传感器原理及工程应用(第三版)第8章光电式传感器上

第8章光电式传感器第8章光电式传感器8.1光电器件8.2光纤传感器第8章光电式传感器8.1光电器件1.外光电效应一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：E=hυ（8-1）式中：h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s)υ——光的频率（s-1）。第8章光电式传感器在光线作用下，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。光电管光电倍增管第8章光电式传感器光电倍增管入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极第8章光电式传感器103104105106255075100125极间电压/V放大倍数光电倍增管的特性曲线第8章光电式传感器光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电02021Amvhv式中：m——电子质量；v0——电子逸出速度。（8-2）第8章光电式传感器式为爱因斯坦光电效应方程式,由式可知：光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此对于外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。2021mv02021Amvhv第8章光电式传感器内光电效应：在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应。内光电效应又可分为以下两类：（1）光电导效应:在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。（2）光生伏特效应在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。2.内光电效应第8章光电式传感器1.光敏电阻的结构与工作原理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，其常用的材料有硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）、锑化铟（InSb）等。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）急剧减小，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量级，亮电阻值在几千欧以下。8.1.1光敏电阻第8章光电式传感器光敏电阻的结构很简单，图8-2（a）为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。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。光导层1234571--光导层;2--玻璃窗口;3--金属外壳;4--电极;5--陶瓷基座;6--黑色绝缘玻璃;7--电阻引线。6第8章光电式传感器为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如图8-1（b）所示。图8-2（c）为光敏电阻的接线图。第8章光电式传感器图8-2光敏电阻结构(a)光敏电阻结构；(b)光敏电阻电极；(c)光敏电阻第8章光电式传感器2.光敏电阻的主要参数(1)暗电阻与暗电流光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流成为暗电流。(2)亮电阻与亮电流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。光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，即暗电流要小，亮电流要大，则光敏电阻的性能越好，灵敏度也高。光敏电阻暗电阻的阻值一般为兆欧数量级，亮电阻在几千欧以下。第8章光电式传感器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8-3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8-3硫化镉光敏电阻的伏安特性第8章光电式传感器图8-4光敏电阻的光照特性（2）光照特性光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度Φ之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图8-4为硫化镉光敏电阻的光照特性。第8章光电式传感器图8-5光敏电阻的光谱特性(3)光谱特性光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度Sr与入射波长λ的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。图8-5为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。波长单位A:表示0.1纳米可见光近红外和中红外第8章光电式传感器对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区，常用做火焰探测器的探头。第8章光电式传感器（4）频率特性实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。大多数的光敏电阻时间常数都较大，这是它的缺点之一。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级），因而它们的频率特性也就各不相同。图8-6为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性，相比较，硫化铅的使用频率范围较大。图8-6光敏电阻的频率特性相对光敏灵敏度第8章光电式传感器图8-7硫化铅光敏电阻的光谱温度特性(5)温度特性光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变，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8-7为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些。第8章光电式传感器光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。第8章光电式传感器图8-8光敏二极管结构简图和符号8.1.21.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，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图8-8）。第8章光电式传感器图8-9光敏二极管接线图光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图8-9），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，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。第8章光电式传感器红外发射、接收对管外形红外发射管红外接收管第8章光电式传感器光敏二极管的反向偏置接线及光电特性演示在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。光敏二极管的反向偏置接法UO+光照第8章光电式传感器光电转速传感器231231(a)(b)光电数字式转速表工作原理图在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。第8章光电式传感器烟尘浊度监测仪防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。第8章光电式传感器平行光源光电探测放大显示刻度校正报警器吸收式烟尘浊度检测系统原理图烟道第8章光电式传感器光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，如图8-10（a）所示，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光敏晶体管接线如图8-10（b）所示，大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。第8章光电式传感器图8–10NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路(a)结构简化模型；(b)基本电路第8章光电式传感器光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。图8-11是达林顿光敏管的等效电路，它是一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流放大，所以输出电流能力大大加强，甚至可以不必经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。但由于无光照时的暗电流也增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电变换。图8-11第8章光电式传感器2.(1)光谱特性光敏管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。硅和锗光敏二（晶体）极管的光谱特性曲线如图8-12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，此时灵敏度最大，而当入射光的波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。图8-12光敏二极(晶体)管的光谱特性第8章光电式传感器一般来讲，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。但对红外光的探测，用锗管较为适宜。第8章光电式传感器(2)伏安特性图8-13（a）为硅光敏二极管的伏安特性，横坐标表示所加的反向偏压。当光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行，所以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。图8-13(a)硅光敏二极管第8章光电式传感器图8-13(b)硅光敏晶体管图8-13（b）为硅光敏晶体管的伏安特性。纵坐标为光电流，横坐标为集电极-发射极电压。从图中可见，由于晶体管的放大作用，在同样照度下，其光电流比相应的二极管大上百倍。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。第8章光电式传感器（3）频率特性光敏管的频率特性是指光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间达10μs。光敏晶体管的频率特性受负载电阻的影响，图8-14为光敏晶体管频率特性，减小负载电阻可以提高频率响应范围，但输出电压响应也减小。图8-14光敏晶体管的频率特性第8章光电式传感器(4)温度特性光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特性曲线如图8-15所示。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响很小(图(b))，而对暗电流影响很大(图(a))，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。图8-15光敏晶体管的温度特性曲线第8章光电式传感器光敏二极管和三极管的主要差别•光电流–