1、主要内容：主要内容：第第1页页/共共65页页概述概述光信号光信号光电传感器光电传感器电信号电信号第第2页页/共共65页页概述概述光栅光栅光电开关光电开关光敏电阻光敏电阻光光电电鼠鼠标标光敏管光敏管第第3页页/共共65页页 8.1 光电效应光电效应 光敏器件主要利用各种光敏器件主要利用各种光电效应光电效应J 光电效应可分为：光电效应可分为：外光电效应外光电效应 光电导效应光电导效应 内光电效应内光电效应 光生伏特效应光生伏特效应 第第4页页/共共65页页外光电效应外光电效应 在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外光电效应外光电效应。Ehh 普朗克常数普朗克
2、常数()光的频率（光的频率（Hz）每个光子具有能量每个光子具有能量 J.S1/波长短，频率高，能量波长短，频率高，能量大。式中：式中：入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比。第第5页页/共共65页页 光照射物体时电子吸收入射光子的光照射物体时电子吸收入射光子的能量能量 ，当，当物体吸入的能量超出物体物体吸入的能量超出物体逸出功逸出功A A 时，电子时，电子就会逸出物体表面，产生就会逸出物体表面，产生光电子发射光电子发射。超出的能量就表现在电子逸出的动能上。超出的能量就表现在电子逸出的动能上。能否产生光电效应，取决于能否产生光电效应，取决
3、于光子的能量是否光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。大于物体表面的电子逸出功。2012EhmvA 每个光子具有的能量可每个光子具有的能量可由能量守恒定律由能量守恒定律表示为表示为2012mv 为一个电子逸出的动能（能量）；为一个电子逸出的动能（能量）；m 为电子质量为电子质量，0电子逸出物体表面时的速度；电子逸出物体表面时的速度；A 为电子的逸出功。为电子的逸出功。(爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程)外光电效应外光电效应光电子光电子光照射光照射e第第6页页/共共65页页入射光强改变物质导电率的物理现象称入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。光电导效应。这种效应几乎所有高电阻
4、率半导体都有，在入射光作用下这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，在入射光作用下电子吸收光子能量电子吸收光子能量，电子从价带激发到导带过度到自由状，电子从价带激发到导带过度到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空穴浓度增大引起穴浓度增大引起电阻率减小电阻率减小。8.1.2 内光电效应内光电效应 为使电子从价带激发到导带，为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量应大于禁带入射光子的能量应大于禁带 宽度的能量宽度的能量E0Eg。基于光电导效应的光电器件有基于光电导效应的光电器件有光敏电阻光敏电阻。1 1）光电导效应）光电导效应第第7
5、页页/共共65页页 为什么为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？结会因光照产生光生伏特效应呢？PN-+-+光源下面分两种情况讨论：下面分两种情况讨论：2 2）光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应是半导体材光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在料吸收光能后，在PN结上结上 产生产生电动势电动势的效应。的效应。第第8页页/共共65页页 当光照射在当光照射在P-N结时，如果光电子能量足够大，就可激结时，如果光电子能量足够大，就可激发出电子发出电子空穴对，在空穴对，在P-N结内电场作用下空穴移向结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向区，而电子移向N区，使区，使P区和区和N区之间产生电压，这区之间产生
6、电压，这个电压就是个电压就是光生电动势光生电动势。基于这种效应的器件有基于这种效应的器件有光光电池。电池。0SSkTPUPhcIchkTI，光生电压与光功率、波长 成正比光速、普朗克常数、，为常数，绝对温度，暗电流 二极管二极管PN结开路电压有结开路电压有PN电子电子空穴空穴-+-+光源2 2）光生伏特效应光生伏特效应第第9页页/共共65页页 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，产生光生电子有光照时，产生光生电子空穴对，在外电场作用下，空穴对，在外电场作用下，光生电子光生电子N，空穴，空穴P 运动，形成光电流运动，形成光电流Ig。-+处于反偏时
7、的处于反偏时的P-N结结（给（给P-N结加电场）结加电场）电流方向与反向电流一致，电流方向与反向电流一致，光照强光电流越大。光照强光电流越大。具有这种性能的器件有：具有这种性能的器件有：光敏二极管光敏二极管、光敏晶体管光敏晶体管 从原理上讲，不加偏压的光从原理上讲，不加偏压的光 电二极管就是光电池。电二极管就是光电池。光敏二极管通常光敏二极管通常加反向电压。加反向电压。PN电子电子空穴空穴-+光源I Ig gE E2 2）光生伏特效应光生伏特效应第第10页页/共共65页页8.2 光电器件光电器件 8.2.1 光电管光电管RLUI光强 光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴光电管是一
8、个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极极K、阳极、阳极A，光阴极涂有光敏材料；，光阴极涂有光敏材料；当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子大于电子的逸出功的逸出功A（EA），会有电子逸出产生光电子发射。），会有电子逸出产生光电子发射。电子被带有正电的阳极电子被带有正电的阳极吸引在光电管内形成电吸引在光电管内形成电子流，电流在回路电子流，电流在回路电阻阻 RL上产生正比于电流大上产生正比于电流大小的压降。小的压降。第第11页页/共共65页页 光电管主要用于分析仪器和各种自光电管主要用于分析仪器和各种自动控制装置；如，分光光度计、光动控制装置
9、；如，分光光度计、光电比色计等电比色计等。8.2.1 光电管光电管电子管电子管光电管外壳不透明光电管外壳不透明第第12页页/共共65页页 光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常光照很弱时，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。常使用光电倍增管。光电倍增管是利用光电倍增管是利用二次电子释放二次电子释放效应，高速电子撞击固效应，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。体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。8.2.2 光电倍增管光电倍增管第第13页页/共共65页页光电倍增管与普通光电管不同光电倍增管与普通光电管不同,在光阴极和阳极之间加了在光阴极
10、和阳极之间加了许多许多倍增极倍增极（10级左右），在阳极和阴极之间加有几级左右），在阳极和阴极之间加有几百上千伏的高压，每个倍增极间分压有百上千伏的高压，每个倍增极间分压有100200V；光电倍增管的电流增益很大在光电倍增管的电流增益很大在105106之间。倍增极外加之间。倍增极外加电压电压Ud与与增益增益G的关系近似为：的关系近似为：NdGKUKN8.2.2 光电倍增管光电倍增管光电倍增管不能直接受强光照光电倍增管不能直接受强光照射射,否则会损坏否则会损坏.通常密封使用。通常密封使用。式中：式中：常数常数 倍增极数倍增极数 第第14页页/共共65页页 上式可见，倍增级外加电压上式可见，倍增级
11、外加电压Ud的变化将引起光电倍增管增益的变化将引起光电倍增管增益的变化，因此对供给光电倍增管的电源电压要求较高，必须的变化，因此对供给光电倍增管的电源电压要求较高，必须有极好的稳定性。有极好的稳定性。/(/)ddG GNUU 增益变化与外加电压（电源）有关增益变化与外加电压（电源）有关8.2.2 光电倍增管光电倍增管第第15页页/共共65页页基于光电倍增管的输入设备基于光电倍增管的输入设备-滚筒扫描仪滚筒扫描仪X X射线荧光仪闪烁探测器射线荧光仪闪烁探测器8.2.2 光电倍增管光电倍增管 光电倍增管的阴极前面放一块闪烁体就可构成闪烁计数器。光电倍增管的阴极前面放一块闪烁体就可构成闪烁计数器。能
12、谱仪、能谱仪、X 射线荧光仪等核仪器中的射线荧光仪等核仪器中的闪烁探测器闪烁探测器使用的使用的光电倍增管做光电转换元件。光电倍增管做光电转换元件。第第16页页/共共65页页 光敏电阻的工作原理是光敏电阻的工作原理是基于光电导效应基于光电导效应 光敏电阻结构光敏电阻结构 是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端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。有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。光敏电阻结构光敏电阻结构8.2.3 光敏电阻光敏电阻光敏电阻符号光敏电阻符号光导体光导体第第17页页/共共65页页 光敏电阻光照特性光敏电阻光照特性
13、 无无光照光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；有光照有光照时，电阻值随光强增加而降低；时，电阻值随光强增加而降低；光照停止光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光敏电阻主要参数光敏电阻主要参数 暗电阻暗电阻、暗电流暗电流,无光照时的电阻、电流；无光照时的电阻、电流；亮电阻亮电阻、亮电流亮电流,受光照时的阻值、电流；受光照时的阻值、电流；亮电流亮电流与与暗电流暗电流之差称之差称光电流光电流。8.2.3 光敏电阻光敏电阻暗电阻暗电阻 0.5-200M 0.5-200M亮电阻亮电阻 0.5-20k0.5
14、-20k第第18页页/共共65页页1.1.伏安特性伏安特性 给定光照度给定光照度，电压越大光电流越大；，电压越大光电流越大；给定偏压给定偏压，光照越大光电流越大；，光照越大光电流越大；光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、无饱和，但受最大功耗限制。无饱和，但受最大功耗限制。光敏电阻伏安特性光敏电阻伏安特性8.2.3 光敏电阻光敏电阻 基本特性基本特性 光照度为单位面积的光通量光照度为单位面积的光通量 Lx=lm（流明）（流明）/s第第19页页/共共65页页光敏电阻光敏电阻灵敏度灵敏度与入射与入射波长波长有关有关;灵敏度与半导体灵敏度与半导体掺杂掺杂的材的材料有关，图例中材
15、料与相对灵敏度峰位波长。料有关，图例中材料与相对灵敏度峰位波长。硫化镉（硫化镉（CdS）0.30.8(m)硫化铅（硫化铅（PbS）1.03.5(m)硫化铊（硫化铊（TlS）1.07.3(m)光敏电阻的光谱特性与光敏电阻的光谱特性与波长和材料波长和材料8.2.3 光敏电阻光敏电阻2.光谱特性光谱特性第第20页页/共共65页页温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。温度温度T上升上升，波长波长变短，曲线向左移动。变短，曲线向左移动。光敏电阻温度特性光敏电阻温度特性8.2.3 光敏电阻光敏电阻3.温度特性温度特性第第21页页/共共65页页有光照
16、时有光照时，光敏电阻，光敏电阻R Rg g下降下降,继电器断开继电器断开;无光照时无光照时，光敏电阻，光敏电阻R Rg g上升上升,V,VDW1DW1反向饱和导通反向饱和导通,继电器闭合。继电器闭合。光敏电阻开关控制电路光敏电阻开关控制电路Rg磁电式磁电式继电器继电器8.2.3 8.2.3 光敏电阻光敏电阻应用应用第第22页页/共共65页页白天白天Rg小，小，VT2导通导通VT3截止截止VT4导通，晶闸管导通，晶闸管VS截止截止H灭；灭；晚上晚上Rg大，大，VT2截止失去对截止失去对VT3控制，控制，VT3由由VT1控制，待机控制，待机;晚上晚上压电陶瓷片压电陶瓷片B 接收声音触发信号，接收声
17、音触发信号，VT3导通导通VT4截止，晶闸管截止，晶闸管VS导通灯导通灯亮亮；同时整流压降突然下降，；同时整流压降突然下降，VT3集电极保持低电压，使集电极保持低电压，使VS处于导通状态处于导通状态;H点亮后，点亮后，C3经电阻缓慢放电，直到不再维持经电阻缓慢放电，直到不再维持VT4截止。调节截止。调节C3可调节灯亮可调节灯亮时间。时间。HVSVSB 光敏电阻在声光控开关中的应用光敏电阻在声光控开关中的应用第第23页页/共共65页页 光敏晶体管包括光敏晶体管包括光敏二极管光敏二极管和和光敏三极管光敏三极管，其工作，其工作原理主要基于原理主要基于光生伏特效应光生伏特效应。光敏晶体管特点：光敏晶体
18、管特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高;广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域。自动报警、自动计数等领域。8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管第第24页页/共共65页页 结构：与一般二极管相似，它们都有一个结构：与一般二极管相似，它们都有一个PN结，并且结，并且都是单向导电的非线性元件。都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率有大面积受光，为了提高转换效率有大面积受光，光敏二极管光敏二极管P-N结面积结面积比一般二极管大。比一般二极管大。8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管
19、1）光敏二极管）光敏二极管第第25页页/共共65页页 光敏二极管光敏二极管工作原理工作原理：光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照无光照时，反时，反向电阻很大，反向电流很小；向电阻很大，反向电流很小；有光照有光照时，时，P-NP-N结处产生光生电子结处产生光生电子-空穴对；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；空穴对；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；光电流方向与反向电流一致光电流方向与反向电流一致。光敏二极管基本电路光敏二极管基本电路 8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管第第26页页/共共65页页发光二极管与光敏二极管工作原理不同，
20、发光二极管是利用发光二极管与光敏二极管工作原理不同，发光二极管是利用固体材料发光，加正向电压时，固体材料发光，加正向电压时，P-N结的电子和空穴在结合结的电子和空穴在结合过程中发射一定频率的光信号。过程中发射一定频率的光信号。材料不同发光颜色不同，是一种将材料不同发光颜色不同，是一种将电能电能光能光能的器件；的器件；+-+光敏二极管符号光敏二极管符号 发光二极管符号发光二极管符号8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管 发光二极管发光二极管（LED）发光二极管工作时加发光二极管工作时加正向电压，正向电压，光敏二极管工作时加光敏二极管工作时加反向电压反向电压。第第27页页/共共65页页 光敏二极管光敏二
21、极管基本特性基本特性1.1.光照特性光照特性 硅光敏二极管在小负载电阻情况下，硅光敏二极管在小负载电阻情况下，光电流与照度成线性关系。光电流与照度成线性关系。2.2.光谱特性（硅光敏管为例光谱特性（硅光敏管为例)当入射当入射波长波长0.9m时，响应灵敏时，响应灵敏度下降是因波长长光子能量小，当度下降是因波长长光子能量小，当小于禁带宽度时小于禁带宽度时 不产生电子、空穴不产生电子、空穴对；对；当入射当入射波长波长0.9m时，响应逐渐时，响应逐渐下降，虽波长短能量大，但光下降，虽波长短能量大，但光穿透穿透深度小深度小，使光电流减小。，使光电流减小。8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管/Ehh有时亦称响
22、应度。灵敏度的定义为在规定的反向偏压有时亦称响应度。灵敏度的定义为在规定的反向偏压下单位光功率所产生的光电流。对于下单位光功率所产生的光电流。对于PIN 光敏二极管，光敏二极管，它的灵敏度理论值为：它的灵敏度理论值为：S=(q)/(hc)q电子电荷量；电子电荷量；量子效率；量子效率；入射波长；入射波长；h普朗克常数；普朗克常数；c光速。光速。第第28页页/共共65页页3.3.伏安特性伏安特性 当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几
23、乎无关，只取决于光照强度。压几乎无关，只取决于光照强度。4.4.温度特性温度特性 由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。暗电流对温度变化很敏感。第第29页页/共共65页页5.5.频率响应频率响应光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。关系。光敏管的频率响应与本身的物理结构、工作状态、负载以光敏管的频率响应与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。及入射光波长等因素有关。光敏二极管频率响应曲线光敏二极管频率响应曲线 8.2.4 光敏晶
24、体管光敏晶体管图中图中硅硅光敏二极管频率响应曲线光敏二极管频率响应曲线说明，说明，调制频率高于调制频率高于1000Hz1000Hz时，时，光敏晶体管灵敏度急剧下降。光敏晶体管灵敏度急剧下降。第第30页页/共共65页页 结构：与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将集电结作结构：与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将集电结作为光敏二极管（控制结），集电结做受光结，另外发射极为光敏二极管（控制结），集电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。的尺寸做的很大，以扩大光照面积。大多数光敏晶体管的基极无引线，无论大多数光敏晶体管的基极无引线，无论NPN、PNP一般集一般集电结加反偏。玻璃封装上有
25、个小孔，让光照射到基区。电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。光光敏敏三三极极管管结结构构 NNPc cb be e电路电路符号符号8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管2）光敏三极管）光敏三极管第第31页页/共共65页页 硅（硅（Si Si）光敏三极管）光敏三极管0gCLLUI Ri R晶体管电流放大系数电流晶体管电流放大系数电流ig与光强有关与光强有关NNPc cb be e+-光敏三极管光敏三极管等效电路等效电路 在负载电阻上的输出电压为在负载电阻上的输出电压为硅光敏晶体极管一般是硅光敏晶体极管一般是NPN结构结构；光照射在集电结的基区产；光照射在集电结的基区产生光生电子生光生电子-
26、空穴，在电场作用下，光生电子被拉向集电极，空穴，在电场作用下，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高；基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高；同时发射极大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电同时发射极大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。流，使晶体管具有电流增益。第第32页页/共共65页页由伏安特性曲线可见光敏晶体管对光信号具有放大作用由伏安特性曲线可见光敏晶体管对光信号具有放大作用光敏晶体管伏安特性曲线光敏晶体管伏安特性曲线8.2.4 8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管 光敏晶体管伏安特性光敏晶体管伏安特性第第
27、33页页/共共65页页光敏晶体管的光谱特性光敏晶体管的光谱特性 硅材料的光敏管峰值波长在硅材料的光敏管峰值波长在0.9m附近（可见光）附近（可见光）灵敏度最大；灵敏度最大；探测探测可见光可见光或或赤热状赤热状物体时波长短，一般物体时波长短，一般用用硅管硅管 0.9 m；锗管的峰值波长约为锗管的峰值波长约为1.5 m（红外光红外光）对红外进行探测时用对红外进行探测时用锗管锗管较适宜。较适宜。光敏晶体管光谱特性光敏晶体管光谱特性 第第34页页/共共65页页 光电池工作原理也是基于光电池工作原理也是基于光生伏特效应光生伏特效应，是直接将光能，是直接将光能转换成电能的器件。转换成电能的器件。有光线作用
28、时就是电源有光线作用时就是电源(太阳能电池太阳能电池)，所以广泛用于宇，所以广泛用于宇航航电源电源，另一类用于检测和，另一类用于检测和自动控制自动控制等。等。8.2.5 光电池光电池光信号光信号光电池光电池电信号电信号第第35页页/共共65页页太阳能手机充电器太阳能手机充电器太阳能电池太阳能电池8.2.5 光电池光电池 光电池种类很多，有光电池种类很多，有硒光电池硒光电池、锗光电池锗光电池、硅光电池硅光电池、砷化镓砷化镓、氧化铜氧化铜等等。等等。硅光电池转换效率高、价廉、寿命长，使用最广泛的一硅光电池转换效率高、价廉、寿命长，使用最广泛的一种光电池；硒光电池转换效率低、寿命短，但光谱响应种光电
29、池；硒光电池转换效率低、寿命短，但光谱响应与人眼的视觉符合，适于接受可见光，是很多分析仪器与人眼的视觉符合，适于接受可见光，是很多分析仪器和测量仪表的常用器件。砷化镓材料的光谱响应与太阳和测量仪表的常用器件。砷化镓材料的光谱响应与太阳光谱吻合、耐高温和宇宙射线，用于航天器。光谱吻合、耐高温和宇宙射线，用于航天器。第第36页页/共共65页页8.2.5 光电池光电池 太阳能交通标志有助于降低成本和减少二氧化碳排放太阳能交通标志有助于降低成本和减少二氧化碳排放 第第37页页/共共65页页 光电池结构：光电池结构：光电池实质是一个大面积光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状结，上电极为栅状受光电极
30、，下面有一抗反射膜，下电极是一层衬底铝。受光电极，下面有一抗反射膜，下电极是一层衬底铝。原理：原理：当光照射当光照射PN结的一个面时，电子结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般普在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般普通光电池可产生通光电池可产生0.2V0.6V电压，电压，50mA电流电流。光电池结构光电池结构 电路符号电路符号 第第38页页/共共65页页开路电压开路电压光生电动势与照度之间关系；光生电动势与照度之间关系；开路电压与光照度关系是非线性关系，开开路电压与光照度关系是非线性关系，开路电压在照度路电压在照度20
31、00lx 趋于饱和。趋于饱和。短路电流短路电流光电流与照度之间关系称短路光电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是指外接负载相对内电流曲线，短路电流是指外接负载相对内阻很小时的光电流。阻很小时的光电流。光电池光照与负载的关系光电池光照与负载的关系 光电池光照特性光电池光照特性 1）光电池光照特性）光电池光照特性PN电子电子空穴空穴-+-+光源 实验证明，实验证明，RL小线性范围好，具体根据光照大小而定，通常小线性范围好，具体根据光照大小而定，通常 RL100光电池工作原理示意图光电池工作原理示意图 第第39页页/共共65页页2 2）光谱特性）光谱特性硅光电池硅光电池的光谱响应峰值的光谱响应
32、峰值在在0.8m附近，波长范围附近，波长范围0.41.2m。硅光电池可。硅光电池可在很宽的波长范围应用。在很宽的波长范围应用。硒光电池硒光电池光谱响应峰值在光谱响应峰值在0.5m附近，波长范围附近，波长范围0.380.75m。光电池对不同波长的光灵敏度不同，不同材料光灵光电池对不同波长的光灵敏度不同，不同材料光灵敏度峰值不同。敏度峰值不同。第第40页页/共共65页页3 3）频率特性）频率特性 指光电池相对输出电流与光的调制频指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。率之间关系。硅光电池频率响应较好，硅光电池频率响应较好，硒光电池较硒光电池较差差。所以。所以高速计数器高速计数器的转换电路一般的
33、转换电路一般采用硅光电池作为传感器元件。采用硅光电池作为传感器元件。4 4）温度特性）温度特性第第41页页/共共65页页光电池作为光电池作为控制元件，控制元件，通常接非线性负载，若控制锗管，通常接非线性负载，若控制锗管，发射结导通电压为发射结导通电压为0.2V0.3V；若控制硅管，发射结导通；若控制硅管，发射结导通电压为电压为0.6V0.7V，光电池的，光电池的0.5V电压不能起到控制作用。电压不能起到控制作用。光电池电路连接光电池电路连接 光电池做电源时当光电池做电源时当电压源电压源使用使用;用做控制元件时当用做控制元件时当电流源电流源使用。使用。光电池光电池电路符号电路符号第第42页页/共
34、共65页页光电池电路连接光电池电路连接 可将两个光电池串联后接入基极，或用偏压电阻、二极管产可将两个光电池串联后接入基极，或用偏压电阻、二极管产生附加电压。有光照度变化时，引起基极电流生附加电压。有光照度变化时，引起基极电流Ib变化，集电变化，集电极电流发生极电流发生倍的变化。电流倍的变化。电流Ic与光照近似线性关系。与光照近似线性关系。光电池作为光电池作为电源使用电源使用，需要电压高时应将光电池，需要电压高时应将光电池串联串联使用；使用；需要大电流时应将光电池需要大电流时应将光电池并联并联使用。使用。光电池电路连接光电池电路连接第第43页页/共共65页页8.3 8.3 光栅式传感器光栅式传感
35、器v 光栅是一种光学元件，用于测量的光栅称为计量光栅。光栅是一种光学元件，用于测量的光栅称为计量光栅。v 光栅是光栅是光栅尺光栅尺的简称。光栅尺是一块尺子，尺面上刻有的简称。光栅尺是一块尺子，尺面上刻有排列规则和形状规则的刻线。排列规则和形状规则的刻线。v 光栅式传感器主要用于光栅式传感器主要用于高精度的机械位移测量高精度的机械位移测量以及精密以及精密测量系统的传感装置。测量系统的传感装置。v 光栅式传感器的特点：精度高；可实现光栅式传感器的特点：精度高；可实现动态测量动态测量；大量；大量程测量兼有高分辨力；具有较强的抗干扰能力。程测量兼有高分辨力；具有较强的抗干扰能力。第第44页页/共共65
36、页页8.3 8.3 光栅式传感器光栅式传感器8.3.1 计量光栅的种类计量光栅的种类 长长光栅，用于长度或直线位移的测量，刻线相互平行；光栅，用于长度或直线位移的测量，刻线相互平行；圆光栅，用来测量角度或角位移，在圆盘玻璃上刻线。圆光栅，用来测量角度或角位移，在圆盘玻璃上刻线。根据光栅用途的不同，可将光栅尺分为长光栅尺（用作线根据光栅用途的不同，可将光栅尺分为长光栅尺（用作线值测量），圆光栅盘：值测量），圆光栅盘：第第45页页/共共65页页8.3.1 计量光栅的种类计量光栅的种类长长光光栅栅圆圆光光栅栅第第46页页/共共65页页在玻璃板上设计，其中透光缝宽为在玻璃板上设计，其中透光缝宽为b，不
37、透光线宽为，不透光线宽为 a，一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光的线宽，即一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光的线宽，即a=b。图中图中W=a+b，称为（光栅节距或光栅常数）。，称为（光栅节距或光栅常数）。光栅栅距是光栅尺的重要参数。光栅栅距是光栅尺的重要参数。长光栅尺的设计：长光栅尺的设计：8.3.2 莫尔条纹莫尔条纹W=a+b 光栅栅距光栅栅距第第47页页/共共65页页 形成莫尔条纹的光学原理形成莫尔条纹的光学原理8.3.2 莫尔条纹莫尔条纹莫尔条纹通常是由两块光栅（莫尔条纹通常是由两块光栅（标尺标尺光栅、光栅、指示指示光栅）叠合光栅）叠合而成的，为了避免摩擦，光栅之间留有间隙，两光栅的
38、栅而成的，为了避免摩擦，光栅之间留有间隙，两光栅的栅线透光部分与透光部分叠加；线透光部分与透光部分叠加；光线透过透光部分光线透过透光部分形成形成亮带亮带；光栅不；光栅不透光部分叠加，互透光部分叠加，互相遮挡，形成相遮挡，形成暗带暗带。这种由光栅重叠形这种由光栅重叠形成的光学图案称为成的光学图案称为莫尔条纹莫尔条纹。第第48页页/共共65页页2sin2WWB第第49页页/共共65页页8.3.2 莫尔条纹莫尔条纹 长光栅莫尔条纹的周期演示长光栅莫尔条纹的周期演示第第50页页/共共65页页8.3.2 莫尔条纹特性莫尔条纹特性1.1.运动对应关系运动对应关系n 莫尔条纹的移动量和移动方向与主光栅相对于
39、指示光莫尔条纹的移动量和移动方向与主光栅相对于指示光栅的位移量和位移方向有着严格的对应关系。栅的位移量和位移方向有着严格的对应关系。2.2.位移放大作用位移放大作用n 由上式可知莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为由上式可知莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为3.3.减小误差作用减小误差作用n 莫尔条纹是由光栅的大量栅线（常为数百条）共同形莫尔条纹是由光栅的大量栅线（常为数百条）共同形成的，对光栅的刻线误差有平均作用，从而能在很大成的，对光栅的刻线误差有平均作用，从而能在很大程度上消除栅距的局部误差和短周期误差的影响。程度上消除栅距的局部误差和短周期误差的影响。第第51页页/共共65页页光栅测量装置是
40、指利用光栅原理对输入量进行转换、光栅测量装置是指利用光栅原理对输入量进行转换、显示的整个测量装置。包含三大部分：显示的整个测量装置。包含三大部分：光栅光学系统；光栅光学系统；实现细分、辨向和显示等功能的电子系统；实现细分、辨向和显示等功能的电子系统；相应的机械结构。相应的机械结构。v 光栅传感器构成原理：光栅传感器构成原理：光栅式传感器又称光栅式读数头，光栅式传感器又称光栅式读数头，由由标尺光栅标尺光栅、指示光栅指示光栅、光路系统光路系统和和光电元件光电元件等组成。等组成。8.3.3 光栅传感器光栅传感器第第52页页/共共65页页8.3.3 光栅传感器光栅传感器 光栅读数头光栅读数头光栅读数头
41、主要由光栅读数头主要由标尺光栅标尺光栅、指示光栅指示光栅、光路系统光路系统和和光电元件光电元件等等组成，标尺光栅的有效长度即为测量范围。组成，标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。标尺光栅一般固定在被测物体上，随被测物体一起移动，其长度标尺光栅一般固定在被测物体上，随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。第第53页页/共共65页页 光栅读
42、数头光栅读数头两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮再到最暗的渐变过程。渐亮，一直到最亮，又从最亮再到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数。转换为电信号，接近于正弦周期函数。WxUUumoo22sin式中：式中：uo 光电元件输出的电压信号；光电元件输出的电压信号；Uo 输出信号中的平均直流分量；输出信号中的平均直流分量；U
43、m 输出信号中正弦交流分量的幅值输出信号中正弦交流分量的幅值第第54页页/共共65页页相距相距B/4放置四个光电元件，光栅移动时光的放置四个光电元件，光栅移动时光的信号强弱变化信号强弱变化。光栅读数头光栅读数头光栅位移与光强、输出电压的关系光栅位移与光强、输出电压的关系直接接收式光学系统可以装调成四相型系统。对于横向莫尔直接接收式光学系统可以装调成四相型系统。对于横向莫尔条纹，为了获得四相信号，相距条纹，为了获得四相信号，相距B/4放置四个光电元件；放置四个光电元件；光电元件可采用四极硅光电池或光敏二极管，并调整莫尔条光电元件可采用四极硅光电池或光敏二极管，并调整莫尔条纹的宽度使其和纹的宽度使
44、其和四极硅光电池四极硅光电池的宽度的宽度S相同。相同。第第55页页/共共65页页辨向逻辑工作原理辨向逻辑工作原理 光栅测量电路光栅测量电路光栅读数头实现位移量由非电量转换为电量，位移是向量，光栅读数头实现位移量由非电量转换为电量，位移是向量，因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。在相隔在相隔BH/4间距的位置上间距的位置上,放置两个光电元件放置两个光电元件 1和和2，得到两个相位差得到两个相位差/2的电信的电信号号u1和和u2（图中波形是消除（图中波形是消除直流分量后的交流分量）直流分量后的交流分量）,经过整形后得两个方波信经过
45、整形后得两个方波信号号u1和和u2。第第56页页/共共65页页辨向电路原理辨向电路原理（1 1）辨向原理）辨向原理 在光栅沿在光栅沿A方向移动时，方向移动时，u1的微分脉冲发生在的微分脉冲发生在u2为为“0”电平时，与门电平时，与门Y1无无脉冲输出；脉冲输出；而而u1的反相微分脉冲则发的反相微分脉冲则发生在生在u2的的“1”电平时，与电平时，与门门Y2输出一个计数脉冲。输出一个计数脉冲。当光栅沿当光栅沿A方向移动时，方向移动时，u1经微分电路后产生的脉冲经微分电路后产生的脉冲,正好发生在正好发生在u2的的“1”电平时，从而经电平时，从而经Y1输出一个计数输出一个计数脉冲；脉冲；而而u1经反相并
46、微分后产生的脉冲，则与经反相并微分后产生的脉冲，则与u2的的“0”电平相遇，与门电平相遇，与门Y2被阻塞无脉冲输出。被阻塞无脉冲输出。光栅测量电路光栅测量电路第第57页页/共共65页页辨向电路原理框图辨向电路原理框图（1 1）辨向原理）辨向原理 用用u2的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时移动方向时u1所产生的脉冲输出。所产生的脉冲输出。这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲；数脉冲；再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于
47、某个参考点的位移量。的位移量。光栅测量电路光栅测量电路辨向电路信号输出辨向电路信号输出第第58页页/共共65页页辨向电路各点波形8.3.3 光栅传感器光栅传感器左移左移 右移右移第第59页页/共共65页页细分与末分比较细分与末分比较8.3.3 光栅传感器光栅传感器(2)(2)细分技术细分技术光栅尺以移过的莫尔条纹的数量光栅尺以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。栅距。为了提高分辨率和测量比栅距更为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术小的位移量，可采用细分技术。第第60页页/共共65页页8.3.3 光栅传感器光栅传感器(2)(2)细分
48、技术细分技术在相差在相差BH/4位置上安装两个光电元件，位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差得到两个相位相差/2的电信号。的电信号。若将这两个信号反相就可以得到四个依若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差次相差/2的信号，从而可以在移动一的信号，从而可以在移动一个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实个栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。现四倍频细分。因为在一个莫尔条纹的间距内不可能安因为在一个莫尔条纹的间距内不可能安装更多的光电元件。装更多的光电元件。优点是，对莫尔优点是，对莫尔条纹产生的信号波形没有严格要求。条纹产生的信号波形没有严格要求。第第61页页/共共65页页四倍频细分电路
49、原理框图第第62页页/共共65页页三坐标测量机中光栅部件的工作原理图三坐标测量机中光栅部件的工作原理图1发光二极管发光二极管 2长光栅长光栅 3 刻线刻线 4零位刻线零位刻线5指示光栅指示光栅 6刻线刻线 7 光电晶体管光电晶体管 8.3.3 光栅传感器应用光栅传感器应用第第63页页/共共65页页本章要点：本章要点：理解各种光电效应，了解认识普通光电器件，了解器理解各种光电效应，了解认识普通光电器件，了解器件结构、器件工作原理、输出特性、光谱特性、光照件结构、器件工作原理、输出特性、光谱特性、光照特性、温度特性以及频率特性等。特性、温度特性以及频率特性等。掌握各种光电传感器电路符号、基本测量转
50、换电路和掌握各种光电传感器电路符号、基本测量转换电路和应用方式。应用方式。重点：光电效应；光敏电阻；光敏二极管；光电开关。重点：光电效应；光敏电阻；光敏二极管；光电开关。难点：光电器件的检测方法难点：光电器件的检测方法 第第64页页/共共65页页习题与思考题：习题与思考题：8.1 什么是内光电效应？什么是外光电效应？利用光电导效应制成的光电什么是内光电效应？什么是外光电效应？利用光电导效应制成的光电器件有哪些？利用光生伏特效应制成的光电器件有哪些？器件有哪些？利用光生伏特效应制成的光电器件有哪些？8.2 光敏二极管由哪几部分组成，它与普通二极管在使用时有什么不同？光敏二极管由哪几部分组成，它与
