第2章光电传感技术

第2章光电式传感器1第2章光电式传感技术章瑞平第2章光电式传感器2第2章光电式传感技术2.1光电传感器的工作原理2.2光敏二极管2.3光敏三极管2.4光敏电阻2.5光电池2.6高速光电二极管2.7光电倍增管2.8色敏光电传感器2.9光位置传感器2.10红外光传感器2.11光固态CCD图像传感器2.12光纤传感器2.13激光传感器2.14核辐射（光）传感器2.15典型应用举例第2章光电式传感器3本章目的和要求掌握各种光电式传感器：结构工作原理基本特性使用注意事项及应用第2章光电式传感器4概述光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。光电式传感技术特点：用于检测非电量，具有结构简单、非接触、可靠性高、精度高和反应快等特点。广泛用于空间位置测定、图像控制、辐射检测、工业监测、病情初期诊断等检测技术领域。2.1光电传感器的工作原理光电传感器的工作原理：光电效应。光电效应：当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势等），这种现象称为光电效应。光电计数器第2章光电式传感器5光电效应有以下3类：外光电效应、光电导效应、光生伏特效应（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。光电元件：光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量由下式确定。)ss)(J106.626h-134-光的频率（－为普朗克常数式中：hEch第2章光电式传感器6光电效应方程：02021Amvhv式中：m——电子质量；v0——电子逸出速度。A0——物体的表面电子逸出功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hν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。第2章光电式传感器7第2章光电式传感器7光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。第2章光电式传感器8内光电效应包括：光电导效应和光生伏特效应（2）光电导效应：在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象。光电元件：光敏电阻等。（3）光生伏特效应：在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。光电元件：光电池、光敏二极管、光敏三极管等。第2章光电式传感器9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，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。导带价带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Eg内光电效应光电池电子能级示意图第2章光电式传感器10材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。Eg24.1hch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，即第2章光电式传感器11光谱光波：波长为10—106nm的电磁波紫外线：波长10—380nm，可见光：波长380—780nm红外线：波长780—106nm第2章光电式传感器122.2光敏二极管光敏二极管在电路中一般是处于反向偏置状态。光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。光敏二极管与普通半导体二极管的不同之处：光敏二极管的PN结装在管壳的顶部，可以直接受到光的照射。2.2.1光敏二极管的结构和工作原理第2章光电式传感器13没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态,这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。当光照射在PN结上时,光子打在PN结附近,PN结附近产生电子-空穴对，它们在反向外加电压和内电场的作用下参与导电,从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。光的照度越大,光电流越大。第2章光电式传感器142.2.2光敏二极管的基本特性1）光谱特性在入射光照度一定时，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感。硅管：（峰值波长1.1μm）探测可见光和炽热物体。锗管：（峰值波长1.8μm）探测红外光。第2章光电式传感器152）伏安特性（一定照度下的电流电压特性）•当光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大；•在不同照度下，伏安特性曲线几乎平行，所以只要没有达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。•无偏压时，光敏二极管仍有光电流输出，这是由光敏二极管的光电效应性质所决定的。光的颜色会随着温度的升高而变化，这种光源的温度就叫该光源的色温（单位：开尔文）。Lx------照度单位：勒克斯第2章光电式传感器163）光照特性光敏二极管光照特性的线性好。第2章光电式传感器174）温度特性温度变化对光敏二极管输出光电流影响较小,但对暗电流的影响却十分显著.解决措施：选硅管、温度补偿电路、交流放大和隔直电容低照度高照度第2章光电式传感器185）响应特性上升时间短tr5ns，响应速度快，则适用于快速响应或入射光调制频率较高的场合。第2章光电式传感器192.2.3光敏二极管的型号参数见书P14表2.1和表2.2第2章光电式传感器20①最高反向工作电压VRM:是指光敏二极管在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1μA时所能承受的最高反向电压值。VRM越大，管子性能越稳定。②暗电流ID:是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。③光电流IL:是指光敏二极管在受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流。其测量的一般条件是:2856K钨丝光源，照度为1000lx。④光电灵敏度Sn:它是反映光敏二极管对光敏感程度的一个参数，用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示，单位为μA/μW。即指输入给定波长的单位功率时，光敏二极管能输出的光电流值。⑤响应时间:光敏二极管将光信号转化为电信号所需要的时间。响应时间越短，说明光敏二极管的工作频率越高。⑥正向压降VF:是指光敏二极管中通过一定的正向电流时，它两端产生的压降。⑦结电容Cj:指光敏二极管PN结的电容。Cj是影响光电响应速度的主要因索。结面积越小，结电容Cj也就越小，则工作频率越高。光敏二极管主要参数第2章光电式传感器21部分2CU型光敏二极管主要参数第2章光电式传感器22部分2CU型光敏二极管主要参数用于可见光和近红外光的接收，也可用于自动控制仪器和电气设备的光电转换系统。第2章光电式传感器23部分2CU79、2CU80光敏二极管主要参数2CU80型为低照度宽光谱光敏二极管，可用于多段亮度计和地物光谱仪及微弱光的探测仪。第2章光电式传感器24部分2DU型光敏二极管主要参数主要用于可见光和近红外光探测器，也可用于光电转换的自动控制仪器、触发器、光电耦合、编码器、特性识别、过程控制和激光接收等方面。第2章光电式传感器252.2.4光敏二极管的应用1）光电路灯控制电路分析：1.无光照时：2.有光照时：IlVA第2章光电式传感器262）光强测量电路IlVA分析：1.无光照时：2.有光照时：电桥第2章光电式传感器273）便携式照度计电路光电传感器输出电压：V0=ΦSlRLSl=5μΑ/lxRL=200Ω当Φ=0lx则V0=ΦSlRL=0mV当Φ=1lx则V0=ΦSlRL=1mV当Φ=5000lx则V0=ΦSlRL=5V将光敏二极管与放大器Rf集成在一起，输出为线性，灵敏度为5μΑ/lx。第2章光电式传感器282.3光敏三极管光敏三极管比具有相同有效面积的光敏二极管的光电流大几十至几百倍，但响应速度较二极管差。2.3.1光敏三极管的结构和工作原理基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时,在结附近产生电子-空穴对,电子在结电场的作用下，由P区向N区运动，形成基极电流，空穴在基区积累，提高发射结正向偏置，发射区多子电子穿过基区向集电区移动，在外电场作用下形成集电极电流Ic，结果表现为基极电流放大β倍形成集电极电流（光电流）,所以光电三极管有放大作用。第2章光电式传感器292.3.2光敏三极管的基本特性2）伏安特性a）无偏压时有光电流b）比光敏二极管的光电流大β倍c）可把光敏三极管看成普通三极管（把入射光的光照变化看成基极电流的变化）1）光谱特性光谱特性与二极管相同光敏二极管第2章光电式传感器303）光照特性其线性没二极管好、低照度小、高照度饱和4）温度特性温度特性与光敏二极管相同5）响应特性上升时间tr=3μs比二极管的响应速度（ns）慢得多光敏二极管第2章光电式传感器312.3.3光敏三极管的型号参数见书P18表2.3，表2.3续（一），表2.3续（二），表2.4第2章光电式传感器32型号允许功耗mW最高工作电压UCEM/V暗电流ID/μA光电流mA峰值响应波长μm测试条件ICE=IDUCE=UCEM1000IXUCE=10V3DU1170≥10≤0.30.5~10.883DU1250≥303DU13100≥503DU14100≥100≤0.20.5~13DU2130≥10≤0.31~23DU2250≥303DU23100≥503DU3170≥10≤0.3≥23DU3250≥303DU33100≥503DU5130≥10≤0.2≥0.5部分国产光敏三极管参数：3DU系列硅光敏三极管适用于近红外光探测器、光耦合、编码器、译码器、过程控制等方面。第2章光电式传感器332.3.4.光敏三极管的应用1.脉冲编码器电源24v输出电压发光二极管光敏三极管转轴转速为n，辐条数为N限流电阻输出电信号：频率f=nN的脉冲第2章光电式传感器342.光电转速传感器第2章光电式传感器35有光照BG1时，使U0为高电位，无光照BG1时，使U0为低电位。BG3和BG4组成射极耦合触发器高T1导通，T2截止高，低T1截止，T2导通低第2章光电式传感器36光电式烟尘浓度计：光敏三极管6和7输出电压U1和U2由远算器8算出U1和U2的比值，进一步算出浓度。第2章光电式传感器372.4光敏电阻2.4.1光敏电阻的工作原理与结构1.光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理：光电导效应光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。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。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。金属电极半导体玻璃底板电源检流计RLEI(a)(b)(c)Ra第2章光电式传感器38光敏电阻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）第2章光电式传感器392光敏电阻的结构它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质（称为光导层，用金属的硫化物、硒化物和锑化物等半导体材料）,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。防潮措施：密封结构、防潮树脂涂层第2章光电式传感器40第2章光电式传感器412.4.2光敏电阻的主要参数和基本特性1主要参数１）暗电阻与亮电阻暗电阻：光敏电阻在不受光照射时