第6章-光电传感器

第六章光电传感器目的要求：通过学习要求掌握光电传感器的基本原理，学会选用方法和技巧，能用其组成测量系统。本章主要讲述的内容：光电效应及光电元件光的产生和常见光源光电传感器的类型及应用CCD图像传感器概述电荷耦合器件（CCD）CCD的主要特性CCD应用举例光电传感器以光电效应为基础，是一种将光信号转换为电信号的传感器。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制系统中应用非常广泛。1.概述发展史：光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器输出电缆接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯作为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。LED（发光二极管）最早出现在19世纪60年代，现在可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管作为指示灯来用。LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。由于LED是固态的，所以能延长传感器的使用寿命。使用LED的光电传感器能做得很小，且比白炽灯传感器可靠。LED抗震动抗冲击能力强，并且没有灯丝。LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。（激光二极管除外，它与普通LED的原理相同，但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离）。LED能发射人眼看不到的红外光，也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。1970年，人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点，就是它能够以非常快的速度来开关，开关速度可达到KHz。将接收器的放大器调制到发射器的调制频率，那么它就只能对以此频率振动的光信号进行放大。我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。将收音机调到某台，就可以忽略其他的无线电波信号。经过调制的LED发射器就类似于无线电波发射器，其接收器就相当于收音机。如果一个金属发射出的光比周围的光强很多的话，那么它就可以被周围光源接收器可靠检测到。红外光LED是效率最高的光束，同时也是在光谱上与光电三极管最匹配的光束。但是有些传感器需要用来区分颜色（如色标检测），这就需要用可见光源。安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下，我们可以考虑使用光纤。光纤与传感器配套使用，是无源元件，另外，光纤不受任何电磁信号的干扰，并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一层金属外皮。这层金属外皮的密度比光芯要低，因而折射率低。光束照在这两种材料的边界处（入射角在一定范围内），被全部反射回来。根据光学原理，所有光束都可以由光纤来传输。根据爱因斯坦光子假设学说，光可以看作是一串具有一定能量的运动着的粒子流，而这些光粒子称为光子。每个光子所具有的能量等于普朗克常数h乘以频率γ。由于光子的能量与其频率成正比，故光的频率越高，其光子能量也越大。当光线照射到某一物体上，可以看作是此物体受到一串能量为hγ的光子的不断轰击，物体由于吸收能量为hγ的光子后所产生的电效应即称为光电效应。光线照射到物体上所产生的光电效应通常可以分为外光电效应（也称光电发射）、光电导效应和光伏特效应三类。根据光电效应的不同可以制成不同的光电元件。2.光电效应及光电元件光电效应的分类：（1）在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。（2）在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。（3）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特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。当入射光照射在阴极上时，阴极受到光子轰击时，由于一个光子的能量只能传给一个电子，因此，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加hv。当自由电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射，这种电子称为光电子。光电子逸出金属表面后的初始动能为(1／2)mv2。根据能量守恒定律可知：Amvhv221该式称为爱因斯坦光电效应方程。2.1外光电效应结论：（1）当光子能量hv大于逸出功A时，才能发射出光电子，即才能产生光电效应；当光子能量hv小于逸出功A时，物体不能发射出光电子，也就不能产生光电效应；当光电子能量hv恰好等于逸出功A时，光电子获得的初速度v=0，此时光电子相应的单色光频率为v0，且有：hv0=A，v0为该物体产生光电效应的最低频率，称为红限频率。（2）光电子的初动能取决于入射光的频率v。因为对于某种物质而言，其电子的逸出功是一定的。入射光频率v越高，则电子吸收的能量hv越大，即电子的初动能越大。电子的初动能与频率成正比。（3）因为一个光子能量只能传给一个电子，所以电子吸收能量不需要积累能量的时间，在光一照到物体上，就立即有光电子发出，据测该时间不超过10-9s。根据外光电效应制成的光电元件类型很多，主要有光电管、光电倍增管等。（1）光电管光电管是利用外光电效应制成的光电元件，其外形和结构如图所示，半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内。光电管结构示意图和测量电路AKIΦU0RLE光电管有多种类型，最典型的是真空光电管。正常工作时，阳极电位高于阴极。在入射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。电流IФ和电阻只RL上的电压降U0就和光强成一定函数关系，从而实现光电转换。阴极材料不同的光电管，具有不同的红限频率，因此适用于不同的光谱范围。此外，即使入射光的频率大于红限，并保持其强度不变，但阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特性，要求人们应当根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获得满意的灵敏度。（2）光电倍增管由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成，并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。依据分装方法，可分成端窗式和侧窗式两大类。端窗式光电倍增管的阴极通常为透射式阴极，通过管壳的端面接受入射光。侧窗式阴极则是通过管壳的侧面接收入射光，它的阴极通常为反射式阴极。ΦD1D2D3D4D5D6AKU0IΦRL光电倍增管结构示意图光阴极的量子效率是一个重要的参数。波长为λ的光辐射入射到光阴极时，一个入射光子产生的光电子数，定义为光阴极的量子效率。光阴极接负高压，各倍增极的加速电压由直流高压电源经分压电阻分压供给，灵敏检流计或负载电阻接在阳极A处，当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的逸出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和D1之间的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极D1，从而使D1产生二次电子发射。每一个电子的轰击约可产生3～5个二次电子，这样就实现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击D2，……。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有8～13个，最后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集。若倍增电极有n级，各级的倍增率为б，则光电倍增管的倍增率可以认为是бn，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。若将灵敏检流计串接在阳极回路中，则可直接测量阳极输出电流。若在阳极串接电阻RL作为负载，则可测量RL两端的电压，此电压正比于阳极电流。与测量有关的两个参数：（1）暗电流光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。光电倍增管在工作时，其阳极输出电流由暗电流和信号电流两部分组成。当信号电流比较大时，暗电流的影响可以忽略，但是当光信号非常弱，以至于阳极信号电流很小甚至和暗电流在同一数量级时，暗电流将严重影响对光信号测量的准确性。所以暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电流小并且稳定。（2）光谱响应特征光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不相同的，这一特性可用光谱响应率表示。在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率，表示为：)()()(PISP(λ)为入射到光阴极上的单色辐射功率；I(λ)是在该辐射功率照射下所产生的阳极电流；S(λ)是波长的函数，它与波长的关系曲线称为光电倍增管的绝对光谱响应曲线。物体受到光线照射后，其内部的原子会释放出电子，但这些被释放的电子并不能逸出物体表面，而是仍然留在物体内部，结果使物体的电阻率发生变化或产生一定方向的光电动势，这种现象称为内光电效应。前者称为光电导效应，后者称为光伏特效应。2.2内光电效应2.2.1光电导效应半导体材料在外界光线的作用下，电导率增加的现象称为光电导效应。半导体材料的导电能力取决于半导体内部载流子的数目，如果载流子的数目增加，则半导体的导电率会增加。半导体中参与导电的载流子有自由电子和空穴两种。通常情况下，半导体原子中的价电子被束缚在价带中，当价电子从外界获取了足够的能量后，它会受到激发而从价带跃迁到导带，成为一个自由电子，与此同时价带原来价电子的位置上会形成空穴。由于自由电子和空穴都参与导电，所以使半导体的电导率增加了。2.2.2光敏电阻光敏电阻是一种光电效应半导体器件，应用于光存在与否的感应（数字量）以及光强度的测量（模拟量）等领域。它的体电阻系数随照明强度的增强而减小，容许更多的光电流流过。这种阻性特征使得它具有很好的品质：通过调节供应电源就可以从探测器上获得信号流，且有着很宽的范围。光敏电阻是薄膜元件，它是在陶瓷底衬上覆一层光电半导体材料。金属接触点盖在光电半导体面下部。这种光电半导体材料薄膜元件有很高的电阻。所以在两个接触点之间，做的狭小、交叉，使得在适度的光线时产生较低的阻值。检测光敏电阻好坏的方法：A.用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，此时万用表的指针基本保持不动，阻值接近无穷大。此值越大说明光敏电阻性能越好。若此值很小或接近为零，说明光敏电阻已烧穿损坏，不能再继续使用。B.将一光源对准光敏电阻的透光窗口，此时万用表的指针应有较大幅度的摆动，阻值明显减小，此值越小说明光敏电阻性能越好。若此值很大甚至无穷大，表明光敏电阻内部电路损坏，也不能再继续使用。C.将光敏电阻透光窗口对准入射光线，用小黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动，使其间断受光，此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动。如果万用表指针始终停在某一位置不随纸片晃动而摆动，说明光敏电阻的光敏材料已经损坏。光敏电阻的主要参数和基本特性：（1）光电流光敏电阻在室温、无光照的全暗条件下，经过一定稳定时间之后，测得的电阻值称为暗电阻，或称暗阻，此时流过光敏电阻的电流称为暗电流。光敏电阻在受到某一光线照射时的电阻值称为亮电阻，或称亮阻，此时流过的电流称为亮电流。亮电流和暗电流之差称为光电流。光敏电阻的暗电阻越大越好，亮电阻越小越好；即暗电流要小，亮电流要大，这样光电流才可能大，光敏电阻的灵敏度才会高。（2）光敏电阻的伏安特性在一定光照强度下，光敏电阻两端所加的电压和流过的光电流之间的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性。光照强度越大，光电流就越大；电压越大，产生的光电流也就越大。（3