光电式传感器

4.10.1光电效应及其器件4.10.2光电元件的特性4.10.3光电信号的检测方法4.10.4光电式传感器的应用举例光电式传感器是基于光电效应的传感器，在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。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。光照射在某些物质上，物质的电子吸收光子的能量而释放电子的现象称为光电效应。释放的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。4.10.1.1外光电效应外光电效应：当光线照射在某些光电材料上，使物体内的电子克服正离子的束缚而逸出物体表面的现象称为外光电效应，也称为光电发射，逸出的电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有：光电管和光电倍增管。光电管光电倍增管光子能量：若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。因此要使一个电子逸出，则光子能量必须超出逸出功A，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能，因此有：爱因斯坦光电方程：式中：h为普朗克常数，；为光子的频率（单位：s-1）;m为电子质量；v为逸出电子的初速度；A为电子的逸出功（或物体表面束缚能）。hEAmvh221s10626.634-Jh基本规律：↘由式可知：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A。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，称为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光，光强再大也不会逸出光电子，说明。↘在能产生外光电效应的前提下，单位时间内逸出的电子数量与光强成正比，即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（表面加铯或氧化铯等的光电材料），如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电子产生形成光电流。4.10.1.2内光电效应当光照射在物体上，绝大多数高阻率的半导体由于吸收了光子的能量，使物体的电阻率发生变化而导电的现象称为内光电效应。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。↘光电导效应在光线作用下，材料内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的现象称为光电导效应。基于光电导效应的光电器件有。入射光能导出光电导效应的临界波长0为：式中，h为普朗克常数；c为光速；Eg为半导体材料能级宽度。gEhc/0电子能级的价带、导带和禁带由上图可见,能量高的区域称为导带,能量低的区域为价带,处于它们中间的是禁带,它表示电子在其中不能存在的状态。当半导体接收的外加光能量大于半导体禁带时,会使半导体原子中价带的电子跃迁到导带,价带因失去电子以后而出现空穴,所以由光的入射就会产生电子、空穴对,当外部加上电压时,会使这些电子、空穴对移动,从而产生电流。↘光生伏特效应当光线照射在具有PN结的半导体材料上，在PN结两边产生电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电器件有光电池、光敏二极管和光敏晶体管。↘势垒效应（结光电效应）在PN结半导体光电元件中，当光线照射其接触区域(P区)时，若光子能量大于其禁带宽度Eg，使价带电子跃迁到导带，产生电子—空穴对，由于阻挡区内电场的作用，形成光电动势的现象称为势垒效应。↘侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，由于载流子（光照产生的电子—空穴对）浓度梯度的存在将会产生侧向光电效应。光照强的部分带正电，光照弱的部分带负电。4.10.1.3光电管↘光电管的结构和工作原理结构：真空（或充气）玻璃泡内装两个电极：光电阴极K和阳极A，阳极加正电位。如图4.10.1.3所示。原理：当光电阴极K受到适当波长的光线照射时发射光电子，电子从阴极表面逸出，被光电阳极吸引，光电子在光电管内形成电子流，在外电路中便产生光电流I，在负载电阻上的压降为输出电压。图4.10.1.3光电管的结构和工作原理LR0U4.10.1.4光电倍增管↘光电倍增管的结构和工作原理结构：由光电阴极、若干倍增极和阳极组成，如图4.10.1.4所示。原理：光电倍增管工作时(要求直流供电)，各倍增极（D1、D2、D3…）和阳极均加上电压，并依次升高，阴极K电位最低，阳极A电位最高。入射光照射在阴极上，打出光电子，经倍增极加速后，在各倍增极上打出更多的“次级电子”。对倍增极n=10，光电倍增管放大倍数K可达106左右，光电倍增管的放大倍数很高，因而不能受强光照射，否则容易造成倍增管永久损坏。图4.10.1.4光电倍增管(a)结构图；(b)原理图；(c)供电电路4.10.1.5光电池光电池是利用光生伏特效应将光能直接转变成电能的器件，它广泛用于将太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。光电池的种类很多，应用最广的是硅光电池和硒光电池等。↘光电池的结构光电池的结构如图4.10.1.5所示，它实质上是一个大面积的PN结。当光照射到半导体P区上时，便在PN结两端产生电动势（P区为正，N区为负）形成电源,如果外接负载，则光电池就会源源不断给负载供电。图4.10.1.5光电池（a）结构图；（b）工作原理示意图↘工作原理P型半导体与N型半导体结合在一起时，由于载流子的扩散作用，在其交界处形成一过渡区，即PN结，并在PN结形成一内建电场，电场方向由N区指向P区，阻止载流子的继续扩散。当光照射到PN结上时，在其附近激发电子-空穴对，在PN结内电场作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区，结果在N区聚集了电子，带负电；P区聚集了空穴，带正电。这样N区和P区间出现了电位差，若用导线连接PN结两端，则电路中便有电流流过，电流方向由P区经外电路至N区；若将电路断开，便可测出光生电动势。4.10.1.5光敏电阻↘光敏电阻的结构和工作原理光敏电阻由梳状电极和均质半导体材料制成，基于内光电效应，其电阻值随光照而变化。图4.10.1.5示出其结构、原理。图4.10.1.5CDS光敏电阻结构和工作原理1-玻璃；2-光电导层；3-电极；4-绝缘衬底；5-金属壳；6-黑色绝缘玻璃；7-引线光敏电阻是纯电阻器件，具有很高的光电灵敏度，常作为光电控制用。↘光敏电阻的主要特性参数:暗电阻：光敏电阻在室条件下，无光照时具有的电阻值，称为暗电阻（1MΩ）。此时流过的电流称为暗电流。亮电阻：光敏电阻在一定光照下所具有的电阻称其为在该光照下的亮电阻（1kΩ）。此时流过的电流称为亮电流。光电流=亮电流暗电流。4.10.1.6光敏二极管↘光敏管的结构和工作原理光敏二极管的基本结构就是具有光敏特性的PN结，结构和工作原理与光电池相似。如图4.10.1.6(a)所示。光敏二极管在电路中处于反向工作状态，4.10.1.6(b)所示。图4.10.1.6光敏二极管结构模型和基本工作电路（a）结构简化模型；（b）基本工作电路↘光敏二极管的特性无光照时，反向电阻很大，电路中仅有反向饱和漏电流，一般为10-8～10-9A，称为暗电流，相当于光敏二极管截止；当有光照射在PN结上时，由于内光电效应，产生光生电子——空穴对，使少数载流子浓度大大增加，因此，通过PN结的反向电流也随之增加，形成光电流，相当于光敏二极管导通；入射光照度变化，光电流也变化。可见，光敏二极管具有光电转换功能，故又称为光电二极管。4.10.1.6光敏晶体管↘光敏管的结构和工作原理如右图所示为NPN型光敏晶体管的结构简图和基本电路。当光照射在集电结上时，就会在集电结附近产生电子-空穴对，电子和空穴分别在集电结势垒电场的作用下分别向N区和P区移动，形成光电流，此时P区的空穴积累较多，提高了基—射结的偏置，在外加电场的作用下，形成集电极电流，其中，为光敏晶体管的电流放大倍数，所以光敏晶体管的灵敏度比二极管的高。NPN型光敏晶体管结构简图和基本bIcIbcII4.10.1.7光控晶闸管↘光敏光控晶闸管的结构光控晶闸管是利用光信号控制电路通断的开关元件，有PNPN四层结构，有三个PN结J1、J2、J3，如下图（a）所示。↘光敏光控晶闸管的工作原理：光敏光控晶闸管工作原理如上图（b）所示。光敏区为J2结。若入射光照射在光敏区，产生的光电流通过J2结，当光电流大于某一阈值时，晶闸管便由断开状态迅速变为导通状态。完全导通时有：光控晶体闸流管一旦导通，即使撤去光源，它仍能维持导通状态，除非反向或小于光控晶体闸流管的阀值电压时，光控晶体闸流管才会截止。LAII21ACU4.10.1.8光电耦合器光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。↘光电耦合器的结构和工作原理光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。耦合器工作原理如下图所示：图：光电耦合器工作原理a.输出与输入反相b.输出与输入同相↘光电耦合器的结构和工作原理图a中R为限流电阻，目的是为了保护光耦合器，不至过大而将其永久性损坏。发光二级管VD的最小电流应满足：，导通压降,因材料部同而不同，其中：输出与输入反相：当U=0时，VD不发光，光敏晶体管V截止，IC=0，U0=UAC。当U=1时（高电平），VD发光，V饱和导通，U0=0。输出与输入同相：当U=0时（低电平），VD不发光，V截止，U0=0；反之U=1时，U0=1。FImAIF10minVUD2.46.1～FDIUUR了解光电元件的特性十分重要，主要包括：①光照特性：指光电元件外加电压一定时，光电流I与入射光的照度之间的关系。②光谱特性：指光电元件外加电压一定时，其输出电流与入射单色光的波长之间的关系，即I=F(λ)。③伏安特性：指在给定光通量或照度下，光电流与外加电压之间的关系，即I=F(U)。④频率特性：指外加电压和入射光强一定时，光电流与入射光的调制频率之间的关系，即I=φ（f)。⑤温度特性：光电元件是半导体器件，其特性受温度的影响较严重(多数截流子受热激发)，故平时使用中应采取温度补偿或恒温措施，以保证足够的测量精度。1.透射式恒光源发出的光通量为Φ。，经被测物质后衰减为Φ，见图a，其关系为，式中，μ为被测对象的吸收系数；d为被测对象的厚度。光电元件将光通量Φ转换成光电流，可用于检测流体和固体透明度、浑浊度、厚度及吸收系数等。2.反射式恒光源的光通量为Φ。经被测对象后损失了部分光通量，到达光电元件的光通量为Φ，见图b，可用测量物体表面的粗糙度、反射率及转速等。de0光源被测对象光敏元件abcd3.辐射式见图c，被测对象辐射的光通量为Φ。投射到光电原件上，转换成光电流。可用于测量温度及与温度有关的参数，如光电高温计和光电比色高温计等是根据该原理测量的。4.遮挡式见图d，恒光源的光通量Φ。被被测对象遮挡一部分，到达光电元件的光通量为Φ。可用于测量物体的几何尺寸、振动、位移和膨胀系数等。5.开关式原理与遮挡式相同。如计算机的光电输入、产品计算、转速和开关量等均用于此法。光电式传感器=光源+光学元件+光电元件设计应用中，要特别注意光电元件与光源的光谱特性匹配。↘光电式转速计光电转速计主要有反射式和直射式两种基本类型，如下图所示。直射式（a）↘光电式转速计利用光电断续器测量转速和圈数1-光电断续器；2-不锈钢薄圆片；3-透光缝；4-旋转物转轴