第7章光电传感器8。05

传感技术与电子测量主讲教师：赵珂第7章光电检测技术7.1光电效应和光电器件7.2光电式传感器的应用7.1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。一、光电效应和光电器件真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性2、光电倍增管在入射光极为微弱时，光电管能产生很小的光电流。光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极+若干倍增极+阳极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。3、光敏电阻（1）、光敏电阻的工作原理及结构当无光照时，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。（2）、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。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。A、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。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。（3）、光敏电阻的基本特性B、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。C、光谱特性光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的。D、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。(ms)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。E、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)C%(100R)TT(RR121212温度系数：在一定光照下，温度每变化1℃，光敏电阻阻值的平均变化率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应用电路UIRGRL通常从等效电路和伏安特性曲线进行基本的分析。如左图所示。很明显应用光敏电阻可以在低速（由响应时间和频率特性决定）用作开关电路。如果要合理设计，那么就要综合考虑前面介绍的光敏电阻的各种特性。器件的选取如：应用它的光谱特性，对不同波长的光选用不同的器件。（1）、工作原理•结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态。光敏二极管4、光敏二极管和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。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。A、光谱特性•入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。（2）、基本特性B、伏安特性硅光敏管的伏安特性C、光照特性硅光敏管的光照特性光敏二极管的光照特性曲线的线性较好D、温度特性其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。E、频率响应•具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系硅光敏晶体管的频率响应例1光敏二极管GG的联结和伏安特性如图所示。若光敏二极管上的照度发生变化，L=（100+100·sinωt)lx，为使光敏二极管上有10V的电压变化，求所需的负载电阻RL和电源电压E。解：根据曲线，最大电压与最大光照对应。并使它工作在线性区域，我们取200lx的拐点对应2V，则电源电压为：伏安特性)(100.11010212ACBCatan1R66L在电压轴上找到12V的点，连接拐点与该点的直线为负载线。拐点对应的电流为10微安。负载电阻为)V(12102E（1）、工作原理•直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负)。•用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。5、光电池A硼扩散层SiO2膜P型电极N型硅片PN结电极AII(a)(b)A、光谱特性•光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的（2）、基本特性B、光照特性•不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的。光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用光电池的短路电流•外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值。负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽C、频率响应•指输出电流随调制光频率变化的关系硅光电池具有较高的频率响应，用于高速计数的光电转换D、温度特性•开路电压和短路电流随温度变化的关系。•关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标硅光电池的温度特性(照度1000lx)E、稳定性•当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的硅光电池的性能比硒光电池更稳定•影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺使用环境条件+12V例：图所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。BG2BG1CJR1R2图1：光电开关IURL光电池的基本连接电路1、模拟式光电传感器•基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数。对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。7.2光电式传感器的应用光电比色高温计1－物镜；2－平面玻璃；3－光阑；4－光导棒；5－分光镜；6－滤光片；7－硅光电池；8－滤光片；9－硅光电池；10－瞄准反射镜；11－圆柱反射镜；12－目镜；13－多夫棱镜14、15－硅光电池负载电阻；16－可逆电机；17－电子电位差计2、脉冲式光电传感器光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态。光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。光电式数字转速表60ZTNc3、光电耦合器件是由发光元件(发光二极管)和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。根据其结构和用途不同，它又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。输入输出输入输出(a)(b)光电耦合器组合形式(a)透射式；(b)反射式发光元件窗接收元件壳体导线接收元件发光元件壳体导线(a)(b)反射物图(a)是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样就起到了检测作用。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且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与TTL、MOS等电路容易结合。R＋VccCD4584(a)R＋Vcc(b)R＋Vcc(c)SN7414光电开关的基本电路