增大而增大?硅光电池的最大开路电压为多少?•7.试举出几个实例说明光电传感器的实际应用,并进行工作原理的分析。
答案:一、光电效应分为两类:外光电效应和内光电效应外光电效应:入射光子被物质的表面所吸收,并从表面向外部释放电子的一种物理现象。
基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。
内光电效应当光照在物体上,使物体的电导率发生变化,或产生光生电动势的现象。
分为光电导效应(如:光敏电阻)和光生伏特效应(如光电池、光电二极管、光电三极管)。
二、、对于不同的本征半导体材料,禁带宽度Eg不同,对入射光的波长或频率的要求也不同,一般都必须满足:7he1.24「hv=T^^-Eg式中v、A分别为入射光的频率和波长。
对于杂质半导体:Ei为杂质电离能三、1、欧姆漏电欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。
欧姆漏电通常比较稳定,对噪声的贡献小。
在低电压工作时,欧姆漏电成为暗电流的主要部分。
在使用光电倍增管时,保证管壳和所有连接件的清洁干燥是十分必要的。
2、热发射由于光电阴极材料的光电发射阈值较低,容易产生热电子发射,即使在室温下也会有一定的热电子发射,并被电子倍增系统倍增。
要减小热电子发射,应选用热发射小的阴极材料,并在满足使用的前提下,尽量减小光电阴极的面积,降低光电倍增管温度。
3、残余气体放电光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离,产生正离子和光子,它们也将被倍增,形成暗电流。
这种效应在工作电压高时特别严重,使倍增管工作不稳定。
(完整word版)第7章 光电式传感器习题
第7章光电式传感器习题1. 什么是光电效应? 什么是内、外光电效应?当用光照射物体时,物体受到一连串具有能量的光子的轰击,于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应(如电阻率变化、发射电子或产生电动势等)。
这种现象称为光电效应。
2 试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异.给出什么情况下应选用哪种器件最为合适的评述。
3假如打算设计—种光电传感器,用于控制路灯的自动亮灭(天黑自动点亮,天明白动熄灭)。
试问可以选择哪种光电器件?试设计电路。
4光电转速传感器的测量原理是将被测轴的转速变换成相应频率的脉冲信号,然后,测出脉冲频率即可测得转速的数值。
试根据这一思路画出光电转速传感器的检测变换部分的工作原理示意图,图中的光电转换元件选用哪种光电器件比较合适?为什么?5 利用光敏器件制成的产品计数器,具有非接触、安全可靠的特点,可广泛应用于自动化生产线的产品计数,如机械零件加工、输送线产品、汽水、瓶装酒类等。
还可以用来统计出入口入员的流动情况。
试利用光电传感器设计一产品自动计数系统,简述系统工作原理。
产品计数器的工作原理,如图所示。
产品在传送带上运行时,不断地遮挡光源到光敏器件间的光路,使光电脉冲电路随着产品的有无产生一个个电脉冲信号。
产品每遮光一次,光电脉冲电路便产生一个脉冲信号,因此,输出的脉冲数即代表产品的数目。
该脉冲经计数电路计数并由显示电路显示出来一、单项选择题1、晒太阳取暖利用();人造卫星的光电池利用();植物生长利用了();A光电效应 B 光化学效应 C 光热效应 D 感光效应2、蓝光的波长比红光(),相同光通量的蓝光能量比红光()。
A大 B 小 C长 D短3、光敏二极管属于( B ),光电池属于()。
A外光电效应 B 内光电效应 C光生伏特效应4、光敏二极管在测光电路中应处于()偏置状态,光电池处于偏置状态( )A正向 B反向 C零5、光纤通信中,与出射光纤耦合的光电元件选用()。
光电式传感器原理
光电式传感器原理
光电式传感器原理如下:
光电传感器是一种利用光的特性来感知环境的设备,其原理主要基于光的电磁性质以及光电效应。
光电传感器通常由光源、光敏元件和信号处理电路组成。
光源可以是LED或激光器,用来产生光信号。
光敏元件一般采用光电二极管或光敏电阻,根据光的照射强度来转化为电信号。
信号处理电路将光敏元件产生的电信号转化为可供使用的信号。
当光照射到光敏元件上时,光敏元件会有电流产生,即光能转化为电能。
随后,信号处理电路将电信号进行放大、滤波等处理,最终输出电压或电流信号,实现对环境的光照强度、物体位置、速度等的检测。
光电传感器具有精度高、测量范围宽、稳定性强、反应速度快等优点。
与传统的机械式传感器相比,光电式传感器具有更高的测量精度和可靠性,且输出信号稳定、响应速度快。
因此,光电式传感器在工业生产、交通运输、航空航天等领域中得到了广泛应用。
光电式传感器的应用范围不断扩大,例如在智能家居中用于控制照明系统;在物流领域中用于自动分拣和跟踪;在农业领域中用于植物生长环境的监测和调控等。
随着科技的不断发展,光电式传感器的性能和功能将得到进一步提升,为人们的生活和工作带来更多的便利和安全保障。
总之,光电式传感器是一种利用光电效应的原理进行工作的传感器。
其具有精度高、测量范围宽、稳定性强、反应速度快等优点,因此在许多领域中得到了广泛应用。
随着科技的不断发展,光电式传感器的性能和功能将得到进一步提升,为人们的生活和工作带来更多的便利和安全保障。
传感器与检测技术光电式传感器解读
二、光子探测器
光子探测型器件基于光电效应原理,即利用光 子本身能量激发载流子。这类器件有一定的截 止波长,但响应速度快,灵敏度高,使用最为 广泛。
什么是光电效应?
光是由光子组成的,其能量和频率关系为
E=hf
光照在物体上可看成是一连串具有能量为E的光 子轰击物体,如果光子能量足够大,物质内部
第七章 光电式传感器
整理ppt
组成
光电传感器一般由辐射源、光学通路、光电器 件组成。
工作原理
首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然 后通过光电转换元件变换成电信号。
被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将待 测信息调制到光波上,通过改变光波的强度、 相位、空间分布和频谱分布等,由光电器件 将光信号转化为电信号。电信号经后续电路 解调分离出被测量信息,实现测量。
特点:灵敏度高,体积小,重量轻,光 谱响应范围宽,机械强度高,耐冲击和 振动,寿命长。纯电阻元件,无源器件, 有电流通过时,会产生热的问题。电路 简单。适用于红外探测。
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(三)光电结型探测器 与光电导型工作原理相似,利用光子引 起的电子跃迁将光信号转变为电信号, 只是光照射在半导体结上而已,。 主要有:光电二极管和光电三极管。
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图7-8 硅光电池构造原理和图示符号
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半导体光电器件的特性 包括:光电特性、伏安特性、光谱特性、件的光电特性
a)硒光敏电阻的光电特性 b)光敏晶体管的光电特性 c)硅光电池的光电特性
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图7-11 半导体光电器件的伏安特性
a)光敏电阻的伏安特性 b)锗光敏晶体管的伏安特性 c)硅光电池的伏安特性
气体放电光源 激光器 电致发光器件
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传感器(第6版) PPT课件第7章
第二节 光电器件
一、热探测器 原理及特点:基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器, 它的突出优点是能够接收超低能量的光子,具有宽广和平坦的光谱响应, 尤其适用于红外的探测。 种类:测辐射热电偶、测辐射热敏电阻和热释电探测器。 1、测辐射热电偶 与常规热电偶相似,只是在电偶的一个接头上增加光吸收涂层,当 有光线照射到涂层上,电偶接头的温度随之升高,造成温差电势。 2、测辐射热敏电阻 用热敏电阻代替了热电偶,当有光线照射到涂层上,首先引起温度 的变化,热敏电阻再将温度转化为电阻值的变化。
第一节 光源
四、激光器 激光产生的过程: ➢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。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
传 感 器(第6版)
哈尔滨工业大学 唐文彦 主编
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
第七章 光电式传感器
第一节 光源 第二节 光电器件 第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件 第四节 光纤传感器 第五节 光栅式传感器 第六节 激光式传感器
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第七章 光电式传感器
波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线
第一节 光源
红外线:波长780—106nm 波长3μm(即3000nm)以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
光电式传感器的工作原理
光电式传感器的工作原理
光电传感器是一种利用光电效应来感知物体的装置。
它包含一个光源和一个光电二极管(或光敏电阻)。
当光源照射在物体上时,光会被物体反射、散射或吸收。
光电二极管(或光敏电阻)可以感受到这些光的变化。
光电二极管是一种特殊的二极管,它的阳极与阴极之间的电流会随着光照强度的变化而变化。
当光源照射在物体上时,物体会反射一部分光,并且光电二极管会感受到这些反射光的变化。
通过测量光电二极管的电流变化,我们可以确定物体的存在与否,以及物体的位置、形状和颜色等信息。
一种常见的光电传感器是光电开关。
当物体经过光电开关的感应区域时,光电二极管会受到反射光的变化而产生电流变化。
通过监测电流变化,我们可以检测物体的到来并触发相应的操作。
另一种常见的光电传感器是光电编码器。
光电编码器利用光电效应来测量物体的位置和运动。
它包含一个光源和多个光电传感器阵列,当物体经过光电编码器时,光电传感器会记录物体与光源之间光斑的变化。
通过分析光斑的模式和变化,我们可以确定物体的位置和运动状态。
总的来说,光电式传感器的工作原理是利用光电效应来感知物
体,并通过测量光的反射、散射或吸收来获取物体的信息。
它在工业自动化、光电检测、位置测量等领域具有广泛的应用。
光电式传感器工作原理
光电式传感器工作原理
光电式传感器是一种能够将光信号转化为电信号的装置。
其工作原理基于光电效应,即当光线照射到光敏元件上时,会引起该元件内部电子的跃迁,从而产生电流或电压。
光电式传感器通常由发射器和接收器两部分组成。
发射器通常是一个光源,它会产生一个特定的光束,并将其照射到待测物体上。
接收器则是光敏元件,它能够接收被物体反射、散射或透过的光束。
当光线照射到待测物体上时,一部分光线会被物体吸收,一部分光线会被物体反射回来。
接收器会接收到被物体反射回来的光线,并将其转化为相应的电信号。
这个电信号可以被放大、处理和解读,从而得到相应的物体信息。
光电式传感器可以应用到各种不同的领域中,如自动控制、检测和测量。
在自动控制中,它可以用来检测物体的位置、颜色、形状等属性,从而实现自动化的控制系统。
在检测和测量中,它可以用来检测流体的液位、物体的距离、物体的速度等参数。
总的来说,光电式传感器通过光电效应将光信号转化为电信号,从而实现对物体进行检测和测量的功能。
其工作原理简单而有效,被广泛应用于各个领域中。
第七章 光电型传感器与测量电路
2.光生伏特效应及器件 光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。 当PN结两端没有外加电场时,在PN结势垒区内仍然存在着 内建结电场,其方向是从N区指向P区,如图7-12所示。 当光照射到结区时,光照 产生的电子一空穴对在结电场 作用下,电子推向N区,空穴推 向P区;电子在N区积累和空穴 在P区积累使PN结两边的电位 发生变化,PN结两端出现一个 因光照而产生的电动势,这一 现象称为光生伏特效应。由于 它可以像电池那样为外电路提 供能量,因此常称为光电池。
图7-8 金属封装的CdS光敏电阻
图7-9 光电二极管原理图
(2) 光敏二极管PN结可以光电导效应工作,也可以光生伏特 效应工作。如图7-9所示,处于反向偏置的PN结,在无光照时 具有高阻特性,反向暗电流很小。当光照时,结区产生电子一 空穴对,在结电场作用下,电子向N区运动,空穴向P区运动, 形成光电流,方向与反向电流一致。光的照度愈大,光电流愈 大。由于无光照时的反偏电流很小,一般为纳安数量级,因此 光照时的反向电流基本上与光强成正比。
图7-3 光电管
光电倍增管的结构如图7-4 所示。在玻璃管内除装有光电 阴极和光电阳极外,尚装有若 干个光电倍增极。光电倍增极 上涂有在电子轰击下能发射更 多电子的材料。光电倍增极的 形状及位置设置得正好能使前 一级倍增极发射的电子继续轰 击后一级倍增极。在每个倍增 极间均,依次增大加速电压。 光电倍增管的主要特点是: 光电流大,灵敏度高,其倍增 率为N=δn,其中δ为单极倍增 率(3~6),n为倍增极数(4~14)。
7.3常用光电器件
光电器件是光电传感器的重要组成部分,对传感器的性能 影响很大。光电器件是基于光电效应工作的,种类很多。所谓 光电效应,是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的 能量而产生的电效应。一般地,光电效应分为外光电效应和内 光电效应两类。因此,光电器件也随之分为外光电器件和内光 电器件两类。 7.3.1 外光电效应及器件 在光的照射下,电子逸出物体表面而产生光电子发射的现 象称为外光电效应。 根据爱因斯坦假设: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ε大于该 物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A, 因此对某特定材料而言,将有一个频率限νo(或波长限λ0),称 为“红限”,不同金属光电效应的红限见表7-2。
《光电式传感器讲》PPT课件
材料 CuSe-ZnSe ZnxCd1-xTe GaAs1-xPx
InPxAs1-x InxGa1-xAs
波长/nm 400~630 590~830 550~900 910~3150 850~1350
发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓 曲线有两根,这是因为其材质成分稍有差异而得到不
c
hc Eg
价带
价电子所占能带
基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
2).光生伏特效应:在光作用下能使物体产生一定方 向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二 极管、三极管。
① 势垒效应(结光电效应)
光照射PN结时,若h≧Eg,使价带中的电子跃迁
到导带,而产生电子空穴对,在阻挡层内电场的作用
7.1 概 述 1 光的特性 光波是波长为10~106nm的电磁波。
紫外光 可见光
红外光
10 nm 380 nm 780 nm
1000,0Байду номын сангаас0 nm
性质:光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和
吸收等性质。
1905年,爱因斯坦提出了光
子假设:光在空间传播时,
是不连续的,也具有粒子性,
即一束光是一束以光速运动
(3)液体激光器 种类:螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激 光器,其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大 特点是发出的激光波长可在一段范围内调节,而且效 率也不会降低,因而它能起着其他激光器不能起的作 用。
(4)半导体激光器 与前几种相比出现较晚,其成熟产品是砷化镓激光 器。特点:效率高、体积小、重量轻、结构简单, 适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带。 其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择 的波长主要局限在红光和红外区域。
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6
工作原理:光电流逐级倍增 光照射->光电子->加速打在倍增级D1-> 加速打在倍增级D2,二次发射->…->A
光电发射材料( 光电发射材料(铯)
7
二、光敏电阻 (光导管) CrS
1、原理: 原理: 光导效应——半导体材料在光线作用下电阻变小。 光导效应——半导体材料在光线作用下电阻变小。 ——半导体材料在光线作用下电阻变小 2、主要参数和基本特性 光电流 = 亮电流 - 暗电流 亮电流:有光照─ 亮电流:有光照─亮阻 ≤KΩ 暗电流:无光照─ 暗电流:无光照─暗阻 MΩ
4
4. 激光光源
(1) 固体激光器 Nd:YAG激光器 输出功率可达15~250kW (2) 半导体激光器 波长0.85~1.65μm ,体积小, 输出功率已达3 kW (3) 液体激光器 染料激光器 采用有机染料为工作物质,利用 不同的染料可以获得不同波长的 激光
5
§2 光电器件
光电元件:光量→ 光电元件:光量→电量 一、光电倍增管 在光线作用下使电子逸出物体表 称为光电发射 光电发射, 面,称为光电发射,或外光电效 应。 光电倍增管适合于入射光较弱时 光电倍增管适合于入射光较弱时。 入射光较弱 可将光电子逐级倍增。 可将光电子逐级倍增。 放大倍数达10 信噪比大, 放大倍数达106─108,信噪比大, 线性好。 线性好。
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(二)莫尔条纹特性: 莫尔条纹特性: 同步性:光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动一个间距→ 同步性: 莫尔条纹移动一个间距→ 方向对应 放大性:夹角θ 放大性:夹角θ很小 → B>>W → 光学放大 → 提高灵敏度 准确性: 准确性:大量刻线 → 误差平均效应 → 克服局部误差 → 提高精度 方向性:垂直于角平分线, 方向性:垂直于角平分线,当夹角很小时 → 与光栅移动 方向垂直 可调性:夹角θ↓→ 条纹间距B↑ 可调性:夹角θ↓→ 条纹间距B↑ → 灵活
1.0 0.5
150
450
750
d(µm)
31
2 光纤温度传感器 将半导体材料夹持在光纤之间,当温度变化时, 半导体材料夹持在光纤之间,当温度变化时, 夹持在光纤之间 半导体材料的透光率发生变化,接收到的光量变化。 半导体材料的透光率发生变化,接收到的光量变化。 例如GaAs材料。 GaAs材料 例如GaAs材料。
透射式圆光栅传感器
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(二)反射式结构: 反射式结构: 光源 →主光栅 → 反射 →指示光栅 →光电元件
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(3)光栅传感器特点
)μm,测角± ①精度高:测长±(0.2+2×10-6L)μm,测角±0.1″ 精度高:测长±(0.2+2× ②量程大:透射式---光栅尺长(米),反射式---几十米 量程大:透射式---光栅尺长( ),反射式---几十米 ---光栅尺长 反射式--③响应快:可用于动态测量 响应快: 断电→ ④增量式:增量码测量 → 计数 断电→数据消失 增量式: ⑤要求高:对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、移动精度 要求高:对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、 ⑥成本高:电路复杂 成本高:
19
(四)面阵CCD-光敏元排列成二距阵
光敏元面阵 并 行 转 移 成 面阵
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CCD应用举例-尺寸测量
视频 处理器 计算 与 显示 控制器
光源
L=(Nd± 工件尺寸 L=(Nd±2d)M N:覆盖的光敏单元数 d:相邻光敏单元中心距离 0.013~0.03mm ±2d:图像末端两个光敏单元之间的最大误差 M:光学系统放大率,一般20~40倍
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三、光电结型探测器
光敏二极管: 光敏二极管:
在反向偏压下, 在反向偏压下,反向电流比无光 照时大几十倍
9
光敏三极管: 光敏三极管:
光照射在基极光照射在基极-集电极结上 产生光电流, 时,产生光电流,并得到 放大。 放大。 比光敏二极管的光电流大 1+β) (1+β)倍。
10
四、光电池
光生伏特效应: 光生伏特效应:半导体器件受到光照射时产生一定 方向的电动势。 方向的电动势。 光照PN结 电子光照PN结→电子-空穴光生载流子 PN 目前应用最广──硅光电池 目前应用最广──硅光电池 ──
42
第七章 光电式传感器
本节介绍了光电式传感器的工作原理、光电元件、 新型光电元件及光纤传感器,通过学习,应该掌握 以下内容:
2 ∴ n0 sin θ c = n12 − n2 = NA
数值孔径
θc:φ达到φc时的入射角。 达到φ 时的入射角。
数值孔径反映纤芯接收光的能力, 数值孔径反映纤芯接收光的能力, 只有2θ 只有2θc张角之内的光能被光纤传播。
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二、光纤传感器
(一)功能型(物性型) 功能型(物性型) 1 光强度调制型
I −I D= I +I
2 2
1 1
——PSD PSD的长度 L ——PSD的长度 ——入射光点的位置 XA ——入射光点的位置
22
实用背景抑制光电测距传感器
检测距离:50 m 发射器发送的光由检测物反射回接收器。 传感器对接收器接收的光强大小进行比较。 可通过发射器与接收器角度调节形成背景抑制区域。
阶跃型 梯度型
石英
玻璃
塑料
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光纤传光原理
纤芯n1 > n2 包层 纤芯n
Φ
θ1 + φ = 90o
n0 sin θ c = n1 sin θ 1
2 n2 ∴ n0 sin θ c = n1 1 − cos 2 θ1 = n1 1 − sin 2 φc = n1 1 − 2 n1
n2 sinφc = n1
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切向光栅的环形 环形莫尔条纹 ② 切向光栅的环形莫尔条纹 ---栅距角相同 栅距角相同/ 两块切向光栅 ---栅距角相同/切线 圆半径不同/ 圆半径不同/同心叠合
环形光栅的辐射形 辐射形莫尔条纹 ③ 环形光栅的辐射形莫尔条纹 两块环形光栅(相同) 两块环形光栅(相同)--- 栅 线相对/ 线相对/不大的偏心量
信息获取技术
第七章 光电式传感器
主要内容
§1 光源 §2 光电器件 §3 电荷耦合器件和位置敏感器件 §4 光纤传感器 §5 光栅式传感器
2
光电式传感器测量原理
原理: 原理: 辐射源 被测量 光学通路 被测量 光电器件 输出
光电式传感器可分三大类: 光电式传感器可分三大类: .输出端为 输出端为“ 1 .输出端为“有”或“无”电信号两种状态 .产生的光电流是光通量的函数 2 .产生的光电流是光通量的函数 .反映被测体的形状 3 .反映被测体的形状
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(二)读出位移寄存器: 读出位移寄存器: MOS结构,底部有遮光层, MOS结构,底部有遮光层,三个电极组成一个耦合单元 结构
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电荷传输过程
线阵CCD 线阵
18
(三)线阵CCD-光敏元排成直线
光生电荷→ 正脉冲 Φ P →光生电荷→转移脉冲 Φ t →打开转移栅 Φ Φ Φ 依次移位输出电荷 并行 ↗ 1 2 3 电荷 移位寄存器→ → 移位寄存器→ 转移栅关闭, ↘转移栅关闭,进行光积分 输出脉冲幅度∝ 输出脉冲幅度∝ 光强
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光电元件的光谱特性
可根据光源选择光电器件,以获最佳光谱响应。 可根据光源选择光电器件,以获最佳光谱响应。
光敏电阻
光电池
12
应用
条形码扫描笔
13
应用——产品计数器
14
应用——测量转速
把旋转的转速变换成相应频率的脉冲, 把旋转的转速变换成相应频率的脉冲,然后用测量电路 测出脉冲频率。由频率值就可知道所测的转速值。 测出脉冲频率。由频率值就可知道所测的转速值。
活动板 光纤 光源 光电元件
固定板
光纤压力传感器
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2 相位调制型
光纤长度、折射率和内部应力变化会引起相位 变化。利用参考光与信号光干涉,实现测量。
干涉仪式光纤温度传感器
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3、光偏振态调制型
被测量使光纤中光的偏振态发生变化。
光纤电流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ感器原理图
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(二)非功能型(结构型)
1 光纤位移传感器
过近,过远, 过近,过远,反射到接收光纤的光量少
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径向光栅、切向光栅、 圆光栅 --- 径向光栅、切向光栅、环形光栅
径向圆光栅
切向圆光栅
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二、 莫尔条纹(Moire)
θ
B
主光栅 指示光栅
均匀刻线
夹角
移动
明暗相间条纹
莫尔条纹
(一)莫尔条纹及其原理 条纹宽度: 条纹宽度:
B= W W ≈ 2 sin(θ / 2) θ
W=a+b ,a=b=W/2 W-栅距, a-线宽, b-缝宽 栅距, 线宽,
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第五节 光栅式传感器
光栅--光栅--- 等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光 学元件。 学元件。 光栅传感器:主要用于长度(直线位移)和角度(角位移) 光栅传感器:主要用于长度(直线位移)和角度(角位移) 的测量。 的测量。 计量光栅:利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量。 计量光栅:利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量。 一、计量光栅的分类 直线位移; 长光栅 --- 直线位移; 圆光栅 --- 角位移 构成: 标尺光栅,定光栅; 构成:主光栅 --- 标尺光栅,定光栅; 指示光栅 --- 动光栅 10、25、50、100、125线 刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )
护套 涂敷层 包层
纤芯
光缆
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光纤分类
(1)按构造分 按构造分: 按构造分
单模:d = 5 → 10µm 多模:d = 50 → 150µm
石英系纤维:损耗低,频带宽,稳定性好 (2)从材料分 从材料分: 多成份玻璃纤维: 从材料分 全塑料纤维