1、 第一节第一节 光电效应与光电器件光电效应与光电器件第二节第二节 光电传感器与光电检测光电传感器与光电检测第三节第三节 光导纤维传感器光导纤维传感器 采用光电元件作为检测元采用光电元件作为检测元件的传感器被称为光电传感器。件的传感器被称为光电传感器。光电传感器由光源、光学通路光电传感器由光源、光学通路和光电元件组成。和光电元件组成。主要特点：主要特点：精度高、反应快、非直接接触、精度高、反应快、非直接接触、结构简单、形式多样、应用广结构简单、形式多样、应用广泛。泛。第一节第一节 光电效应与光电器件光电效应与光电器件1.外光电效应：在光线作用下电子从物体表面逸出。2.内光电效应：在光线作用下物体
2、的电阻率改变。3.光生伏特效应：在光线作用下物体具有发电能力。光电效应光电效应 一、光电管、光电倍增管一、光电管、光电倍增管利用外光电效应制成的光电器件（一）光电管光输入 阳极阳极阴极阴极电子逸出 电输出光以光速运动的粒子流单个光子能量：hE 普郎克常数光波频率0212Ahmv光电管中的自由电子逸出条件：电子质量逸出初速度逸出功光波频率AhhAAhcc即即光波频率光波波长或或光速光电管测量电路：Ahcm 可见，要使光电管中的自由电子逸出，频率不能太低，波长也不能太长。为入射光波长上限，也被称为“红限”光电管阴极阳极 电压输出光输入光电管（二）光电倍增管 光电倍增管具有放大光电子电流的能力。光电
3、倍增管具1015级倍增电极，电位依次升高，使得阴极因接受光能而发射的电子逐级加速，且受光电子的数量逐级增多，形成较大的光电流。可用于微光测量。设单级的信号倍增率为 ，则多级的倍增率为 。光输入 阳极阳极阴极阴极 -+-+-+-+-n光电倍增管测量电路：直直流流电电源源光线光线输输出出电电压压阴极阴极阳极阳极二、光敏电阻二、光敏电阻光照光照电路符号电路符号（一）工作原理：由半导体材料构成，利用内光电效应而工作。光敏电阻当光线照射时，因材料中的电子空穴对增加，其电阻值会变小，当光照消失时，电阻会恢复原值。这种现象被称为光导效应。光敏电阻没有极性，纯粹是电阻器件，即可以加直流电压，也可以加交流电压工
4、作。光敏电阻（二）基本特性和参数1、暗电阻、亮电阻 光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。2、伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系，称为伏安特性。3、光电特性 光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性。因此不适宜做检测元件，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。光敏电阻伏安特性图光敏电阻光照特性图4、光谱特性 对于不同波长的入射光
5、，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。各种材料的光谱特性如图所示。从图中看出，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域，因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。5、频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合。光敏电阻的光谱特性硫化镉硫化铊硫化铅光敏电阻的频率特性硫化铅光敏电阻硫化铊光敏电阻硫化铅的光谱温度特性三、光敏晶体管 光敏晶体管通常指光敏
6、二极管和光敏三极管，它们的工作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体结上，结参与了光电转换过程。（一）工作原理 光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在结上。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，如图所示。当结加反向电压时，反向电流的大小取决于区和区中少数载流子的浓度，无光照时反向电流很小。当光照结时，反向电流明显增大。如果入射光的照度变化，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。光敏三极管有两个结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。其结构如图所示。硅光敏晶体管
7、（二）基本特性1、光谱特性 在入射光照度一定时，光敏晶体管的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光敏晶体管只对一定波长范围的入射光敏感，这就是光敏晶体管的光谱特性。由曲线可以看出，当入射光波长增加时，相对灵敏度要下降。从曲线还可以看出，不同材料的光敏晶体管，光谱峰值波长不同。硅管的峰值波长为0.9左右，锗管的峰值波长为1.5左右。由于锗管的暗电流比硅管大，所以锗管性能较差。因此在探测可见光或赤热物体时，多采用硅管。但对红外光进行探测时，采用锗管较为合适。2、伏安特性 光敏三极管在不同照度下的伏安特性，就像普通三极管在不同基极电流下的输出特性一样，如图所示。在这里改变光照就相当于改变一般三极管
8、的基极电流，从而得到光敏三极管伏安特性一簇曲线。3、光电特性 指外加偏置电压一定时，光敏晶体管的输出电流和光照度的关系。一般说来，光敏二极管光电特性的线性较好，而光敏三极管在照度小时，光电流随照度增加较小，并且在光照足够大时，输出电流有饱和现象。这是由于光敏三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。硅硅管管锗锗管管光谱特性（紫外（紫外-紫紫-红红-红外）红外）伏安特性光照度小光照度小光照度大光照度大4、温度特性 温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响较小，但是对暗电流的影响却十分显著，如图所示。因此，光敏晶体管在高照度下工作时，由于亮电流比暗电流大得多，温度的影响相对来说比较小。但在低照
9、度下工作时，因为亮电流较小，暗电流随温度变化就会严重影响输出信号的温度稳定性。在这种情况下，应当选用硅光敏管，或者将光信号进行调制，对输出的电信号采用交流放大，利用电路中隔直电容的作用，就可以隔断暗电流，消除温度的影响。5、频率特性 光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性，如图所示。温度特性输出电流输出电流暗电流暗电流频率特性输输出出灵灵敏敏度度四、光电池 光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。光电池的种类很多，有硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广泛的是
10、硅光电池，因为它有一系列优点，例如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射等。另外，由于硒光电池的光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。（一）工作原理 硅光电池的工作原理基于光生伏特效应，它是在一块型硅片上用扩散的方法掺入一些型杂质而形成的一个大面积结，如图所示。当光照射区表面时，若光子能量大于硅的禁带宽度，则在区内每吸收一个光子便产生一个电子-空穴对，区表面吸收的光子最多，激发的电子-空穴对最多，越向内部则越少。这种浓度差便形成从表面向体内扩散的自然趋势。由于结内电场的方向是由区指向区的，它使扩散到结附近的电子-空穴对分离，光生电子被推向区，光生
11、空穴被留在区。从而使区带负电，区带正电，形成光生电动势。若用导线连接区和区，电路中就有光电流流过。光线照射光线照射发电发电电路符号电路符号硅光电池（二）基本特性1、光谱特性 光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的。硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线如图所示。从图中可知，不同材料的光电池适用的入射光波长范围也不相同。硅光电池的适用范围宽，对应的入射光波长可在0.451.1之间，而硒光电池只能在0.340.57波长范围，它适用于可见光检测。2、光电特性 光电池在不同的光照度下，光生电动势和光电流是不相同的。硅光电池的光电特性如图所示。其中曲线是负载电阻无穷大时的开路电压特性曲线，曲线是负载电阻相对于光
12、电池内阻很小时的短路电流特性曲线。开路电压与光照度的关系是非线性的，而且在光照变为2000lx时就趋于饱和，而短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，负载电阻越小，这种线性关系越好，而且线性范围越宽。3、温度特性 光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的情况。温度特性是光电池的重要特性之一。从图中可以看出，硅光电池开路电压随温度上升而明显下降，温度上升，开路电压约降低。短路电流却随温度上升而缓慢增加。4、频率特性 光电池的频率特性是指输出电流与入射光调制频率的关系。当入射光照度变化时，由于光生电子-空穴对的产生和复合都需要一定时间，因此入射光调制频率太高时，光电池输出电流的变化幅度将
13、下降。硅光电池的频率特性较好，工作频率的上限约为数万赫兹，而硒光电池的频率特性较差。在调制频率较高的场合，应采用硅光电池。第二节第二节 光电传感器与光电检测光电传感器与光电检测 光电传感器组成：光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，是光源发出的光信号，是光电器件接受的光信号，被测量可以是或者，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号。一、光电传感器的类型 按照光电元件输出电信号的形式可以分为模拟式和脉冲式两大类。（一）模拟式光电传感器 光电元件接受的光通量随被测量连续变化，输出的光电流也是连续变化的。这类传感器通常有四种形式。（二）脉冲式光电传感器 在
14、这种传感器中，光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态，它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电计数和光电式转速测量等场合。二、光电传感器的常用光源 光源是许多光电传感器的重要组成部分，要使光电传感器很好地工作，除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。常用光源有以下几种。（一）发光二极管 一种把电能转变成光能的半导体器件。（二）钨丝灯泡 常用的光源（三）激光 激光具有能量高度集中，方向性好等优点，是很 理想的光源。三、光电转换电路 由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。测量电路能够把光电效应造成
15、的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同。四、光电检测实例（一）型光电比色高温计 光电比色高温计是一种非接触式高温测量仪表，它是根据辐射体在两个不同波长上的辐射能量之比来测量温度的，如图所示。测温对象发出的辐射线经过物镜成像于光阑，通过光导棒投射在分光镜上，分光镜使长波辐射线（红外光）透射，而将短波辐射线（可见光）反射。透过分光镜的长波辐射线再经滤色片将残余的短波部分滤除，而后被作为红外光电元件的硅光电池所接收，从而得到与该波长辐射强度成单值函数关系的电信号输出。由分光镜反射出来的短波辐射线，再经滤色片将长波部分滤去，被作为可见光接受元件的硅光电
16、池所接受，转换成与此波长辐射强度成函数关系的电信号输出。将这两个电信号输入自动平衡显示记录仪，根据光电信号比，即可得出被测对象的温度值。（二）光电比色计 这是一种用于化学分析的仪器，原理结构如图所示。光源发出的光分为左右两束强度相等的光线。其中一束穿过标准样品投射在光电池上，另一束穿过被分析的样品溶液，投射在光电池上。两光电池输出的电信号同时送给差动放大器，放大器输出端接有指示仪表。被检测的样品溶液在颜色、成分或混浊度等某一方面与标准样品的差异，将导致两光电池接受到的透射光强度不等，从而转换出两个不同大小的电信号，经差动放大器放大后，可带动指示仪表。由此，就能够对被检测样品的某项指标进行测定。
17、光电比色计（三）光电式带材跑偏检测仪 这种装置可以用来检测带材在加工过程中偏离正确位置的大小和方向。例如，在冷轧带钢生产线上，如果带钢的运动出现走偏现象，就会使其边缘与传送机械发生碰撞摩擦，引起带钢卷边或断裂，造成废品，同时也可能损坏传送机械。因此，在生产过程中必须自动检测带材的走偏量并随时予以纠正。光电带材跑偏检测仪由光电式边缘位置传感器和测量电桥、放大电路组成。光电式边缘位置传感器的原理如图所示。（四）光电式转速仪 光电式转速仪利用光电传感器，将旋转体的转速变换成相应频率的电信号，通过放大整形电路加工成方波信号，由频率计电路测出方波信号频率，经处理后由显示器显示旋转体每分钟转动的圈数即转速
18、。用这种方法进行转速测量时，传感器结构简单，测量精度高。与机械式转速表和接触式电子转速表相比，可实现非接触测量，因此不会影响被测物的旋转状态。由于光电元件的反应速度快，动态特性较好，因此特别适合高转速的测量。光电转速传感器分为反射式和直射式两种。便携式光电转速表（五）光电传感器和光电检测的其他应用 图8-32给出了光电传感器在工业测控中的四种应用实例。在图中，利用反射式光电传感器检测布料的有无和宽度；利用遮挡式光电传感器检测布料的下垂度，检测结果可用于调整布料在传送中的张力。在图中，当两行车过分靠近时，光电传感器即有反应，可发出报警信号或形成控制信号防止行车相撞。在图中利用安装于框架上的反射式
19、光电传感器可以发现漏装产品的空箱，并利用油缸杆将空箱推出。在图中利用长距离反射式光电传感器检测传送线上吊挂的金属板。光导纤维能够大容量、高效率地传输光信号，实现了以光代电传输信息。自向世以来，主要应用于通信领域，由此形成的光纤通信带来了通信方式革命性的变化。在自动检测领域中将光导纤维的应用与传统的光电检测技术相结合就产生了一种新传感器光导纤维传感器，简称光纤传感器。第三节光导纤维传感器第三节光导纤维传感器一、光纤传感器的工作原理和特点 光纤传感器主要由光导纤维、光源和光探测器组成。半导体光源是光纤传感器的理想光源，常用的有半导体发光二极管和半导体激光二极管。光探测器一般均为半导体光敏元件。光导
20、纤维是利用光的完全内反射原理传输光波的一种媒质。如图8-33所示，光导纤维由高折射率的纤芯和低折射率的包层组成。当通过纤维轴线的子午光线从光密物质（具有较大折射率）射向光疏物质（较小折射率），且入射角大于全反射临界角时，光线将产生全反射，即入射光不再进入包层，全部被内外层的交界面所反射。如此反复，光线将通过光导纤维很好地进行传输。二、光纤传感器的应用1、光纤位移传感器 利用光导纤维可以制成微小位移传感器，原理如图8-34所示。这是一种传光型光纤传感器，光从光源耦合到发射光缆，照射到被测物表面，再被反射回接受光缆，最后由光敏元件接收。这两股光缆在接近被测物之前汇合成形，汇合后的光纤端面被仔细磨平
21、抛光。若被测物紧贴在端面上，发射光缆中的光不能射出，则光敏元件接受的光强为零，这是的状态；若被测物很远，则发射光经反射后只有少部分传到光敏元件，因此接受的光强很小。只有在某个距离上接受的光强才最大。图8-35是接受的相对光强与距离的关系。2、光纤压力传感器 这是一种功能型光纤传感器，如图8-36所示。它利用了光纤的微弯损耗效应，即光纤在微弯时会引起传输光强度的衰减。光导纤维夹在两块带机械式齿条的压板中间，当压力作用在活动板上时，活动板与固定板的齿板间产生相对微位移，改变了光纤的弯曲程度，从而使传输的光强度发生变化。光纤传感器标准的螺纹形状：在支架上开孔，使用螺母安装。圆柱形状：可插入狭小的空间内进行安装。（使用紧固螺丝安装）扁平型：能够安装到狭窄的空间套管型：在物体附近检测通过位置偏差的掉落检测、蛇形检测以及开孔工件检测 液位检测
