92光电传感器

光电传感器目的要求：通过学习要求掌握光电传感器的基本原理，学会选用方法和技巧，能用其组成测量系统。光电传感器以光电效应为基础，是一种将光信号转换为电信号的传感器。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制系统中应用非常广泛。1.概述根据爱因斯坦光子假设学说，光可以看作是一串具有一定能量的运动着的粒子流，而这些光粒子称为光子。每个光子所具有的能量等于普朗克常数h乘以频率γ。由于光子的能量与其频率成正比，故光的频率越高，其光子能量也越大。当光线照射到某一物体上，可以看作是此物体受到一串能量为hγ的光子的不断轰击，物体由于吸收能量为hγ的光子后所产生的电效应即称为光电效应。光线照射到物体上所产生的光电效应通常可以分为外光电效应（也称光电发射）、光电导效应和光伏特效应三类。根据光电效应的不同可以制成不同的光电元件。2.光电效应及光电元件光电效应的分类：（1）在光线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（玻璃真空管光电器件）。（2）在光线作用下能使物体的导电能力发生变化的现象称为内光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等（半导体光电器件）。（3）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打效应，基于光生伏打效应的光电元件有光电池等（半导体光电器件）。当入射光照射在阴极上时，阴极受到光子轰击时，由于一个光子的能量只能传给一个电子，因此，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加hv。当自由电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射，这种电子称为光电子。光电子逸出金属表面后的初始动能为(1／2)mv2。根据能量守恒定律可知：Amvhv221该式称为爱因斯坦光电效应方程。2.1外光电效应结论：（1）当光子能量hv大于逸出功A时，才能发射出光电子，即才能产生光电效应；当光子能量hv小于逸出功A时，物体不能发射出光电子，也就不能产生光电效应；当光电子能量hv恰好等于逸出功A时，光电子获得的初速度v=0，此时光电子相应的单色光频率为v0，且有：hv0=A，v0为该物体产生光电效应的最低频率，称为红限频率。（2）光电子的初动能取决于入射光的频率v。因为对于某种物质而言，其电子的逸出功是一定的。入射光频率v越高，则电子吸收的能量hv越大，即电子的初动能越大。电子的初动能与频率成正比。（3）因为一个光子能量只能传给一个电子，所以电子吸收能量不需要积累能量的时间，在光一照到物体上，就立即有光电子发出，据测该时间不超过10-9s。根据外光电效应制成的光电元件类型很多，主要有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。（1）光电管光电管是利用外光电效应制成的光电元件，其外形和结构如图所示，半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内。光电管结构示意图和测量电路AKIΦU0RLE光电管光电管的结构示意图光阳极光电阴极光窗RL上的输出电压反映光强度的变化•阴极是在半圆形的金属片上涂上感光材料,不同的感光材料光谱特性不同。常用的感光材料有：银、钙、锑等。阳极是由环状的单根金属丝构成。阴极材料不同的光电管，具有不同的红限频率，因此适用于不同的光谱范围。此外，即使入射光的频率大于红限，并保持其强度不变，但阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特性，要求人们应当根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获得满意的灵敏度。紫外光电管当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。紫外线光电管有多种类型，最典型的是真空光电管。正常工作时，阳极电位高于阴极。在入射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光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，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。电流IФ和电阻只RL上的电压降U0就和光强成一定函数关系，从而实现光电转换。2.2.2光敏电阻光敏电阻是一种光电效应半导体器件，应用于光存在与否的感应（数字量）以及光强度的测量（模拟量）等领域。它的体电阻系数随照明强度的增强而减小，容许更多的光电流流过。这种阻性特征使得它具有很好的品质：通过调节供应电源就可以从探测器上获得信号流，且有着很宽的范围。光敏电阻是薄膜元件，它是在陶瓷底衬上覆一层光电半导体材料。金属接触点盖在光电半导体面下部。这种光电半导体材料薄膜元件有很高的电阻。所以在两个接触点之间，做的狭小、交叉，使得在适度的光线时产生较低的阻值。光敏电阻当光敏电阻受到光照时，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（越小越好）光敏电阻的主要参数及特点①几乎都是用半导体材料制成的光电器件。②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。③无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小；④当光敏电阻受到光照时，阻值减小。⑤光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。⑥一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级,亮电阻在几千欧以下。光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光电转换过程。光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态。μAEV-+IΦ结构示意图和图形符号基本电路光敏晶体管光敏二极管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结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。PN光光敏二极管符号RL光PN光敏二极管接线光敏二极管将光敏二极管的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。光敏二极管外形光敏二极管阵列包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。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。光敏三极管有两个PN结，可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。当光敏三极管的集电结反向偏置，发射结正向偏置时。无光照时仅有很小的穿透电流流过，当光线通过透明窗口照射集电结时，和光敏二极管的情况相似，将使流过集电结的反向电流增大，EU0ceIcRLNNP结构示意图基本电路这就造成基区中正电荷的空穴的积累，发射区中的多数载流子(电子)将大量注人基区，由于基区很薄，只有一小部分从发射区注入的电子与基区的空穴复合，而大部分电子将穿过基区流向与电源正极相接的集电极，形成集电极电流IC。这个过程与普通三极管的电流放大作用相似，它使集电极电流IC是原始光电流的(l+β)倍。这样集电极电流IC将随入射光照度的改变而更加明显地变化。PPNNNPebbcRLEec光敏三极管光敏三极管外形光敏三极管内部结构a)内部组成b)管芯结构c）结构简化图1—集电极引脚2—管芯3—外壳4—玻璃聚光镜5—发射极引脚6—N+衬底7—N型集电区8—SiO2保护圈9—集电结10—P型基区11—N型发射区12—发射结2.3.1光伏特效应光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。光电池的种类很多，有硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广泛的是硅光电池，因为它有一系列优点，例如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高，能耐高温辐射等。另外，由于硒光电池的光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。下面着重介绍硅光电池。2.3光伏特效应基于光生伏特效应的光电元件——光电池在N型衬底上制造一薄层P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，P型区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，空穴留在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。基于光生伏特效应的光电元件——光电池新型的硅光电池是在P型衬底上制造一薄层N型层作为光照敏感面，效率更高。N型区每吸收一个光子就产生一对光生电子-空穴对。空穴通过漂移运动被拉到P型区，带正电；电子留在N区，带负电。光电池外形光敏面能提供较大电流的大面积光电池外形光电池串联，能提高电压；并联，可以提高输出电流每一片光电池的最大输出电压约为0.6V，每平方米，晴天的输出电流约为10A。太阳能组件其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池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）住宅太阳能供电光电池在动力方面的应用（续）嫦娥一号上的光电池板2.3.2工作原理：硅光电池的工作原理基于光生伏特效应，它是在一块N型硅片上用扩散的方法掺人一些P型杂质而形成的一个大面积PN结。当光照射P区表面时，若光子能量大于硅的禁带宽度，则在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子.空穴对，P区表面吸收的光子最多，激发的电子空穴最多，越向内部越少。这种浓度差便形成从表面向体内扩散的自然趋势。由于PN结内电场的方向是由N区指向P区的，它使扩散到PN结附近的电子-空穴对分离，光生电子被推向N区，光生空穴被留在P区。从而使N区带负电，P区带正电，形成光生电动势。若用导线连接P区和N区，电路中就有光电流流过。