第4章光电式传感器资料

光电式传感器光电效应光电器件光电耦合器电耦合器光电式传感器的应用光电信号光电式传感器2x工作原理：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。辐射源光学通路光电元件1x12I光电式传感器方框图光电式传感器光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件,是构成光电式传感器的主要部件。光电器件工作的物理基础：光电效应。光电效应分为：内光电效应、外光电效应光电信号光电式传感器通过将光信号转换为电信号，这类传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测量、气体成分分析等；也可用于检测能转换成光量变化的其他非电量，如直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有结构简单、精度高、响应快、非接触、性能可靠等优点，在检测技术和工业自动化及智能控制等领域获得了广泛的应用。特别是新的光电器件层出不穷，为光电传感器及光电检测的进一步应用打下了坚实的基础。光电信号光电式传感器所谓光电效应，是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光可以被看作由一连串具有一定能量的粒子所组成。这些粒子即光子，每一个光子的能量与其频率成正比。当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应。光电效应可以分为外光电效应和内光电效应。一、光电效应光电式传感器(1)外光电效应1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的；1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释；1905年，爱因斯坦提出了光子假设。光电式传感器(1)外光电效应当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。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。光电式传感器(1)外光电效应图1外光电效应光电式传感器(1)外光电效应一、光电效应根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量ε大于该物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A，故对于某种特定的材料，有一个波长限λ0（又称“红限”）。波长限λ0可由下式确定：（微米）（1）式中，C为光速，h为普朗克常数,h=6.62610-34J∙s。AAhc239.10光电式传感器(1)外光电效应一、光电效应入射光的波长λ＞λ0时，无论入射光有多强，都不能激发电子；当λ＜λ0时，无论多微弱的光也能激发电子，光越强激发出的电子数量越多。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子几乎在瞬间发生，所需时间不超过10-9s。光电式传感器(2)内光电效应一、光电效应当光照射在物体上。使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势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。光电式传感器(2)内光电效应一、光电效应①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。图2光电导效应光电式传感器(2)内光电效应一、光电效应①光电导效应当光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子－空穴对，引起导带的电子和价带的空穴浓度增加，因而导致半导体的电阻率减小，导电性能增强。自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带禁带导带价带Eg电子能量Eh≧EggcEhc图3光电导效应原理光电式传感器(2)内光电效应一、光电效应①光电导效应光敏电阻是基于光电导效应的。图4光敏电阻光电式传感器(2)内光电效应一、光电效应②光生伏特效应在光作用下能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二极管、三极管。A势垒效应（结光电效应）光照射PN结时，若h≧Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。PN图5结光电效应光电式传感器(2)内光电效应一、光电效应②光生伏特效应B.侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。光电式传感器光电效应光电器件光电耦合器电耦合器光电式传感器的应用光纤传感器红外传感器光电信号光电式传感器(1)外光电效应器件二、光电器件①光电管图6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：光电阴极和阳极，阳极加正电位。如图6所示。光电式传感器(1)外光电效应器件二、光电器件①光电管原理：当光电阴极受到适当波长的光线照射时发射光电子，在中央带正电的阳极吸引下，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。图6光电管的结构和工作原理光电式传感器(1)外光电效应器件二、光电器件①光电管若在光电管的外电路串连一个适当阻值的电阻，则该电阻上将产生电压降，并与管内空间电流成正比，或与照射到光电管阴极上的光有函数关系。图7光电管的结构和工作原理光电式传感器(1)外光电效应器件二、光电器件②光电倍增管的结构及原理结构：由光电阴极、若干倍增极和阳极组成,如图8所示。图8光电倍增管(a)结构图；(b)原理图；(c)供电电路光电式传感器入射光阴极K第一倍增极第二倍增极第三倍增极第四倍增极阳极A光电式传感器IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT光电式传感器(1)外光电效应器件二、光电器件②光电倍增管的结构及原理原理：光电倍增管工作时，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“二次电子”。如果一个电子在一个倍增极上一次能打出个二次电子，那么一个光电子经n个倍增极后，最后在阳极会收集到n个电子而在外电路形成电流。一般=3~6，n为10左右，所以，光电倍增管的放大倍数很高。光电倍增管工作的直流电源电压在700~3000V之间，相邻倍增极间电压为50~100V。光电式传感器②光电倍增管的结构及原理光电倍增管的主要参数：1.倍增系数M当各倍增极二次电子发射系数i=σ时，M=n，则阳极电流为I=in(2)式中，i—光电阴极的光电流。光电倍增管的电流放大倍数为=I/i=n(3)M一般在105~108之间，M与所加电压有关。(1)外光电效应器件二、光电器件光电式传感器②光电倍增管的结构及原理光电倍增管的主要参数：2.光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数称为光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数称为光电倍增管的总灵敏度。灵敏度曲线见图9。注意:光电倍增管的灵敏度很高，切忌强光源照射。图9光电倍增管特性曲线(1)外光电效应器件二、光电器件光电式传感器②光电倍增管的结构及原理光电倍增管的主要参数：3．暗电流和本底脉冲在无光照射（暗室）情况下，光电倍增管加上工作电压后形成的电流称为暗电流。在光电倍增管阴极前面放一块闪烁体，便构成闪烁计数器。当闪烁体受到人眼看不见的宇宙射线照射后，光电倍增管就有电流信号输出，这种电流称为闪烁计数器的暗电流，一般称为本底脉冲。4．光电倍增管的光谱特性光电倍增管的光谱特性与同材料阴极的光电管的光谱特性相似。(1)外光电效应器件二、光电器件光电式传感器(2)内光电效应器件二、光电器件①光电导器件——光敏电阻(光导管)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10光敏电阻的结构与电路连接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。光电式传感器(2)内光电效应器件二、光电器件①光电导器件——光敏电阻(光导管)当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。梳状电极光电导透光窗口外壳绝缘基体玻璃支柱引脚AA光电式传感器(2)内光电效应器件二、光电器件①光电导器件——光敏电阻(光导管)如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：图11光敏电阻电路连接光电式传感器(2)内光电效应器件二、光电器件②光生伏特器件利用光生伏特效应工作原理制成的光电器件有光敏二极管、光敏三极管和光电池。光电式传感器(2)内光电效应器件二、光电器件②光生伏特器件A、光敏二极管结构及原理光敏二极管的结构与一般二极管相似，它安装在透明的玻璃外壳中，其P-N结装在管顶，可以直接受到光照射。其结构简化图以及基本线路如图12所示。图12光敏二极管及电路连接光电式传感器光电式传感器(2)内光电效应器件二、光电器件②光生伏特器件A、光敏二极管结构及原理光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。当没有光照时，其反向电阻很大，流过P-N结的反向电流很小。当有光照射导P-N结上时，就会在其上及其附近形成电子－空穴对，它们在P-N结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。如果光照射强度发生变化，则光生电子－空穴对的浓度就会发生变化，光电流也随之变动，可见光敏二极管可以将光信号转变为电信号的输出。光电式传感器(2)内光电效应器件二、光电器件②光生伏特器件A、光敏二极管结构及原理光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。RL光PN图13光敏二极管电路PNRE+-IfPNRE-+IsRE-+I当光照射时，光敏二极管处于导通状态。当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。PN光电式传感器(2)内光电效应器件二、光电器件②光生伏特器件B、光敏三极管结构及原理光敏三极管与光敏二极管的结构相似，内部具有两个PN结，通常只有两个引出电极。光敏三极管在电路中与普通三极管接法相同，管基极开路，集电结反偏，发射结正偏。如图14所示。图14NPN型光敏二极管结构模型和基本工作电路（a）结构简化模型；（b）基本工作电路光电式传感器(2)内光电效应器件二、光电器件②光生伏特器件B、光敏三极管结构及原理集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。普通三极管光敏三极管基区很薄，基极一般不接引线；集电极面积较大。光电式传感器(2)内光电效应器件二、光电器件②光生伏特器件B、光敏三极管结构及原理当无光照时，管集电结因反偏，集电极与基极间有反向饱和电流Icbo，该电流流入发射结放大，使集电极与发射极之间有穿透电流Iceo=(1+)Icbo，此即光敏三极管的暗电流。光电式传感器(2)内光电效应器件二、光电器件②光生伏特器件B、光敏三极管结构及原理当有光照射光敏三极管集电结附近基区时，产生光生电子-空穴对，使其集电结反向饱和电流大大增加，此即为光敏三极管集电结的光电流；该电流流入发射结进行放大成为集电极与发射极间电流，即为光敏三极管的光电流，它将光敏二极管的光电流放大(1+)倍，所以它比光敏二极管具有更高的光电转换灵敏度。由于光敏三极管中对光敏感的部分是光敏二极管，所以，它们的特性基本相同，只是反应程度即灵敏度差(1+)倍。光电式传感器(2)内光电效应器件二、光电器件②光生伏特器件C、光电池光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。光电式传感