传感器课件 第十章

1第十章光电式传感器光电式传感器是一种将光量的变化转换为电量变化的传感器。光电式传感器是各类传感器中发展最迟的一类传感器，但发展之快、应用之广，都超过其它传感器。电磁辐射的频谱2x1光源光通路光电器件测量电路光量光量电量x2输出x1——被测量直接引起光源光量的变化；x2——被测量在光传播过程中调制光量。☻对光量的调制方法：早期的光电传感器，主要是利用各种光电效应制成的光敏器件，有外光电效应的光电管和光电倍增管；内光电效应的光导管、光敏二极管、光敏三极管及光电池等。新发展的光电传感器主要是光纤传感器、红外传感器和图像传感器（CCD、CMOS）等。3光电传感器测量方法灵活多样，除直接检测光信号外，还可间接测量温度、压力、速度、加速度及位移等多种物理量。具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和抗干扰能力强等优点。10.1光电效应10.2光电器件10.3光源及光学元件10.4光电式传感器的应用10.6红外传感器10.7图像传感器简介☻组成：光源、光学元件和光电器件。410.1光电效应光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。一、外光电效应光线照射在某些物体上，使物体内的电子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。它是1887年由德国科学家赫兹发现的。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。5逸出功：物体内电子脱离物体表面所需能量，也称功函数，其值与材料性质和表面状态有关。式中m——电子静止质量；（9.1091×10-31kg）v0——电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。由上式可知：02021Amvh物体中的电子吸收了入射光子的能量，当足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生光电子发射。如果一个电子要想逸出，光子能量h必须超过逸出功A0，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量式中h——普朗克常数，6.626×10-34J·s；——光的频率(s-1)。hE根据能量守恒定理6（1）光电子能否产生，取决于入射光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，这意味着每一种物质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，光子的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。（2）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。（3）光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。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。2021mv7二、内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率（电导率）发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。1.光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。受到光照射时光电导变大。基于这种效应的光电器件有光敏电阻，又称为光导管。8当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，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式中、λ分别为入射光的频率和波长，c为光速。g24.1Ehchg24.1EcE电子能量导带价带禁带h光生电子-空穴对也就是说，对于一种光电导体材料，总存在一个照射光波长限λc，只有波长小于λc的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃迁，从而使光电导体的电导率增加。92.光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。＋＋＋－－－PN＋－光＋－光生电子—空穴对(1)势垒效应（结光电效应）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，这就是结光电效应。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，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。10(2)侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射的部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电势。1110.2光电器件利用物质在光的照射下发射电子的所谓外光电效应而制成的外光电效应器件，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。利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的内光电效应器件，常见的有光敏电阻（光导管）和光敏二极管、光敏三极管、光电池等。一、光电管二、光电倍增管三、光敏电阻四、光敏二极管和光敏三极管五、光电池六、其它光电传感器12一、光电管1.结构和工作原理光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只玻璃管内。阴极有的是贴附在玻璃泡内壁上，其上涂敷光电发射材料；有的是将光电发射材料涂在半圆筒形的金属片上。阴极对光敏感的一面是向内的。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。设置一个外部光线能射至阴极表面的窗口，窗口在侧面开的称为旁开式，开在上面的称为顶开式。阴极接电源负极，阳极接电源正极，管内形成电场。当光照在阴极上时，中央阳极可以收集从阴极上逸出的电子，在外电场作用下形成电流I，电流大小随光照强度而变化。13充气光电管内充有少量的惰性气体如氦或氖，当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的途中，和惰性气体的原子发生碰撞使气体电离，从而光电流急速增加，提高了光电管的灵敏度；但同时也导致充气光电管的光电流与入射光强度不成比例关系，使其具有稳定性较差、惰性大、温度影响大、容易衰老等一系列缺点。目前由于放大技术的提高，对于光电管的灵敏度不再要求那样严格，况且真空式光电管的灵敏度也正在不断提高。在自动检测仪表中，由于要求温度影响小和灵敏度稳定，所以一般都采用真空式光电管。142.光电管的特性（1）光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴极和阳极之间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。当阳极电压比较低时，阴极所发射的电子只有一部分到达阳极，其余部分受光电子在真空中运动时所形成的负电场作用，回到光电阴极。随着阳极电压的增高，光电流随之增大。当阴极发射的电子能全部到达阳极时，阳极电流便很稳定，称为饱和状态。光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的区域。（a）真空光电管伏安特性（b）充气光电管伏安特性15（2）光电管的光电特性当光电管的阳极和阴极之间所加电压和入射光谱一定时，光通量与光电流（阳极电流）之间的关系为光电管的光电特性。曲线1为用银氧铯作阴极的光电特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为玻璃管壳上覆盖锑铯阴极的光电特性，它呈非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比）称为光电管的灵敏度。16（3）光电管光谱特性一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率0，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。对不同波长区域的光，应选用不同材料作阴极。锑铯材料：红限波长0.7m，对可见光范围的光灵敏度比较高，转换效率可达25％~30％，适用于白光光源，广泛应用于光电自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器，红限波长1.2m。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为0.3～0.85m，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。但也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，如坦克和装甲车上的夜视镜等。17二、光电倍增管当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几个微安，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大。1.光电倍增管的结构光电倍增管由光窗、光电阴极、次阴极（电子倍增系统）、电子光学系统和阳极五个主要部分组成。181.光窗光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。一般常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。由于光窗材料对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。2.光电阴极光电阴极多是由化合物半导体材料（如锑铯）制作，它接收入射光，向外发射光电子。所以倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。193.倍增系统倍增系统是由许多次阴极（倍增极）组成的综合体，每个次阴极都是由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。次阴极多的可达30级，通常为11~14级。（a）直瓦片式（b）圆瓦片式20（c）百叶窗式（d）盒栅式215.阳极阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。它输出的是电压脉冲。4.电子光学系统电子光学系统是适当设计的电极结构，使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使下一级的收集率接近于1；并使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时间零散最小。E1E3E4E5E6E7E8E9E10E11E2R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12C3C2C1阴极阳极输出RLCIAU光电倍增管倍增极的分压电阻链222.工作原理光电倍增管除光电阴极外，还有若干个次阴极（倍增电极）。使用时在各个倍增电极上均加上电压。阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高。同时这些倍增电极用次级发射材料制成，这种材料在具有一定能量的电子轰击下，能够产生更多的“次级电子”。由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场，对电子加速。从阴极发出的光电子，在电场的加速下，打到第一个倍增电极上，引起二次电子发射。每个电子能从这个倍增电极上打出3~6倍个次级电子；被打出来的次级电子再经过电场的加速后，打在第二个倍增电极上，电子数又增加3~6倍，如此不断倍增，阳极最后收集到的电子数将达到阴极发射电子数的105~106倍。即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。233.主要参数（1）倍增系数M倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数i的乘积。如果n个倍增电极的i都一样，各倍增电极之间所加电压都一样，则，因此，阳极电流niMniiI式中i——光电阴极的光电流。光电倍增管的电流放大倍数niiIM与所加电压有关，一般M在105~108之间。如果电压有波动。倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。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，这样可以减小统计涨落。从而减小测量误差。24（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