光电、光纤、霍尔.ppt

南昌航空大学航空与机械学院,第七章 光电式传感器,光电式传感器是利用光电元件将光信号变换成电信号的一种装置。,光电元件也称光敏元件,，光电元件的类型很多，但其工作原理都是建立在光电效应这一物理基础上的。根据光电效应的不同机理，光电效应可分为三类：,光电子发射效应,。在光的照射下，使电子从物理表面逸出的现象称之。,光电导效应,。在光的照射下，使物理电阻率改变的现象称之。,光伏效应,。在光的照射下使物体在某一方向产生电动势的现象称之。,光电子发射效应在物体表面产生，所以也称外光电效应，通常使用的是金属材料；光电导效应和光伏效应发生在物体内部，所以也称内光电效应，一般使用的是半导体材料。,7-1光敏电阻,一、光敏电阻的工作原理,光电导效应：,半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象称为,光电导效应。光照停止，自由电子与空穴逐渐复合，电阻又回复原来值。根据这一原理制成的器件称为光敏电阻。光敏电阻没有极性，使用时在电阻两端加直流或交流偏压，如下图所示。,光敏电阻不受光照射时的电阻称,暗电阻,，此时通过的电流称,暗电流,。受光照射时的电阻称,亮电阻,，对应的电流称,亮电流,。亮电流与暗电流之差称,光电流,。光敏电阻的暗电阻在几兆欧以上，而亮电阻在几千欧以下。暗电阻与亮电阻之差越大，光电流越大，灵敏度越高。,第七章 光电传感器,光敏电阻的结构图,二、光敏电阻的基本特性,1.,光照特性,：表示光电流与照射光强度的关系，也称光电特性。,不同类型的光敏电阻光照特性不同，但大多数光敏电阻的光照特性曲线是非线性的，所以不适宜作检测元件，只能作为开关式的光电转换器,。,2.,伏安特性,：表示光敏电阻的光电流与外加电压之间的关系。在给定的电压下，光电流的数值随着照射光的增强而加大，照射光强不变时，外加电压越高，光电流,I,也越大，灵敏度随之增大。但最高工作电压受到允许耗散功率限制，不同元件有不同的规定，使用时应注意。,3.,光谱特性,：表示照射光的波长于光电流的关系。不同材料光敏电阻的光谱特性不同，照射光的波长不同时，光敏电阻的灵敏度亦不同。光敏电阻的灵敏度有一个峰值，材料不同灵敏度峰值对应的波长不同。所以选择光敏电阻时，要与使用的光源结合起来考虑，才能获得较好的效果。,4.,频率特性,：表示光,电流,与照射,光强度变化频率,之间的关系。因为光敏电阻受光照射后光电流不能立即达到饱和值，而是需要经过一段时间。同样光线停止照射后，光电流也不是立即完全消失，也存在一定的延时现象。,大多数光敏电阻的相应时间都较长，在,ms,级左右。它除了与材料有关外，还取决于照度、负载电阻和环境温度。,5.,温度特性,：光敏电阻与其它半导体器件一样，温度对其特性影响很大。温度升高时暗电流增大，使灵敏度降低。,第七章 光电传感器,照相机自动测光,光控灯,工业控制,72,光电管,光电管的工作原理与光敏电阻是相似的，其差别只是光照在半导体结上而已。,光电二极管,的,P-N,结装在管的顶部,上面有一个透镜制成的窗口，以便入射光集中在,P-N,结。,光电二极管在电路中往往工作在反向偏置，没有光照时流过的反向电流很小，因为这时,P,型材料中的电子和,N,型材料中的空穴很少。但当光照射在,P-N,结上时，在耗尽区内吸收光子而激发出的电子-空穴对越过结区，使少数载流子的浓度大大增加，因此通过,P-N,结产生稳态光电流。其特点是体积小，频率特性好。,光电三极管的结构与光敏二极管相似，不过它有两个,P-N,结，基极无引出线，仅有集电极和发射极两端引线。当集电极,c,上相对于发射极,e,为正的电压而不接基极,b,时，基极-集电极的结就是反向偏置的。当光照射在基极-集电极结上时，就会在结附近产生电子-空穴对，从而形成光电流(约几,A)，,输出到三极管的基极，此时集电极电流是光生电流的,倍(,是三极管的电流放大倍数)。可见，光敏三极管具有放大作用，它的优点是电流灵敏度高。,3.7 半导体敏感元件传感器,73,光电池,光生伏特效应指半导体材料,P-N,结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。,+,+,+,-,-,-,P,N,它可以用来检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成份分析等，也可以用来检验能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。,由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和相应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、,CCD,器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。,74,光电传感器的应用,应用,光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。,被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等,被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。,被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。,恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。,光电式转速表,机械式转速表和接触式电子转速表精度不高，影响被测物的运转状态，已不能满足自动化的要求。光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米处非接触地测量转速。由于光电器件的动态特性较好，所以可以用于高转速的测量而又不干扰被测物的转动，,光源,l,发出的光线经透镜2会聚成平行光束，照射到旋转物体上的反光纸4反射回来，经透镜5聚焦后落在光敏二极管6上。它产生与转速对应的电脉冲信号，经放大整形电路8得到了,TTL,电平的脉冲信号，再经频率计电路9处理后由显示器10显示出每分钟或每秒钟的转数即转速,案例：,光电鼠标就是利用,LED,与光敏晶体管组合来,测量位移。,亮度传感器：,通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。,相机测距反射式光电传感器,3.13,CCD,固态图象传感器,MOS(Metal Oxide Semiconductor),光敏元的结构是在半导体(,P,型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元(,MOS),。,第八章 光纤传感器,在半导体硅片上按线阵或面阵排列,MOS,单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。,3.13,CCD,固态图象传感器,0,1,1,1,1,1,0,0,光敏管阵列,并联串联转换器,运算电路,显示电路,结束信号,驱动脉冲,CCD,3.13,CCD,固态图象传感器,特点:,(1)非接触检测;,(2)响应快;,(3)可靠性高,为修简便;,(4)测量精度高;,(5)体积小,重量轻;容易与计算机连接,(6)对被测物体需要强光照射;,(7)受被测物体以外的光的影响.,应用:,(1)宽度测量;(2)外径测量;(3)主轴径向跳动测量,.,3.13,CCD,固态图象传感器,条形码扫描器,GREY=RED*0.299+GREEG*0.587+BLUE*0.114,数码相机,3.13,CCD,固态图象传感器,光电偶合嚣,1光电偶合器,由一个发光元件和一个光电元件共同封装在一个外壳内组成的复合型转换元件。,它能够以光为媒介 耦合与传递电信号也能够隔离(绝缘)开电路的输入与输出端。因此又称为,光电隔离器,。,光电开关,又称光电断续器，它是将红外发光元件和光电元件组装在一起，典型的光电开关结构如图。,(,b),是一种,反射式的光电开关,，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面上且以某一角度相交，交点一般即为待检物的所在处。当有物体经过时，接收元件可按收到从物体表面反射的光，使输出产生电平变化。,(,a),是一种,透射式的光电开关,，两管之间有一间陷，发光元件和接收元件的光轴是重合的。当被测物体位于或通过间隙时，遮断光路，输出端产生电平变化，起到检测的作用。,光纤与激光器、半导体光电器件一起构成了新的光学技术光电子学。,第八章 光纤传感器,81 光纤的结构和传光原理,1、结构,光纤由纤芯和包层组成。中心部分称纤芯，围绕纤芯的部分称包层。这两部分都是用石英、玻璃或塑料等光透射率高的材料作成的，但二者的折射率不同。,纤芯的折射率,nl,包,层的折射串,n 2,。,利用折射率不同，在纤芯内产生全反射，使光束沿着轴向前进到达传输目的。为了增加抗机械张力防止腐蚀，在包层外加覆一层塑胶尼龙被覆层。由许多单根光纤组成的光纤束称,光缆,。,2、传光原理,数值孔径越大，光纤的集光能力越强，但光信号畸变越厉害。,82 光纤传感器的工作原理及组成,光纤传感器是将被测对象的状态转换成光信号来进行检测的传感器。,基本原理,：将来自光源的光经过光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数相互作用，导致光的光学性质，如光的强度、频率、相位、波长、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后获得被测参数。,分类：,按照光纤在传感器中的作用，光纤传感器可分为传感型和传输型两类。,传感型光纤传感器,：光纤不仅起传光作用，而且是敏感元件。它是利用光纤本身的特性受被测物理量作用而发生变化的特点工作的，调制器是光纤本身，即内部调制，应用的是基本功能的转换，所以称传感型。传感器中的光纤是连续的。,传输型光纤传感器,：光纤不是敏感元件，仅起传光作用，传感器中的光纤是不连续的。它是利用在光纤端面或两根光纤中间放置其它介质的敏感元件，感受被测物理量的变化。,第八章 光纤传感器,传感型光纤传感器应用,：,光纤流速传感器,光纤流速传感器由光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化。其振主幅的变化与流速成正比。,3.12 光纤传感器,传输型光纤传感器应用,作业件检测,颜色检测,第九章 半导体,磁敏传感器,金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。,9-1霍尔效应与霍尔元件,在薄片左右两端通以控制电流电流,I,，,那么半导体中的载流子(电子)将沿着于电流,I,相反的方向运动。由于外磁场,B,的作用，使电子受到磁场力,Fl,(,洛仑兹力)而发生偏转，结果在半导体的后面上电子积累带负电，而前端面缺少电子带正电，在前后端面间形成电场。该电场产生的电场力,Fe,阻止电子继续偏转。当,Fe,和,Fl,相等时，电子积累达到动态平衡。这时在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁场方向)建立电场，称为霍尔电场,，,相应的电势称为,霍尔电势,。,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为420.1,mm3)，,在它的长度方向两端面上焊有,a、b,两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有,c、d,两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。,霍尔元件的基本电路如图所示。激励电流由电源量供给，可调电阻及用来调节摄励电流的大小，霍尔输出端接负载电阻,R,L,。,激励电流的方向或磁场方向改变时，输出电压的方向也随之改变。,霍尔元件的测量误差及其补偿,由于制造工艺的缺陷及半导体本身固有的特性，霍尔电压受到诸多因素的影响造成测量误差。其主要原因是温度和不等位电势的影响。,1、温度误差补偿,霍尔元件和一般半导体元件一样，对温度比较敏感，霍尔元件的内阻及霍尔电压都随温度变化。为了消除温度的影响，除选用温度系数小的元件或采用恒温等方法外，采用恒流源可似得到明显的效果,温度升高时，若霍尔电压和内阻都随之增加，在,I,为定值时，通过分流电阻,Rp,的电流,Ip,增大，而通过霍尔元件的激励电流,I,H,减小，从而达到补偿目的。,不等位电势,U,0,是霍尔元件的零位误差主要是由于两个霍尔电极没有安装在同一电位面上。,2、不等位电势补偿,左半部产生霍尔电势,V,H1,，,右半部产生露尔电势,V,H2,，,其方向相反。因此，,c、d,两端电势为,V,H1,V,H2,。,如果霍尔元件在初始位置时,V,H1,=,V,H2,，,则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。,测转角：,电流传感器,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。,铁磁材料裂纹检测,N,S,3.7 磁敏元件传感器,叶片和齿轮位置传感器,应用,案例：,汽车速度测量:,磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应(或称高斯效应)。与霍尔效应的区别如下；即霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化,9-2 磁阻元件,将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，元件内阻,R,1,、R,2,发生变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变化,。,产生磁阻效应的原理,在分析霍尔效应时，我们没有考虑到实际运动中载流子速度的统计分布，而认为载流子都按同一速度运动形成电流，实际上载流子的速度是不完全相同的，所以半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为半导体片的电阻变化。,特点,电阻的增量与磁场的平方成正比；,与磁场的正负无关；,温度系数影响大；,磁感应的范围比霍尔元件大。,应用,磁头；接近开关和无触点开关。,案例：转速测量,3.7 磁敏元件传感器,