第4章--光电式传感器

第4章光电式传感器4.1光电效应4.2光电器件4.3红外线传感器4.4色彩传感器4.5CZG－GD－500系列紫外火焰传感器4.6光纤传感器4.7光传感器应用实例4.8实训4.1光电效应4.1光电效应光电元件的理论基础是光电效应。光可以认为是由一定能量的粒子（光子）所形成，每个光子具有的能量hγ正比于光的频率γ（h为普朗克常数）。用光照射某一物体，可以看做物体受到一连串能量为hγ的光子所轰击。物体材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。4.1.1外光电效应光照射于某一物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射。逸出来的电子称为光电子。外光电效应可由爱因斯坦光电方程来描述：Ahmv221一个光子的能量只能给物体中的一个自由电子，使自由电子能量增加hγ，这些能量一部分用于克服逸出功A，另一部分作为光电子逸出时的初动能：221mv4.1.2内光电效应光照射于某一物体上，使其导电能力发生变化，这种现象称为内光电效应，也称光电导效应。硫化镉、硒化镉、硫化铅、硒化铅等在受到光照时均会出现电阻下降的现象。电路中反偏的PN结在受到光照时也会在该PN结附近产生光生载流子（电子-空穴对）。利用上述现象可制成光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管，光敏晶闸管等光电转换器件。4.1.3光生伏打效应在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏打效应。具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓等。例如，当一定波长的光照射PN结时，就产生电子-空穴对，在PN结内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，于是P区和N区之间产生电压，即光生电动势。利用该效应可制成各类光电池。4.2光电器件4.2光电器件4.2.1光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管同属于用外光电效应制成的光电转换器件。1.光电管光电管的外形如图4-1所示。金属阳极A和阴极K封装在一个玻璃壳内，当入射光照射在阴极时，光子的能量传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，逸出金属表面形成电子发射，这种电子称为光电子。236145图4-1一种常见的光电管外形1-阳极A2-阴极K3-玻璃外壳4-管座5-电极引脚6-定位销图4-2光电管符号及测量电路IφULROE（+50~+70）V光电管的图形符号及测量电路如图4-2所示。2.光电倍增管光电倍增管有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。如图４-3是光电倍增管结构示意图。U0RLD1D3KAD2D4φ图4-3光电倍增管结构及工作原理4.2.2光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。光敏电阻的材料有金属硫化物、硒化物、碲化物等半导体材料。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻，如图4-4（a）所示。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状，如图4-4（b）所示，图形符号如图4-4（c）所示。a)φmAIφ图4-4光敏电阻机构示意图及图形符号a）原理图b)图4-4光敏电阻机构示意图及图形符号b）外形图c)图4-4光敏电阻机构示意图及图形符号c）图形符号4.2.3光敏二极管和光敏三极管1.光敏二极管光敏二极管是一种利用PN结单向导电性的结型光电器件，与一般半导体二极管不同之处在于其PN结装在透明管壳的顶部，以便接受光照，如图4-5（a）所示。它在电路中处于反向偏置状态，如图4-5（b）所示。光电流与光照度成正比。还有一种雪崩式光敏二极管（APD）。光照φPNa)+–RLEU0IφμAb)图4-5光敏二极管a)结构示意图及图形符号b）基本应用电路2.光敏三极管光敏三极管有两个PN结，从而可以获得电流增益。它的结构、等效电路、图形符号及应用电路分别如图4-6（a）、（b）、（c）、（d）所示。光敏三极管与一只普通三极管制作在同一个管壳内，连接成复合管，如图4-6（e）所示，称为达林顿型光敏三极管。它的灵敏度更大（β=β1β2）。但是达林顿光敏三极管的漏电（暗电流）较大，频响较差，温漂也较大。+CNNP-eJcJea)CIc=βIcboIcboeb)Cec)图4–6光敏三极管a)结构b)等效电路c）图形符号d)+UCCU0=UCC－IcRLIcRLRL+UCC（3~20）VU0=ICRLIceCe)图4–6光敏三极管d)应用电路e)光敏达林顿管4.2.4光电池光电池的工作原理是基于光生伏打效应。当光照射在光电池上时，可以直接输出电动势及光电流。图4-7所示是光电池结构与图形符号。光电池的种类很多，有硅、砷化镓、硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等。应用最广的是硅光电池，优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能耐高温辐射、价格便宜等。焊点N型硅–+金属镀层电极光P型硅PN结a)b)图4-7硅光电池a)结构示意图b)图形符号4.2.5光电元件的特性1.光照特性当光电元件上加上一定电压时，光电流I与光电元件上光照度E之间的对应关系，称为光照特性。一般可表示为：I=f（E）对于光敏电阻器，因其灵敏度高而光照特性呈非线性，一般用于自动控制中作开关元件。其光照特性见图4-8（a）。光电池的开路电压V与照度E是对数关系，在2000lx的照度下趋于饱和。在负载电阻远小于光电池内阻时，光电池的电流称为短路电流Isc，与照度呈线性关系。如图4-8（b）直线所示。光敏二极管的光照特性为线性，适于作检测元件，其特性如图4-8（c）所示。图4-8光照特性图(a)光敏电阻器；(b)光电池；(c)光电二极管；(d)光电三极管光敏三极管的光照特性呈非线性，如图4-8（d）所示。但由于其内部具有放大作用，故其灵敏度较高。2.光谱特性光敏元件上加上一定的电压，这时如有一单色光照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光电流会随入射光波长的不同而变化。入射光波长与光敏器件相对灵敏度或相对光电流间的关系即为该元件的光谱特性。各光敏器件的光谱特性如图4-9所示。图4–9各种光敏元件的光谱特性图(a)光敏电阻器；(b)硅光电二极管；(c)光敏管由图4-9可见，元件材料不同，所能响应的峰值波长也不同。因此，应根据光谱特性来确定光源与光电器件的最佳匹配。在选择光敏元件时，应使最大灵敏度在需要测量的光谱范围内，才有可能获得最高灵敏度。3.伏安特性在一定照度下，光电流I与光敏元件两端电压V的对应关系，称为伏安特性。各种光敏元件的伏安特性如图4-10所示。伏安特性可以帮助我们确定光敏元件的负载电阻，设计应用电路。图4-10各种光敏元件的伏安特性(a)光敏电阻器；(b)光电池；(c)光电三极管4.频率特性在相同的电压和同样幅值的光照下，当入射光以不同频率的正弦频率调制时，光敏元件输出的光电流I和灵敏度S会随调制频率f而变化，它们的关系为：I=F1（f）或S=F2（f）称为频率特性。以光生伏打效应原理工作的光敏元件（如光电池）频率特性较差，以内光电效应原理工作的光敏元件（如光敏电阻）频率特性更差。图4-11各种光敏元件的频率响应(a)光敏电阻器；(b)光电池；(c)光敏三极管5.温度特性部分光敏器件输出受温度影响较大。光敏电阻，当温度上升时，暗电流增大，灵敏度下降。光敏晶体管，由于温度变化对暗电流影响非常大，并且是非线性的，给微光测量带来较大误差。光电池受温度的影响主要表现在开路电压随温度增加而下降，短路电流随温度上升缓慢增加。应采取相应措施进行温度补偿。6.响应时间不同光敏器件的响应时间有所不同。光敏电阻较慢，约为（10－1~10－３）s，一般不能用于要求快速响应的场合。工业用的硅光敏二极管的响应时间为（10－5~10－7）s左右，光敏三极管的响应时间比二极管约慢一个数量级，在要求快速响应或入射光、调制光频率较高时应选用硅光敏二极管。4.2.6光电耦合器件将发光器件与光敏元件集成在一起便可构成光电耦合器件，图4-12为其结构示意图。图a为窄缝透射式，可用于片状遮挡物体的位置检测，或码盘、转速测量中；图b为反射式可用于反光体的位置检测，对被测物不限制厚度；图c为全封闭式，用于电路的隔离。发光元件多半是发光二极管，光敏元件多为光敏二极管和光敏三极管，少数采用光敏达林顿管或光控晶闸管。(a)(b)(c)图4-12光电耦合器典型结构对于光电耦合器的特性，应注意以下各项参数。（1）电流传输比（2）输入输出间的绝缘电阻（3）输入输出间的耐压（4）输入输出间的寄生电容（5）最高工作频率（6）脉冲上升时间和下降时间4.3红外线传感器4.3红外线传感器4.3.1概述凡是存在于自然界的物体，例如：人体、火焰、冰等物体都会放射出红外线，只是其发射的红外线的波长不同而已。人体的温度为36~37οC，所放射的红外线波长为9~10μm（属于远红外线区）。加热到400~700οC的物体，其放射出的红外线波长为3~5μm（属于中红外线区）。红外线传感器可以检测到这些物体发射出的红外线，用于测量、成象或控制。用红外线作为检测媒介，来测量某些非电量，比可见光作为媒介的检测方法要好。其优越性表现在：(1)红外线（指中、远红外线）不受周围可见光的影响，故可在昼夜进行测量。(2)由于待测对象发射出红外线，故不必设光源。(3)大气对某些特定波长范围的红外线吸收甚少（2~2.6μm,3~5μm,8~14μm三个波段称为“大气窗口”）,故适用于遥感技术。红外线传感器按其工作原理可分为两类：量子型及热型。热型红外线光敏元件的特点是：灵敏度较低、响应速度较慢、响应的红外线波长范围较宽，价格比较便宜、能在室温下工作。量子型红外线光敏元件的特性则与热型正好相反，一般必须在冷却（77K）条件下使用。4.3.2热释电型红外传感器1.热释电效应若使某些强介电质物质的表面温度发生变化，随着温度的上升或下降，在这些物质表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应，是热电效应的一种。这种现象在钛酸钡之类的强介电质物质材料上表现得特别显著。热释电效应产生的电荷不是永存的，很快便被空气中的各种离子所结合。2.热释电红外线光敏元件的材料热释电红外线光敏元件的材料较多，其中以陶瓷氧化物及压电晶体用得最多。3.热释电红外传感器结构及电路如图4-13，4-14所示。传感器的敏感元件是PZT（钛锆酸铅），在上下两面做上电极，并在表面上加一层黑色氧化膜以提高其转换效率。等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，输出电压信号又极其微弱，管内有场效应管FET放大器及厚膜电阻，以达到阻抗变换的目的。内接线氧化膜PZT元件铝件接脚FET空洞图4–13热释电红外传感器基本结构元件FETDSERgRsRs为负载电阻，有的传感器内无Rs（需外接）图4-14热释电红外传感器等效电路4.PVF2热释电红外传感器PVF2是聚偏二氟乙烯的缩写，是一种经过特殊加工的塑料薄膜。它具有压电效应，同时也具有热释电效应，是一种新型传感器材料。热释电系数比钽酸锂、硫酸三甘肽等要低。具有不吸湿、化学性质稳定、柔软、易加工及成本低的特点，是制造红外线监测报警装置的好材料。5.菲涅耳透镜菲涅耳透镜是由塑料制成的特殊设计的光学透镜，配合热释电红外线传感器使用。透镜由很多“盲区”和“高灵敏区”组成，物体或人体发射的红外线通过菲涅耳透镜会产生一系列的光脉冲进入传感器，从而提高了接收灵敏度。如图4-15所示。物体或人体移动的速度越快，灵敏度就越高。目前一般配上透镜可检测10米上下，而采用新设计的双重反射型，则其检测距离可达20米以上。菲涅耳透镜图4-15菲涅耳透镜的应用4.4色彩传感器4.4色彩传感器色彩传感器是由单晶硅和非单晶态硅制成的半导体器件。物体的颜色是由照射物体的光源和物体本身的光谱反射率决定的。在光源一定的条件下，物体的颜色取决于反射的光谱（波长），能测定物体反射的波长，就可以测定物体的颜色。