项目6 光电传感器及其应用

1项目6光电传感器及其应用6.1光电效应及光电器件6.2红外传感器6.3激光传感器6.4光纤传感器6.5光电传感器应用实例26.1光电效应及光电器件将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。36.1.1外光电效应光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。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。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。)ss)(J106.626h-134-光的频率（－为普朗克常数式中：hE4电子逸出速度。电子质量式中：-u-m002021Amuh逸出电子的动能若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量hν必须超出逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即(爱因斯坦光电效应方程)56.1.2内光电效应受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。6导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg光电导效应的过程当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。7在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓等。例如，当一定波长的光照射PN结时，就产生电子-空穴对，在PN结内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，于是P区和N区之间产生电压，即光生电动势。利用该效应可制成各类光电池。6.1.3光生伏特效应8光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管同属于用外光电效应制成的光电转换器件。6.1.4光电器件光电管光电倍增管9光电管的结构示意图光阳极光电阴极光窗1.光电管光电管有真空光电管和充气光电管，或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。10普通光电管在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。11光电管的结构和电路12光电管的伏安特性5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压/VIA/μA光电器件的主要性能（1）光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。13光电管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51（2）光电管的光照特性通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。14（3）光电管光谱特性由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率f0，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率f0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。152.光电倍增管(1)结构与原理由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，其工作原理如图。16入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极光电倍增管的工作原理光电倍增管由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105～108倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。17(2)主要参数1）倍增系数MniM电流放大倍数niiIM与所加电压有关，一般在105－108之间。一般阳极和阴极的电压为1000V－2500V，两个相邻的倍增电极的电压差为50V－100V。182）阴极灵敏度和总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数称为光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数称为光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的放大倍数或总灵敏度如图所示。193）暗电流和本底脉冲一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。20光电倍增管的光照特性与直线最大偏离是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA处饱和10－1410－1010－610－2光通量/1m阳极电流/A4）光电倍增管的光谱特性光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。21光敏电阻光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。22当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即hν==≥Eg(eV)式中ν和λ—入射光的频率和波长。一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。ch24.11.光敏电阻的工作原理23如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案。2.光敏电阻的结构A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体241--光导层;2--玻璃窗口;3--金属外壳;4--电极;5--陶瓷基座;6--黑色绝缘玻璃;7--电阻引线。RG1234567(a)结构(b)电极(c)符号CdS光敏电阻的结构和符号3.光敏电阻的符号25RGRLEI6.光敏电阻的连线电路光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。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，其连线电路如图所示。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。265.光敏电阻的主要参数暗电阻：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流称为暗电流。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该光照下的亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。275010015020012U/V02040I/μA6.光敏电阻的基本特性（1）伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。28012345I/mAL/lx10002000（2）光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。29204060801004080120160200240λ/μm312相对灵敏度1-硫化镉2-硒化镉3-硫化铅（3）光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。3020406080100I/%f/Hz010102103104硫化铅硫化镉（4）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。31I/%408012016021T/h040080012001600（5）稳定性图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。32I/μA100150200-50-10305010-30T/ºC2040608010001.02.03.06.0λ/μmI/mA+20ºC-20ºC（6）温度特性其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。33光敏二极管和光敏