光电传感器1.

3.4光电式传感器1光电器件及其特性2光电耦合器件3光电式传感器的测量电路4光电传感器及其应用5电荷耦合器件（CCD）6光纤传感器光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。可测量光强、照度、辐射量、气体成分，尺寸、位移、表面、识别、开关、报警等。在自动控制、生产自动化、广播、军事、宇航等领域得到广泛应用。是所有传感器中应用最广、发展最快的一类。一、光电器件及其特性光电效应光电管与光电倍增管光敏电阻光敏二极管和光敏三极管光电池半导体光电元件的特性1光电效应由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比（E=hν）。光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光子后产生的电效应。从传感器的角度看光电效应可分为二大类型：（1）外光电效应指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。逸出表面的光电流与光强成正比。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所需时间不超过s。光电管及光电倍增管均属这一类。（2）内光电效应①光电导效应：指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管即属此类。②光生伏特效应：在光的照射下，物体内部产生一定方向的电动势。光电池即属此类。内光电效应它多发生于半导体内。910光电导效应过程：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，即光生伏特效应过程：接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势。以PN结为例，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，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，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。利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。（一）光电管及其基本特性光电管的结构示意图光阳极阴极光窗1）结构与工作原理光电管由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。2外光电效应器件（光电管和光电倍增管）光电器件的性能主要由光照特性、光谱特性、频率特性、伏安特性、温度特性和峰值探测率来描述。①光电管的伏安特性2）主要性能在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。它是应用光电传感器参数的主要依据。光电管的伏安特性5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012阳极与阴极间的电压/VIA/μA②光电管的光照特性通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。光电管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51③光电管光谱特性由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。不同阴极材料的光电管，有不同的红限频率υ0，因此它们可用于不同的光谱范围。此外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度也不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限λ0=7000Å，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%~30%。它适用于白光光源，因而被广泛地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，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为3000~8500Å，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极。有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。（二）光电倍增管及其基本特性当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图。1）结构和工作原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105~106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，也能产生很大的光电流。①倍增系数M倍增系数M等于n个倍增电极的倍增率δ的乘积。如果n个倍增电极的δ都相同，则M=因此，阳极电流I为I=i·i—光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数β为β=I/i=M与所加电压有关，M在105~108之间，一般阳极和阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V。对所加电压越稳越好，这样可以减小测量误差。2）主要参数ninini103104105106255075100125极间电压/V放大倍数光电倍增管的特性曲线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叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。③暗电流一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。光电倍增管的光照特性线性10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA处饱和10－1410－1010－610－2光通量/1m阳极电流/A④光电倍增管的光谱特性光谱特性反应了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函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。3光敏电阻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。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即hν==≥Eg(eV)式中ν和λ—入射光的频率和波长。一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。ch24.1光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个金属电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬底引线电极引线光电导体因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，结构见左图，可提高光敏电阻的灵敏度。1--光电半导体;2--电极;3--陶瓷基座;4--电阻引线；5--玻璃窗口;6--金属外壳。RG(a)结构(b)电极(c)符号CdS光敏电阻的结构和符号156234光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将光电半导体严密封装在玻璃壳体中。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，其连线电路如图所示。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。RGRLEI光敏电阻的主要参数和基本特性：（1）暗电流、亮电流、光电流暗电流：光敏电阻在室温下，无光照射时的电流值。亮电流：光敏电阻在某一光照下的电流值。光电流：亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电流越小（暗电阻越大），亮电流越大（亮电阻越小），则性能越好。这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。（2）光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mAL/lx10002000（3）光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅3光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉1、硒化镉2的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801004080120160200240λ/μm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅（4）伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现5010015020012U/V02040象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。I/μA（5）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的响应特性。由于不同材料的光敏，电阻响应特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的响应时间都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。20406080100S/%f/Hz010102103104硫化铅硫化镉（6）温度特性其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。I/μA100150200-50-10305010-30T/ºC2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20ºC-20ºC4光敏二极管和光敏三极管1）光敏二极管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结装在管顶（受光面大），可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反