光电式传感器原理和应用

第8章光电式传感器8.1光电器件18.2光纤传感器8.3红外传感器32概述光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。◆由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。8.1光电器件光电器件是构成光电式传感器最主要的部件。光电式传感器的工作原理如图8-1所示：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。图中x1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。图8-1光电式传感器的工作原理8.1光电器件8.1.1光电效应◆光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。1．外光电效应◆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，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。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：Ehv式中：h——普朗克常数，6.626×10（J∙s）；υ——光的频率（s）。3418.1光电器件◆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hυ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（8-2）式中：m－电子质量；v0－电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。20012hvmvA8.1光电器件◆由式（8-2）可知：光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同物体具有不同的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值，成为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射。◆当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。◆光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。8.1光电器件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。●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。8.1光电器件◆当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，如图8-2所示：导带价带电子能量EEg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图8-2电子能级示意图从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即：1.24ghchvE8.1光电器件●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。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。①势垒效应（结光电效应）接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。②侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。8.1光电器件8.1.2光电管1．结构与工作原理◆光电管是外光电效应的器件，有真空光电管和充气光电管两类。◆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，其感光面对准光图8-3光电管的结构的照射孔。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。8.1光电器件2．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。◆真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如同8-4（a）和（b）所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。图8-4光电管的伏安特性8.1光电器件（2）光电管的光照特性：通常指当光电管的阳极和阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间的关系为光电管的光照特性。◆光电管阴极材料不同，其光照特性也不同。◆光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比称为光电管的灵敏度。8.1光电器件（3）光电管光谱特性◆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v0，因此它们可用于不同的光谱范围。◆即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v0，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。8.1光电器件8.1.3光电倍增管1．结构与原理◆光电倍增管也是基于外光电效应的器件。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8-5所示。图8-5光电倍增管的外型和工作原理8.1光电器件2．主要参数（1）倍增系数M◆倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射电子δi的乘积。如果n个倍增电极的δi都一样，则M=δi，因此，阳极电流I为：◆M与所加电压有关，一般在10~10之间。如果电压有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。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。niIin588.1光电器件（2）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叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做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8-6所示。极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。图8-6光电倍增管的特性曲线8.1光电器件（3）光谱特性◆光电倍增管的光谱特性与相同材料光电管的光谱特性很相似。（4）暗电流及本底电流◆当管子不受光照，但极间加入电压时在阳极上会收集到电子，这时的电流称为暗电流，。◆如果光电倍增管与闪烁体放在一起，在完全避光情况下，出现的电流称本底电流，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，因此也成为本底脉冲。8.1光电器件8.1.4光敏电阻1．光敏电阻的结构与工作原理◆光敏电阻又称光导管，是内光电效应器件，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻器以硫化隔制成，所以简称为CDS。◆光敏电阻没有极性，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。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。8.1光电器件◆当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。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。◆图8-7为光敏电阻的原理结构。图8-7光敏电阻结构8.1光电器件2．光敏电阻的主要参数（1）暗电阻◆光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。（2）亮电阻◆光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，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。8.1光电器件3．光敏电阻的基本特性（1）伏安特性◆在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图8-8为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关，而与电压、电流无关。图8-8硫化镉光敏电阻的伏安特性8.1光电器件（2）光谱特性◆光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。图8-9为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的。图8-9光敏电阻的光谱特性8.1光电器件（3）光照特性◆光敏电阻的光照特性是光敏电阻的光电流与光强之间的关系，如图8-10所示。◆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。图8-10光敏电阻的光照特性8.1光电器件（4）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。◆温度变化影响光敏电阻的光谱响应，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图8-11为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。图8-11硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线8.1光电器件（5）光敏电阻的响应时间和频率特性◆实验证明，光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，通常用时间常数t来描述，这叫做光电导的弛豫现象。所谓时间常数即为光敏电阻自停止光照起到电流下降到原来的63%所需的时间，因此，t越小，响应越迅速，但大多数光敏电阻的时间常数都较大，这是它的缺点之一。图8-12所示为硫化镉和硫化铅的光敏电阻的频率特性。图8-12光敏电阻的频率特性8.1光电器件4．光敏电阻基本应用电路◆在图8-13所示的电路中，我们利用光敏电阻将光线的强弱变为电阻值的变化，以达到光控制电路的目的。图8-13CDS实验电路8.1光电器件8.1.5光敏二极管和光敏晶体管1．结构原理◆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，图8-14光敏二极管的结构原理其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图8–14（a））。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图8-14（b）所示），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流。8.1光电器件◆图8-15为NPN型光敏晶体管的结构简图和基本电路。大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于图8-15NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压；当光照射在集电结上时，就会在结附近产生电子-空穴对，从而形成光电流，相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增加，因此集电极电流是光生电流的β8.1光电器件2．基本特性（1）光谱特性◆光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图8-16所示。从曲线可以看出，硅的峰值波长约为0.9μm，锗的峰值波长约为1.5μm，此图8-16光敏晶体（二极）管的光谱特性时灵敏度最大，而当入射光的波长增加或缩短时，相对灵敏度也下降。一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测时，锗管较为适宜。8.1光电器件（2）伏安特性◆图8-17为硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲线。从图中可见，光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。图8-17硅光敏管的伏安特性8.1光电器件（3）温度特性◆光敏晶体管的温度特性是指其暗电流及光电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特图8-18光敏晶体管的温度特性性曲线如图8-18所示。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大，所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。8.1光电器件8.1.6光电池◆光电池是在光线照射下，直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。图8-19为光电池的工作原理图。图8-19光电池工作原理8.1光电器件1．基本特性（1）光谱特性◆光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。图8-20为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知，不同材料的光电池，光图8-20光电池的光谱特性谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.4~1.2μm，而硒光电池的范围只能为0.38~0.75μm。可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。8.1光电器件（2）光照特性◆光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。图8-21为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。图8-21硅光电池的光