第7章 光电式与光纤传感器.doc

感测技术讲义
第7章 光电式传感器

光电式传感器（Photoelectric Sensor）：以光电效应为基础，将光信号（光量的变化）转换为电信号（电量的变化）的一种传感器。

7.1 光电效应（Photoelectric Effect, Photoeffect）
爱因斯坦光子学说：
光是由一连串具有一定能量的粒子组成，其能量大小等于。
—普朗克常数
—光的频率（）
不同频率的光具有不同的能量，光的频率越高，其光子能量越大。

光照射到物体表面后产生光电效应，分为两类：

1. 外光电效应（光电发射 Photoeletric Emission）
在光线作用下，能使物体内的电子逸出物体表面的现象。
基于外光电效应的光电器件（光敏元件）：光电管、光电倍增管

根据爱因斯坦光电效应方程：
（能量守恒定律）

A0— 某物体的电子的逸出功
V—电子的逸出速度。

结论:
（1）当光子能量，即时，才有光电子逸出物体表面，产生外光电效应。
当，即（红限频率）时，光电子的。
当时，不论光强度有多大，都不会使物体发射出光电子，不会产生外光电效应。

（2）光电子的初动能取决于光的频率，。

2. 内光电效应（Inner Photoeffect）
（1）光电导效应
在光线作用下，某些物体（本征半导体）内部的原子释放电子，这些电子并不逸出物体表面，但使物体的电导率发生变化的效应被称为光电导效应。
基于光电导效应的光电器件：光敏电阻

为实现能级的跃迁，入射光的
能量必须满足

即：入射光的波长必须
（波长限）

（2）光生伏特效应
在光线作用下，物体（半导体）内部的原子释放电子，这些电子并不逸出物体表面，但使物体产生光生电动势的效应被称为光生伏特效应。
基于光生伏特效应的光电器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管

7.2 外光电效应的光电器件
1. 光电管（真空）

2. 光电倍增管

阳极电流I为：
i—光电阴极的光电流；
—各倍增电极的二次电子发射系数；
n—光电倍增管极数。

光电倍增管的电流放大倍数为

7.3 内光电效应的光电器件
1. 光敏电阻（光电导管Photoconductor, Photoconductive Tube）
（1）工作原理
基于光电导效应。
无光照时，RG很大，I很小；
有光照时，RG急剧减小，I迅速
增大。

（2）光敏电阻的主要参数和基本特性

① 暗电阻、亮电阻、光电流
暗电阻—在未受到光（某种波长）照射时的阻值称为暗电阻，流过的电流为暗电流。
亮电阻—在受到光（某种波长）照射时的阻值称为亮电阻，流过的电流为亮电流。
光电流=亮电流—暗电流
暗电阻越大，亮电阻越小，则光敏电阻的性能越好。即暗电流要小，亮电流要大。一般，暗电阻>1MΩ, 亮电阻<(1~10)KΩ。

② 光敏电阻的伏安特性
③ 光敏电阻的光照特性
光敏电阻的伏安特性
光敏电阻的光照特性

④ 光敏电阻的光谱特性

可见光区域
红外区域

⑤ 光敏电阻的响应时间和频率特性
光电流的变化相对于光的变化，存在滞后，这是光电导的“弛豫现象”。
⑥ 光敏电阻的温度特性
随着温度的升高，它的暗电阻和灵敏度都下降。

2. 光电池（Photocell）
在光线照射下，直接能将光能量转变为电动势的光电元件（电压源）。
应用最广、最有发展前途的是：硅光电池、硒光电池

（1）光电池的结构原理（基于光生伏特效应）

（2）光电池的主要特性（P140）

① 光电池的光谱特性
② 光电池的光照特性
③ 光电池的频率特性
④ 光电池的温度特性

3. 光敏二极管和光敏三极管
（1）光敏二极管

无光照时，光敏二极管反向电阻很大，反向饱和漏电流（暗电流）很小，处于截止状态；
受光照时，产生光电流，光的照度越大，光电流越大，光敏二极管处于导通状态。

（2）光敏三极管

1）工作原理
① 无光照时，集电极反偏，反向饱和
漏电流很小；
② 有光照时，在PN结附近产生光生
电子-空穴对，在PN结内电场作用下，
做定向运动，形成光电流（相当于基极
电流），输出电流

2）基本特性 （P143）
① 光敏三极管的光谱特性
② 光敏三极管的伏安特性
③ 光敏三极管的光照特性
④ 光敏三极管的温度特性
⑤ 光敏三极管的频率特性

7.4 光电耦合器件
光电耦合器件=发光元件+光电接收元件
发光二极管
光敏电阻、光敏二（三）极管

1. 光电耦合器
实现电隔离，具有抗干扰性能和单向信号传输功能。
广泛应用于电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等。

2. 光电开关
检测有无物体。广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。

7.5 光导纤维（光纤 Optical fiber）传感器
光纤：20世纪70年代的重要发明
光纤传感器：始于1977年

光纤传感器 光纤 光纤通信技术

与传统的以电为基础的传感器相比有本质的区别：
1． 光纤传感器用光而不是用电来作为敏感信息的载体；
2． 光纤传感器用光纤而不是用导线来作为传递敏感信息的媒介

光纤传感器的特点：
1． 电绝缘，特别适用于高压供电系统及大容量电机的测试。
2． 抗电磁干扰，特别适用于高压大电流、强磁场噪声、强辐射等恶劣环境。
3． 高灵敏度。
4． 容易实现对被测信号的远距离监控。

7.5.1 光纤结构

光缆—由多根光纤组成，主要用于光纤通信。

7.5.2 斯乃尔定理（Snell’s Law）

根据几何光学理论，当光由光密物质（折射率n1大）射至光疏物质（折射率n2小），即n1>n2时，一部分入射光折射入光疏物质，其余部分反射回光密物质。

斯乃尔定理：
（ 因为 ，所以 ）

始终：
临界状态：
临界角：
当时，发生全反射

7.5.3 光纤的传（导）光原理

根据斯乃尔定理
（1）
（2）
（空气）
由（1）得：

由（2）得：

临界状态：
实现全反射的临界角：
（数值孔径）
结论：
1． 纤芯和包层介质的折射率差值越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力越强。
数值孔径反映了光纤的集光能力。
2．当时，，光线会透入包层而消失。
3．当时，光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播，光在光纤内经过无数次的全反射，就从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光的基本原理。

7.5.4 光纤传感器结构原理及分类
1. 光纤传感器结构原理

传统传感器：
以机电测量为基础，把测量的物理量转变为可测的电信号的装置。

导线
被测量
电源
敏感元件
信号接收器
信号处理
导线

光纤传感器：
以光学测量为基础，把测量的物理量转变为可测的光信号的装置。

光纤
被测量
光发送器
敏感元件
光接收器
信号处理
光纤

光纤传感器的基本工作原理：

光纤
光纤
被测量
调制光信号
光信号
光调制器
光探测器
光解调器
非电量（被测量）

光： 电磁波 波长
光的电矢量E：
A— 光波的振幅
ω—光波的振动频率
Φ—光波的相位

将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与光相互作用，导致光的光学性质（光的强度、波长、频率、相位、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。

2. 光纤传感器的分类
（1） 非功能型（传光型）光纤传感器
光纤
被测量
光发送器
敏感元件
光接收器
信号处理

光纤：仅起传（导）光作用
敏感元件：非光纤型
优点：容易实现，成本低，占据了光纤传感器的绝大多数。
缺点：灵敏度低
（2） 功能型（传感型）光纤传感器

光纤
被测量
光发送器
光纤敏感元件
光接收器
信号处理

光纤：不仅起传光作用，而且作为敏感元件
敏感元件：光纤型
优点：结构紧凑，灵敏度高
缺点：成本高（因需用特殊的光纤和先进的检测技术）

7.5.5 光纤传感器的调制原理
1. 强度调制
利用被测量的因素改变光纤中光的强度，再通过检测光强的变化来测量外界物理量，称为强度调制。

2. 波长和频率调制
利用外界被测量的因素改变光纤中光的波长或频率，然后，再通过检测光纤中光的波长或频率的变化来测量外界物理量，分别称为波长调制和频率调制。

3. 相位调制
利用被测量的因素改变光纤中光波的相位，再通过检测光波相位变化来测量外界物理量，称为相位调制。

4. 偏振调制

7.5.6 光电传感器与光纤传感器应用举例（P172）

1. 烟尘浊度检测仪

2. 光电转速传感器

在电机轴上固定涂上黑、白相间条纹的圆盘，N—黑（白）条纹数目。

3. 光电池应用
（1）太阳能电池电源
（2）光电池在光电检测和自动控制方面的应用

4. 光纤温度传感器
5. 压力传感器
6. 光纤图像传感器

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