现代传感新技术及应用(光电传感器)

第2章光电式传感器及其应用现代传感新技术及应用2.1.1外光电效应2.1.2内光电效应2.1.3热释电效应2.1.4外光电效应器件2.1.5内光电效应器件2.1.6光电传感器应用2.1.7热释电传感器应用2.2新型光电器件2.1光电效应和光电器件2.3光电传感器综合应用系统本章主要内容光电管光电倍增管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管2.2.1CCD图像传感器2.2.2光栅传感器2.2.3激光传感器2.3.1激光车速测量2.3.2激光多普勒流速测量2.3.3远距离光学宽度计2.3.4光电式数字转速表工作原理2.3.5光学层析成像2.3.6光学相关测速光电式传感器是先把被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件将光信号的变化转换为电量变化的装置。光电传感器用于检测直接引起光量变化的非电量如光强、光照度和气体成分等，也可用于检测能间接转换成光量变化的其他非电量，如几何尺寸、位移、振动、速度等。光电式传感器的主要特点实现非接触测量，精度高、响应快、性能可靠广泛应用于军事、通讯、检测和工业自动化控制等领域。第2章光电式传感器及其应用光电传感器:将光信号（红外、可见光及紫外光）转变成为电信号的器件。被被测测量量的的变变化化光信号光信号的变化的变化电信号电信号的变化的变化对于不同波长的光有不同的光学传感器远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/μm光电式传感器2x辐射源光学通路光电元件1x1φ2φI光电式传感器方框图光电式传感器方框图光电元件mμmμ光电式传感器2.1光电效应和光电器件19051905年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传播时，不仅是连续的（波动性），也具有粒子性，即播时，不仅是连续的（波动性），也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些，爱因斯坦把这些不连续的量子称为不连续的量子称为““光量子光量子””。。19261926年，美国物理学年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为家刘易斯把这一名词改称为““光子光子””，并沿用至今。，并沿用至今。光电效应：2.1光电效应和光电器件内光电效应（内光电器件）外光电效应（外光电器件）2.1.1外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。向外发射的电子叫光电子。按照能量守恒与转换定律有：爱因斯坦光电效应方程其中：h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s)　υ—光的频率（s-1）。(1)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选出功；红限频率υ0------每种物体都有相对应的光频阈值，称为红限频率，用υ0表示，若入射光的频率小于红限频率，光子的能量不足以使物体内的电子逸出。小于红限频率的入射光，光再强也不会产生光电效应。由该式可知：由该式可知：(2)当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强度成正比；(3)光电子逸出物体表面时的初动能决定于光的频率。其中m—电子质量；v0—电子逸出速度；A0—逸出功02021Amvhv+=2.1光电效应和光电器件逸出条件：基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管、光电摄像管等。2.1.2内光电效应内光电效应---（光电导效应和光生伏特效应）光子电子过程：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，如图所示，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。原理：光→半导体材料→电子吸收能量（）→跃迁→电子-空穴对→电导率增大。gEvh内光电效应---按其工作原理可分为，光电导效应和光生伏特效应(2）在光照射下，能够使物体产生一定方向的电动势的现象称谓光生伏特效应。（1）在光照射下，材料电阻率变化的现象称为光电导效应；2.1.2内光电效应＋＋＋－－－PN＋－光＋－光生电子—空穴对光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。原理：光→PN结→电子→N,空穴→P→电动势热释电效应（红外检测）：当一些晶体温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在晶体两表面产生电荷的现象。包含光-热、热-电两个阶段的变换过程。热释电材料:热释电晶体(铌酸锂、钽酸锂)、热释电陶瓷(钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PZT）)和热释电塑料(聚偏二氟乙烯（PVDF）)等。应用：红外探测器、温度传感器、热成像器件等。2.1.3热释电效应2.1.4.1光电管（1）结构和工作原理2.1.4外光电效应器件光电管可分为两大类：真空光电管和充气光电管。它们的结构类似，都是装有光阴极和阳极的真空玻璃管，如图所示。结构：在真空玻璃管内装有光电阴极(逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃管内壁)和阳极，感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料，便有电子逸出，并被正电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。原理：基于外光电效应；光→阴极→光电子→阳极→空间电子流→外接电阻→压降U=f(I)（实现光电转换）特点：简单，灵敏度低2.1.4外光电效应器件在光线作用下，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。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。　光电管光电倍增管b)充气光电管在玻璃钢管内充入少量的惰性气体(如氩、氟等)即构成充气光电管。当充气光电管的阴极被光照射后，产生的光电子在飞向阳极的途中，对惰性气体进行轰击，使其电离，从而产生更多的自由电子，形成数倍于真空光电管的光电流，提高了光电变换的灵敏度。2.1.4.1光电管（1）结构和工作原理2.1.4外光电效应器件a)真空光电管光电管的阴极受到从光窗透进的光照射后，向真空发射光电子，这些光电子向阳极作加速运动，形成空间电子流，光电流的数值取决于阴极的灵敏度与光强，当停止光照，外电路将无电流输。2.1.4.1光电管2.1.4外光电效应器件a）光电管的伏安特性曲线当入射光的频率和光通量确定时，阳极电压与电流之间的关系称为光电管的伏安特性。阳极电压较低：阴极发射的电子部分到达阳极，其余受光电子在真空中运动时所形成的负电场作用，回到阴极。阳极电压增高：光电流随之增大。当阴极发射的电子能全部到达阳极时，阳极电流便很稳定，称为饱和状态。150150100100505022002020μμlmlm4040μμlmlm6060μμlmlm8080μμlmlm100100μμlmlm120120μμlmlm44668810101212阳极电压阳极电压/V/VIIAA//μμAA真空光电管真空光电管光通量充气光电管充气光电管:构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体，其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差。（2）特性b）光电管的光照特性光照特性光照特性光照特性：当光电管阳极与阴极间所加电压和入射光频谱一定时，阳极电流I与入射光在阴极上的光通量之间的关系。11--氧铯阴极氧铯阴极22--锑铯阴极锑铯阴极光照特性曲线的斜率光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。称为光电管的灵敏度。2.1.4外光电效应器件2.1.4.1光电管（2）特性2.1.4外光电效应器件c）光电管的光谱特性同一光电管对于不同频率的光，具有不同的灵敏度。例：对GD-4型光电管，阴极采用锑铯材料，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。2.1.4.1光电管（2）特性2.1.4外光电效应器件c）光电管的光谱特性2.1.4.1光电管（2）特性可以看出，不同阴极材料制成的光电管有不同的灵敏度较高区域，应用时应根据所测光谱的波长选用相应的光电管。例如被测光的成分是红光，选用银氧铯阴极光电管就可以得到较高的灵敏度。光电管的光谱特性是指光电管在工作电压不变的条件下，入射光的波长与其绝对灵敏度（即量子效率）的关系。光电管的光谱特性主要取决于阴极材料，常用的阴极材料有银氧铯光电阴极、锑铯光电阴极、铋银氧铯光电阴极及多硷光电阴极等，前两种阴极使用比较广泛，图3和图4分别给出了它们的光谱特性曲线。2.1.4外光电效应器件d）光电管的频率响应光电管在从光子射入阴极到在阳极上获得光电子的时间间隔仅有几纳秒，但由于电极间的分布电容和负载电阻构成RC回路关系，使光电管工作响应时间延长至10-4量级，在使用时，可以通过降低负载电阻和减少分布电容方法，提高频率响应。2.1.4.1光电管（2）特性在玻璃管内除有光电阴极和光电阳极外，还有若干个光电倍增极。光电倍增极的形状及位置设置得正好使前一极的倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极。2.1.4外光电效应器件2.1.4.2光电倍增管原理：利用二次电子释放效应,将光电流在管内部进行放大。二次电子释放效应：高速电子撞击固体表面,再发射出二次电子的现象。光电管缺点：灵敏度较低改进：光电倍增管入射光E1E3E2E4KA光电阴极倍增极阳极设第一倍增极有δ个二次电子发出，经过n次加速和轰击加速后，产生的电子数为δnδ称为二次电子发射比（1）结构和工作原理2.1.4外光电效应器件聚焦光栅光电层光云母屏蔽板阳极玻璃真空管阴极倍增极阳极阴极倍增极阳极阳极聚焦电极倍增极导电层端窗聚焦环光阴极入射光(a)(b)(c)(d)几种常见光电倍增管的结构2.1.4.2光电倍增管（1）结构和工作原理2.1.4外光电效应器件几种光电倍增管的外形2.1.4.2光电倍增管（1）结构和工作原理2.1.4.2光电倍增管（2）特性2.1.4外光电效应器件a）光电特性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关系。在入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系,当光通量再增大时，呈现非线性特性。2.1.4.2光电倍增管2.1.4外光电效应器件（2）特性b）放大倍数(电流增益)在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极电流的比称为光电倍增管的放大倍数(或电流增益)。c）光谱灵敏度和积分灵敏度光电阴极对于一定波长辐射光的灵敏度称为光谱灵敏波，而对复合光(或称白光)的灵敏度称为积分灵敏度。积分灵敏度可用光照灵敏度来表示，即以光电流与光源入射于阴极的光通量之比来定义。nIiβδ==2.1.5.1光敏电阻光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电器件。其结构如图所示(硫化镉、硒化铅、碲化铝等)2.1.5内光电效应器件（1）结构和工作原理玻璃光电导层电极绝缘衬底金属壳黑色绝缘玻璃引线光敏电阻的电极构造与封装电极光导体2.1.5内光电效应器件2.1.5内光电效应器件光敏电阻工作过程RGRLEI原理：基于光电导效应无光照：光敏电阻阻值很大;有光照：光子能量大于材料禁带宽度,价带中的电子吸收光子能量后激发出电子-空穴对,使电阻降低;光线愈强,激发出的电子-空穴对越多,电阻值越低;光照停止：自由电子与空穴复合,导电性能下降,电阻恢复原值。2.1.5.1光敏电阻2.1.5内光电效应器件（2）特性光敏电阻对光敏感,当改变光照强度时,电阻的大小也随着改变。一般会随着光照强度的增大而电阻值减小。a）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。　b）亮电阻光敏电阻在光照射时的电阻称亮电阻,此时流过的电流称亮电流。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。c）光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。暗电流越小，光电流越大，光敏电阻的灵敏度越高。暗电阻一般超过1MΩ,甚至高达100MΩ，亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，灵敏度很高。2.1.5.1光敏电阻2.1.5内光电效应器件（2）特性d)光照特性光敏电阻的光电流与光强之间的关系,称为光敏电阻的光照特性。不同类型的光敏电阻,光照特性不同。光敏电阻的光照特性0.050.1