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,任务八光电检测技术,任务要求,掌握光电的有关知识和光电器件及其应用掌握CCD摄像传感器原理和应用掌握光纤的结构、原理及应用,,任务八光电检测技术,光电传感器是光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是将光信号转换成电信号的光敏器件，它可用于检测直接引起光强变化的非电量，如光强、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件线度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。光电式传感器具有响应快、性能可靠、能实现非接触测量等优点，因而在检测和控制领域获得广泛应用。任务八主要介绍光电传感器的有关知识和光电器件、CCD摄像传感器及其应用、光电传感器及应用。,情境一光电知识和光电器件,一光电效应,光电式传感器的作用原理是基于一些物质的光电效应。光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏特效应。,1．外光电效应,在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电发射效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。,,这个方程称为爱因斯坦的光电效应方程。可以看出，只有当光子的能量E大于电子逸出功A时，物质内的电子才能脱离原子核的吸引向外逸出。由于不同的材料具有不同的逸出功，因此对某种材料而言便有一个频率限，这个频率限称为红限频率。当入射光的频率低于红限频率时，无论入射光多强，照射时间多久，都不能激发出光电子；当入射的光频率高于红限频率时，不管它多么微弱，也会使被照射的物体激发电子。而且光越强，单位时间里入射的光子数就越多，激发出的电子数目越多，因而光电流就越大。光电流与入射的光强度成正比关系。,2．内光电效应,在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。在光线作用下，电子吸收光子能量后而引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效应；在光线照射下，半导体材料吸收光能后，引起PN结两端产生电动势的现象称为光生伏特效应。,二外光电效应器件,基于外光电效应工作原理制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。,1．光电管,（1）．光电管的结构光电管由一个涂有光电材料的阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡内壁上做成，阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形置于玻璃管的中央。真空光电管的结构如图8-1所示。,图8-1真空光电管的结构,2．光电管的工作原理当光电管的阴极受到适当波长的光线照射时，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。如果在外电路中串入一适当阻值的电阻，则在光电管组成的回路中形成电流Iφ，并在负载电阻RL上产生输出电压Uout。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压Uout与入射光通量Φ成正比，如图8-2所示。,图8-2光电管电路,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，只有零点几微安，很不容易探测。为了提高光电管的灵敏度，这时常用光电倍增管对电流进行放大。1．光电倍增管的结构光电倍增管由光阴极、次阴极倍增电极以及阳极三部分组成，如图8-3所示。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级，通常为12级～14级。阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。,图8-3光电倍增管的结构,2.光电倍增管的工作原理光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电流在管内部进行放大。所谓的二次电子是指当电子或光子以足够大的速度轰击金属表面而使金属内部的电子再次逸出金属表面，这种再次逸出金属表面的电子叫做二次电子。光电倍增管的光电转换过程为当入射光的光子打在光电阴极上时，光电阴极发射出电子，该电子流又打在电位较高的第一倍增极上，于是又产生新的二次电子；第一倍增极产生的二次电子又打在比第一倍增极电位高的第二倍增极上，该倍增极同样也会产生二次电子发射，如此连续进行下去，直到最后一级的倍增极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，从而在整个回路里形成光电流IA。,3．外光电效应器件的应用,1烟尘浊度监测仪,,图8-4吸收式烟尘浊度监测仪框图,（2）路灯光电控制器,图8-5路灯光电控制器电路图,三光电导器件,基于光电导效应工作原理制成的光电器件有光敏电阻。,1．光敏电阻,1．光敏电阻的结构,光敏电阻又称为光导管。光敏电阻几乎都是用半导体材料制成。光敏电阻的结构较简单，如图8-6所示。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。,,图8-6光敏电阻的结构,制作光敏电阻的材料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、硫化铋、硒化镉、硒化铅、碲化铅等。,2．光敏电阻的工作原理,光敏电阻的工作原理是基于光电导效应。,,图8-7光敏电阻接线电路,2．光电导器件的应用,1．灯光亮度自动控制器,图8-8灯光亮度自动控制器原理框图,2．光控闪烁安全警示灯,图8-9光控闪烁安全警示灯电路图,3．测光器,,图8-10测光器电路原理图,表8-1逻辑关系,四光生伏特器件,基于光生伏特效应工作原理制成的光电器件有光敏二极管、光敏三极管和光电池。,1．光敏二极管,1．光敏二极管的结构,光敏二极管的结构与普通半导体二极管在结构上是类似的。,图8-11光敏二极管的结构图,2．光敏二极管的原理,,图8-12光敏二极管电路图,光敏二极管和普通半导体二极管一样，它的PN结具有单向导电性，因此光敏二极管工作时应加上反向电压。,3．光敏三极管的原理,图8-13光敏三极管电路图,光敏三极管的集电极接正电压，其发射极接负电压。当无光照射时，流过光敏三极管的电流，就是正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流当有光照射在基区时，激发产生的电子空穴对增加了少数载流子的浓度，使集电极反向饱和电流大大增加，这就是光敏三极管集电极的光生电流。,2．光电池,1．光电池的结构,光电池是在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光电元件，实质上它就是电压源。这种光电器件是基于阻挡层的光电效应。硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质例如硼形成PN结。,图8-14硅光电池结构示意图,（2）．光电池的原理,,图8-15硅光电池原理图,入射光照射在PN结上时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则在PN结内产生电子空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P型区，电子移向N型区，使P型区带正电，N型区带负电，因而PN结产生电势。当光照射到PN结上时，如果在两级间串接负载电阻，则在电路中便产生电流。,3．光生伏特器件的应用,（1）．注油液位控制装置,,图8-16注油液位控制装置示意图1电磁阀；2油箱；3透明玻璃管；4光电传感器;5灯泡；6光电二极管；7紧固螺钉,（2）光控闪光标志灯,,图8-18光控闪光标志灯电路原理图,（3）测光文具盒,,图8-19测光文具盒测光电路,定向反射式光电传感器E3X-ZA光电传感器光电式烟雾传感器,亮度传感器反射式光电传感器圆柱形光电传感器,各种不同类型，用途各异的光电传感器,反射型光电传感器,微型光电传感器,光电式转速传感器,情境二CCD摄像传感器及其应用,一CCD的基本结构及原理,CCDChargeCoupledDevice是电荷耦合器件的简称，是20世纪60年代末出现的新型半导体器件。CCD它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。,CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS电容器组成的阵列，其构造如图所示。在P型或N型衬底上生长一层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。,,图8-21CCD芯片的构造,二CCD图像传感器的应用,ＣＣＤ在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。CCD的工作原理是被摄物体反射光线到CCD器件上，CCD根据光的强弱积聚相应的电荷，从而产生与光电荷量呈正比的弱电压信号，经过滤波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。,CCD图像传感器具有高分辨率、高灵敏度较宽的动态范围，所以CCD器件在摄像机、数码相机、扫描仪、图像传感、尺寸测量及定位测控等领域得到非常广泛的应用如下图。,,CCD摄像传感器件CCD阵列,,,,CCD摄像头CCD扫描仪,CCD数码照相机CCD摄像机,三图像传感器的应用,1．CCD在汽车前照灯配光测试中的应用,,图8-23CCD汽车前照灯配光测试系统结构框图,2．CCD传感器在光电精密测径系统中的应用,图8-24光电精密测径系统工作原理框图,情境三光纤传感器及应用,光纤的完整名称叫做“光导纤维”（OpticalFiber），由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成。石英玻璃纤维是用纯石英经特别的工艺拉成的细丝，其直径比头发丝还要细（50～100μm）。相对于金属导线来说具有重量轻、线径细的特点。用光纤传输电信号时，在发送端先要将其转换成光信号，而在接收端又要由光检测器还原成电信号。在目前来说，已经实现一根光纤的传输速率在100Gb/s以上。而且这个速率还远远不是光纤的传输速率的极限。光纤传感器简称FOS是20世纪70年代迅速发展起来的一种新型传感器。它具有灵敏度高、抗电磁干扰、传输频带宽、耐腐蚀、耐高温、体积小、质量轻等优点，可广泛用于位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、水位、电流、磁场、放射性等物理量的测量。,一光纤的结构及传光原理,一根光纤的结构包括纤芯、包层和涂敷层。,纤芯和包层一般由某种类型的玻璃或塑料制成，纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2。纤芯的直径一般约为5～100μm，光主要在纤芯中传输。包层外面涂有硅铜或丙烯酸盐等涂料，构成涂敷层，其作用是保护光纤不受外来损害，增加光纤的机械强度。光纤最外层包上一层不同颜色的塑料套管，一方面起保护作用，另一方面以不同颜色区分各根光纤。,,图8-25光纤的基本结构,通常将许多单条光纤组成光缆，光缆中的光纤少则几根，多则几千根。光缆主要用于通信。,,光线的传输是基于光的全反射。光纤到光的原理如下图，由于纤芯的折射率n1包层的折射率n2，当光线从空气中以小于一定值的入射角射入纤芯后，光纤将在纤芯和包层的分界面处产生全反射，光线将在光线内曲折的向前传播，而不会从光纤内折射出来。,图8-26光纤导光原理图,二光纤传感器应用,1．反射式位移传感器的工作原理,,,图8-27反射式位移传感器原理,图8-28反射式光纤位移传感器的输出特性,2．Optic3000光纤温度传感器,图8-29Optic3000光纤温度图8-30光纤传感器在开关传感器柜上的安装,3．光纤压力传感器,图8-31光纤压力传感器原理图,,,,光纤电流传感器手动可调谐滤波器温度光纤传感器敏感头,,,,光纤生物传感器光纤温度传感器光纤光栅应变传感器,用途不同的光纤传感器,,,,光纤光栅压力/温度双参量渗压计,光纤光栅压力传感器,光纤光栅压力/位移一体化传感器,要点回顾根据金属、半导体等材料在光照下释放出的电子的分布不同，光电效应可以分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应，对应每种情况都有与之对应的光电器件，每一种器件又有不同的用途。CCD是20世纪60年代末出现的新型半导体器件，有两种加工工艺，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺。CCD的工作原理是根据被摄物体光线的强弱，产生与之呈正比的弱电压信号，经过处理，输出电信号或视频信号。主要应用在摄像机、数码相机、扫描仪、图像传感、尺寸测量及定位测控等领域。光纤传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器。具有很多优点，应用范围很广。具有很好的应用前景。,光纤实验,习题1光电效应有哪几种与之对应的光电器件各有哪些2光电传感器有哪几种常见形式各有哪些用途3简述光电式传感器的特点和应用场合。4何谓外光电效应光电导效应和光生伏特效应5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，并简述在不同场合下应选用哪种器件最为合适。6简述CCD图象传感器的工作原理及应用。7举例说明光纤传感器的工作原理。8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。9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。10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11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。,
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