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传感器原理与应用电子科技大学中山学院2013光电传感器光电传感器介绍光电效应、光电元件的分类、结构、工作原理、特性、应用电路，以及光电传感器的四种类型的应用实例。还简单介绍了光辐射的基本知识。1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf（或hν）的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。第一节光电效应及光电元件光电效应的分类第一类：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。第二类：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，也称为光电导效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管及光敏晶闸管等。第三类：在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。1）外光电效应a)光电管b)外光电效应示意1－阳极a2－阴极k3－石英玻璃外壳4－抽气管蒂5－阳极引脚6－阴极引脚7－金属表面8－光子9－光致发射电子金属板“光电子”爱因斯坦光电方程式中m——电子质量；W——金属光电阴极材料的逸出功；f——入射光的频率。由于逸出功与材料的性质有关，当材料选定后，要使金属表面有电子逸出，入射光的频率f应有一最低的限度值。当hf小于W时，即使光通量很大，照射时间很长，也不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限。212mvhfW电子逸出金属表面的速度v可由能量守恒定律确定：电磁波频谱（光是一种电磁波）光电管电路及特性金属阳极a和阴极k封装在一个石英玻璃壳内。当入射光照射在阴极板上时,光子的能量传递给阴极表面的电子,当电子获得的能量足够大时,电子就可以克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面,形成电子发射。当光电管阳极加上数十伏电压时,从阴极表面逸出的“光电子”被具有正电压的阳极所吸引,在光电管中形成电流,简称为光电流,光电流IΦ正比于光电子数,而光电子数又正比于光照度。1－低照度时的曲线2－紫外线增强时的曲线光电倍增管外光电效应的典型元器件还有光电倍增管。它的灵敏度比上述光电管高出几万倍以上，在星光下就可以产生可观的电流，光通量在10-14～10-6lm（流明）的很大变化区间里，其输出电流均能保持线性。因此光电倍增管可用于微光测量,如探测高能射线产生的辉光等。但由于光电倍增管是玻璃真空器件，体积大、易破碎,工作电压高达上千伏,所以目前已逐渐被新型半导体光敏元件所取代。微弱光照二、基于内光电效应的光电元件1．光敏电阻在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。光敏电阻的图形符号：构成光敏电阻的材料有：金属的硫化物(如CdS)、硒化物、碲化物等半导体。半导体的导电能力取决于半导体载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，若光子能量hf大于该半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收光子能量后，跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子-空穴对的出现使电阻率变小。光照越强，光生电子-空穴对就越多，阻值就越低。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值。光敏电阻外形及结构当光敏电阻受到光照时，左右电极之间的阻值减小。光敏电阻原理演示当光敏电阻受到光照时，光生电子-空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（温度升高，暗电增大）光照产生的电流称为亮电流光敏电阻的特性和参数1）暗电阻：置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于1MΩ。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一大缺点。2）光电特性：在光敏电阻两极电压固定不变时,光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性(非线性严重)3）响应时间：光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间（上升时间）才能达到其稳定值。同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间(下降时间)才能恢复到其暗电流值，（时延特性）。光敏电阻的上升响应时间和下降响应时间约为10–2～10–3s，光敏电阻不能用在要求快速响应的场合。部分光敏电阻的特性参数二、光敏管光敏二极管、光敏晶体管、光敏晶闸管等统称为光敏管，它们的工作原理是基于内光电效应。光敏晶体管的灵敏度比二极管高，但频率特性较差，暗电流也较大。目前还研制出光敏晶闸管，它的导通电流比光敏晶体管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，主要用于光耦合器（俗称光电耦合器）中。光敏二极管的结构光敏二极管的PN结被设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射。1－负极引脚2－管芯3－外壳4－玻璃聚光镜5－正极引脚6－N型衬底7－SiO2保护圈8－SiO2透明保护层9－铝引出电极10－P型扩散层11－耗尽层12－金丝引出线光敏二极管的工作原理没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当合适波长的光照射在光敏二极管的PN结（又称耗尽层）上时，原子中的电子吸收光子的能量，变成自由光子。相应地，产生同样数量的空穴。光照增强，产生的电子-空穴对数量也随之增加，在外加的反向电压的作用下，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，从而产生反向电流电流（称为光电流），光电流与照度成正比。部分光敏二极管特性参数.光敏二极管实物照片将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。透镜+-光敏二极管外形光敏二极管伏安特性及红外发射、接收对管红外发射管红外接收管光敏二极管的伏安特性光敏二极管的反向偏置接法在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。电路的输出电压Uo与光电流ID成正比，在一定范围内，与光照度E成正比。光敏晶体管光敏晶体管又称“光敏三极管”，它有两个PN结。与普通晶体管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏晶体管的基极没有引出线，只有正负（C、E）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。光敏晶体管的结构a）管芯结构b)结构简化图c）光敏晶体管图形符号1－N+衬底2－N型集电区3－透光SiO2保护圈4－集电结JC5－P型基区6－发射结JE7－N型发射区光敏三极管的外形多数只有C、E两个电极CEBCE硅光敏晶体管的伏安特性光敏晶体管在不同照度下的伏安特性与一般晶体管在不同基极电流下的输出特性相似。光敏晶体管的工作电压一般应大于3V。若在伏安特性曲线上作负载线，便可求得某光强下的输出电压UCE。硅光敏晶体管的光谱特性电磁波频谱硅光敏晶体管的光谱特性电磁波频谱几种光敏材料的光谱峰值波长.材料名称GaAsPGaAsSiHgCdTeGeGaInAsPAlGaSbGaInAsInSb峰值波长/μm0.60.650.81～21.31.31.41.655.03DU光敏三极管特性参数光敏达林顿管将光敏三极管与另一个普通三极管制作在同一个管芯里，连接成复合管型式，称为达林顿型光敏三极管。它的灵敏度更高（β=β1β2），且允许输出较大的电流。但是达林顿光敏三极管的漏电（暗电流）也较大，频响较差，温漂也较大。光敏达林顿三极管图形符号达林顿型光耦合器输出电流可达50mA光敏晶闸管光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极k和门极g。它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时,将产生门极电流,从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。导通后,即使光照消失,光敏晶闸管仍维持导通。使阳极与阴极的电压反向,或使负载电流小于其维持电流，晶闸管截止。光敏晶闸管的特点是：导通电流比光敏三极管大得多,工作电压可达近千伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。光敏晶闸管用于光控路灯电路光敏面光照小于设定值时,VT1截止,VT2的门极电流Ig2增大,VT2导通,电灯HL亮。减小Rg,门极电流被旁路,灵敏度降低。光敏晶闸管多用于弱电控制强电的光耦电路双向过零触发晶闸管光耦MOC30系列2020/1/1836单片机控制灯光或交流继电器电路.三、基于光生伏特效应的光电元件——光电池在P型衬底上制造一很薄、透明的N型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子的能量足够大时，PN结每吸收一个光子就产生一对光生电子-空穴对，光生电子-空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴漂移到P区，所以N区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出，这就是光生伏特效应。太阳能电池的种类非晶硅可挠式光电池的结构及工作原理示意图.光电池内部载流子的漂移示意图入射光线光电池外形光敏面1.硅光电池的图形符号及等效电路当光电池短路时，相当于电流源；当光电池开路时，相当于电压源；E2.硅光电池的主要特性①开路电压Uoc：在一定光照下，硅光电池两个输出端开路时，所产生的电动势。②短路电流ISc：在一定光照下，硅光电池所接负载电阻为零时，流过硅光电池的电流。③暗电流ID：在无光照的条件下，在硅光电池两端施加额定反向电压时所产生的电流。④反向阻抗Rζ:在无光照的条件下，在硅光电池两端施加额定反向电压时所呈现的阻抗。⑤峰值波长λo：响应光谱转换效率最大处的波长。⑥上、下限波长λ1、λ2：响应光谱中转换峰值的50%处所对应的上、下限波长。⑦最大反向电压URM：使用硅光电池时所允许加的极限反向电压(由串联的其他电池产生)。⑧转换效率η：硅光电池输出电能与输入光能量的比值。光谱特性：硅光电池对近红外敏感。硒光电池对可见光敏感。随着制造技术的进步,硅光电池已具有从蓝紫到近红外的宽光谱特性。目前许多厂商已生产出峰值波长为0.7μm(可见光)的硅光电池,在紫光(0.4μm)附近仍有40～60%的相对灵敏度。硒、硅、锗光电池的光谱特性比较光电池的光电特性光电池的负载电阻不同，输出电压和电流也不同。开路电压Uo与光照度的关系呈非线性，近似于对数关系，在2000lx照度以上就趋于饱和。负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系就愈好。当负载短路时，光电流在很大范围内与照度成线性关系，当希望光电池的输出与光照度成正比时.应把光电池作为电流源来使用。当被测非电量是开关量时，也可以把光电池作为电压源来使用。对数特性能提供较大电流的大面积光电池外形（频率特性很差）光电池组件光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电风扇太阳能硅光电池板光电池在动力方面的应用（续）沙漠住宅太阳能供电光电池在动力方面的应用（续）嫦娥飞船上的光电池板各种光电池四象限探测器：完全对称的4个光敏元件置于光学系统焦平面上。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同。常用于激光制导、跟踪等。第二节光电元件的基本应用电路一、光敏电阻基本应用电路图a中，当无光照时，光敏电阻RΦ很大，IΦ在RL上的压降Uo很小。随着入射光增大，RΦ减小，Uo随之增大。图中，入射光增大，Uo反而减小。a）Uo与光照变化趋势相同的电路b）Uo与光照变化趋势相反的电路二、光敏二极管的应用电路光敏二极管在应用电路中必须反向偏置。利用施密特反相器可将光敏二极管的输出电压转换成TTL电平。Ui=5V-URL=5V-IΦRL例：用反相器来得到较大负载能力的电路见左下图,光电特性见右下图,RL=10kΩ,求:74HC04的输出稳定地跳变为高电平时的光照度阈值。解：在VDD=5V时,查74HC04的典型输入低电平ViL=2.1V,典型输入高电平ViH=2.4V。当74HC04的输入低于2.1V后，输出才能稳定地跳变为高电平(4.9V),此时输入回路流过RL的电流为：IΦ=ViL/RL=(5-2.1)V/10kΩ=0.29mA,