传感器技术-第4章 光电传感器原理与应用

113:37:15第四章光电传感器原理与应用4.1光电效应和光电器件4.2光电码盘213:37:15光电式传感器•原理首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电器件变换成电信号。辐射源光学通路光电器件输出被测量被测量•特性频谱宽、非接触测量、体积小、重量轻等313:37:15光电式传感器的基本组成光电式传感器由光路及电路两大部分组成，光路部分实现被测信号对光量的控制和调制，电路部分完成从光信号到点信号的转换；光学元件：透镜、滤光片、光阑、光楔、棱镜、反射镜、光通量调制器、光栅及光导纤维等。实现光参数的选择、调制和处理。光学元件光电元件测量电路被测光量（a）测量光信号光电式传感器的基本组成可以测量光学量或测量已先行转换为光学量的其它被测量，然后输出电信号。测量光学量时，光电元件作为敏感元件使用。光电元件：光电管、光敏电阻、光电二极管、光电晶体管、光电池等。实现检测照射其上的光通量。413:37:15光电式传感器的基本组成测量非光学量时，光电元件作为转换元件使用，需要配以光源和调制件。常用光源：白炽灯、发光二极管和半导体激光器等，实现提供恒定的光照条件。调制件：是用来将光源提供的光量转换成能与被测量相对应变化的光量元件，调制件的结构由被测量及测量原理而定。光学元件调制件或被测件光学元件光电元件测量电路（b）测量非光信号光电式传感器的基本组成513:37:154.1光电效应和光电器件外光电效应:在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管内光电效应:在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等属于这类光电器件。阻挡层光电效应(光生伏特效应):在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等613:37:151.外光电效应一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：E=hυ式中：h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s)υ——光的频率（s-1）。光电效应：当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势）。713:37:15所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。813:37:1502021Amvhv式中：m——电子质量；v0——电子逸出速度。上式为爱因斯坦光电效应方程式,由式可知：光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此对于外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。2021mv根据能量守恒定理913:37:15在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应。光电效应又有以下两类：（2）内光电效应又称光电导效应。在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。（3）光生伏特效应在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。1013:37:15光电效应和光电器件4.1.1光电管4.1.2光电倍增管4.1.3光敏电阻4.1.4光敏二极管和光敏晶体管4.1.5光电池4.1.6光电式传感器的应用上一页下一页返回1113:37:154．1．1光电管当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。上一页下一页返回AKAK1213:37:15真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管:构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差上一页下一页返回1313:37:154．1．2光电倍增管在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极+若干倍增极+阳极上一页下一页返回1413:37:151513:37:15光电倍增管的结构与工作原理光电阴极光电倍增极阳极倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射二次电子发射系数σ=二次发射电子数／入射电子数若倍增极有n，则倍增率为σni为光电阴极的光电流上一页下一页返回niI1613:37:15几种光电倍增管的外形1713:37:154．1．3光敏电阻1.光敏电阻的工作原理及结构2．光敏电阻的主要参数3．光敏电阻的基本特性上一页下一页返回1813:37:15光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。1.光敏电阻的工作原理及结构1913:37:15当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加上一页下一页返回一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。2013:37:15光敏电阻的结构光敏电阻的结构很简单，图（a）为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。上一页下一页返回金属电极半导体玻璃底板电源检流计RLEI(a)(b)(c)Ra2113:37:15光敏电阻结构(a)光敏电阻结构；(b)光敏电阻电极；(c)光敏电阻接线图金属电极半导体玻璃底板电源检流计RLEI(a)(b)(c)Ra为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如图（b）所示。2213:37:151.玻璃2.光电导层3.电极4.绝缘衬底5.金属壳6.黑色绝缘玻璃7.引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。光敏电阻结构2313:37:152413:37:15灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。而且体积小、重量轻、性能稳定如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：2513:37:152．光敏电阻的主要参数（1）暗电阻和暗电流光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。（2）亮电阻光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。（3）光电流亮电流与暗电流之差，称为光电流。上一页下一页返回2613:37:153．光敏电阻的基本特性（1）伏安特性（2）光照特性（3）光谱特性（4）响应时间和频率特性（5）温度特性上一页下一页返回2713:37:15（1）伏安特性在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。图中虚线为允许功耗曲线，由此确定光敏电阻正常工作电压。2813:37:15（2）光照特性光敏电阻的光电流与光强之间的关系由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。2913:37:15（3）光谱特性光谱光波：波长为10—106nm的电磁波可见光：波长380—780nm紫外线：波长10—380nm波长300—380nm称为近紫外线波长200—300nm称为远紫外线波长10—200nm称为极远紫外线红外线：波长780—106nm波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线。远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/μm3013:37:15光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的在选用光敏电阻时，要根据光源考虑。光敏电阻光敏特性3113:37:15（4）响应时间和频率特性光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。上一页下一页返回3213:37:15光敏电阻的频率特性不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。上一页下一页返回3313:37:15（5）温度特性光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。硫化镉光敏电阻的温度特性121212%100)(CRTTRR温度系数:定义为：在一定光照下，温度每变化1℃，光敏电阻阻值的平均变化率上一页下一页返回3413:37:15温度对光谱特性影响随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性上一页下一页返回3513:37:154.1.4光敏二极管和光敏晶体管1．工作原理2．基本特性上一页下一页返回3613:37:151．工作原理光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。3713:37:15光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流光敏二极管接线图GE3813:37:15光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。光敏二极管结构简图和符号NP＋－光3913:37:15PNRE+-If普通二极管4013:37:15PNRE-+Is光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光敏二极管4113:37:15RE-+I当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。PN当光照射时，光敏二极管处于导通状态。4213:37:154313:37:154413:37:15光敏晶体管光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，如下图（a）所示，只是它的集电极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光敏晶体管接线如图（b）所示。4513:37:15普通三极管ICIBeEBECIERCRbcbNNP4613:37:15光敏三极管ICIBeEBECIERCRbcbNNP基区很薄，基极一般不接引线；集电极面积较大。4713:37:15ICeECIERCcNNPb具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压。4813:37:15光敏晶体管当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高。这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。ICeECIERCcNNPb4913:37:15光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。它是一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流放大，所以输出电流能力大大加强，甚至可以不必经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。ce达林顿光敏管的