08 第10章 光电式传感器

现代检测技术光电式传感器精勤求学敦笃励志果毅力行忠恕任事Xi’anJiaotongUniversity光电器件硼扩散层P型电极N型硅片P-N结电极光电管光电池光敏电阻Xi’anJiaotongUniversity2，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。将被测物理量通过光量的变化转换为电量变化，工作基础是光电效应。光电效应按原理又分为以下3种：1，外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，在回路中形成光电流的现象。3，内光电效应：又称光导电效应，在光照作用下，物体导电性能发生改变的现象。光电式传感器Xi’anJiaotongUniversity外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，形成光电流。频率为ν的光子能量为：Eh光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功A和动能，即：212hmvA式中：h——普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν——入射光频率，s-1；m——电子质量；v——电子逸出速度；A——物体的逸出功。一、外光电效应Xi’anJiaotongUniversity外光电效应光电子逸出时所具有的初始动能Ek与光的频率有关，频率高则动能大。a.光电子逸出物体表面的必要条件hchAcA或，是波长，是光速。212kEmvhA由于不同材料具有不同的逸出功，因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率”。Xi’anJiaotongUniversityb.在足够外加电压作用下，入射光频率不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光强成正比。因为光越强，光子数越多，产生的光电子也相应增多。c.欲使光电子初始速度为零，需要在阳极加上反向截止电压，并且212Uemv外光电效应Xi’anJiaotongUniversity光电管金属底层光电管光透明光电管在真空玻璃管内装入两个电极——光电阴极与光电阳极。光电管的阴极受到适当的光线照射后发射电子，这些电子在电压作用下被阳极吸引，形成光电流。充气光电管——在玻璃管内充入氩、氖等惰性气体。当光电子被阳极吸引时会对惰性气体进行轰击，从而产生更多的自由电子，提高了光电转换灵敏度。外光电效应应用器件Xi’anJiaotongUniversity光电管的基本特性12Xi’anJiaotongUniversity光电管的基本特性Xi’anJiaotongUniversity光电管的基本特性Xi’anJiaotongUniversity光电管的基本特性Xi’anJiaotongUniversity光电管的基本特性其他特性：暗电流：无光照时，光电流不为零的现象；温度特性：光电管的光照特性、伏安特性等会受温度影响；频率特性：当光强按照一定频率变化时，光电流随频率变化的关系；稳定性和衰老：短期稳定性好；入射光越强衰老越快。Xi’anJiaotongUniversity光电倍增管在一个玻璃泡内除装有光电阴极和光电阳极外，还有若干个光电倍增极。倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。前一级倍增极反射的电子恰好轰击后一级倍增极，在每个倍增极间依次增大加速电压。光电倍增管的灵敏度高，适合在微弱光下使用，但不能接受强光刺激，否则容易损坏。外光电效应应用器件Xi’anJiaotongUniversity光电倍增管Xi’anJiaotongUniversity光电倍增管的基本特性Xi’anJiaotongUniversity光电倍增管的基本特性Xi’anJiaotongUniversity光电倍增管的基本特性Xi’anJiaotongUniversity-----+++++PN--+--++-++PN光+-光照射——光电子空穴对——内建电场作用——光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区——光电动势阻挡层——内建电场——PN结光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。二、光生伏特效应Xi’anJiaotongUniversity硼扩散层P型电极N型硅片P-N结电极硅光电池结构硅光电池因为性能稳定、光谱范围宽、转换效率高、价格低廉等优点被广泛应用，又称为太阳能电池。N型硅片上用扩散的方式掺入一些P型杂质（如硼）形成一个大面积的PN结，当入射光照射到P型表面时，光生电子在PN结电场作用下被拉向N区，光生空穴被拉向P区，从而形成光生电动势。利用光生伏特效应工作的光敏器件主要包括光电池、光敏二极管和光敏三极管。光电池Xi’anJiaotongUniversity光电池包括硅光电池、硒光电池、砷化镓光电池等。光电池最广。Xi’anJiaotongUniversity光照度指单位面积上所接受的光通量，单位勒克斯（lx），1lx=1lm/m2光电池的基本特性用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。Xi’anJiaotongUniversity光电池的基本特性Xi’anJiaotongUniversity光电池的基本特性Xi’anJiaotongUniversity光电池的基本特性Xi’anJiaotongUniversity光电池的基本特性•频率指光强变化的频率Xi’anJiaotongUniversity光电二极管Xi’anJiaotongUniversity光电三极管基区Xi’anJiaotongUniversity光电二极管、光电三极管比较Xi’anJiaotongUniversity光电二极管、光电三极管比较Xi’anJiaotongUniversity光电二极管、光电三极管比较Xi’anJiaotongUniversity光电二极管、光电三极管比较Xi’anJiaotongUniversity光电二极管、光电三极管比较Xi’anJiaotongUniversity内光电效应：又称光导电效应，在一定波长光照作用下，物体导电性能发生改变的现象。内光电效应产生的自由电子停留在物体内部，不发生电子逸出。内光电效应器件：光敏电阻、由光敏电阻制作的光导管。光敏电阻是纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻具有灵敏度高、体积小、重量轻、光谱响应范围宽、机械强度高、耐冲击和振动、寿命长等优点。制作光敏电阻的材料有硫化镉、硫化铅、硒化铟、硒化镉、硒化铅等。特点：无极性三、内光电效应Xi’anJiaotongUniversity光敏电阻的结构：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半导体，一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，电极一般采用梳状图案。光敏电阻Xi’anJiaotongUniversity光敏电阻基本特性Xi’anJiaotongUniversity光敏电阻基本特性Xi’anJiaotongUniversity光敏电阻基本特性Xi’anJiaotongUniversity光敏电阻基本特性05001000150020002500Xi’anJiaotongUniversity光敏电阻基本特性Xi’anJiaotongUniversity响应快、结构简单、可靠性高、抗电磁干扰强，可实现非接触测量。一般由光源、光学元件、光电变换器三部分构成。1）由被测量控制光电变换器处于“通”或“断”两种状态，如光电式转速表、光电继电器、光电计数器、光电开关、目标探测等。2）光电变换器输出光电流是输入光通量的函数，如光电位移计、测振计、照度计、光电探测器等。按其输出量的性质可分为脉冲式光电传感器和模拟式光电传感器。四、光电传感器的特点和应用Xi’anJiaotongUniversity脉冲光电传感器：将被测量转换为断续变化的光电流，光电元件的输出仅有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。这类传感器要求光电元件灵敏度高,而对光电特性的线性要求不高。主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。光电传感器的特点和应用Xi’anJiaotongUniversity光电传感器的特点和应用Xi’anJiaotongUniversity光电传感器的特点和应用Xi’anJiaotongUniversity光电传感器的特点和应用Xi’anJiaotongUniversity模拟式光电传感器：将被测量转换为连续变化的光电流。根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。光电传感器的特点和应用Xi’anJiaotongUniversity光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。光电传感器的特点和应用Xi’anJiaotongUniversity思考题：1，半导体外光电效应与光强和频率的关系是什么？2，试设计一个利用光电开关测量转速的测量系统。