光敏传感器工程应用

第6章光敏传感器及工程应用第6章光敏传感器及工程应用6.1光的基本知识6.2常见光电元件6.3光电传感器6.4光纤传感器6.5光敏传感器工程应用案例返回主目录第6章光敏传感器及工程应用6.1光的基本知识6.1.1光的基本特性由光学知识可知，光具有波粒二象性。因而它不但具有波的特性，而且还具有颗粒特性。光有可见和不可见之分。其可见光的波长在380~780nm之间。波长在10~380nm之间的称作紫外线，在780~106nm之间的称作红外线。根据光的量子理论，光又是一种以光速运动的粒子流。这些粒子称作光子，光子具有能量，每个光子的能量E为式中，h为普朗克常数；υ为光的频率。由此可知，不同频率的光子具有不同的能量。hE(6-1)第6章光敏传感器及工程应用光照度是衡量被照射物体表面明亮程度的一个参数，它表示被照射物体表面单位面积上受到的光通量，单位是勒克斯（lx），光通量是指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。光通量的单位是流明（lm），它们之间的关系是1(lx)=1(lm/m2)为了测量光照的强弱，就需要光检测传感器。所谓光检测传感器，实际是将光信号转变成电信号的一种器件，通常人们把它称作光电转换器件，简称为光电器件。第6章光敏传感器及工程应用6.1.2光电效应在光的照射下，物体吸收了光的能量而产生的电现象，称作光电效应。光电效应又分为外光电效应和内光电效应两大类。1.外光电效应当物体内的电子在光的照射下逸出物体表面向外发射的现象就称作外光电效应。向外发射的电子称作光电子。2.内光电效应在光的照射下，物体的电阻率发生变化或产生光生电动势的现象称作内光电效应。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应两种。第6章光敏传感器及工程应用1)光电导效应当物体的电阻率在光的照射下发生改变的现象称作光电导效应。2)光生伏特效应当物体在光的照射下产生一定方向电动势的现象称作光生伏特效应。基于不同的光电效应就得到不同的光电元器件。下面就介绍几种常见的光电器件。第6章光敏传感器及工程应用光电管的结构如图6-1所示，它是在一个真空玻璃泡内装有两个电极的器件。一个是光电阴极，有的贴在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上。另一个是阳极，通常是装在光电阴极前面的一根金属丝或金属环。6.2常见光电元件6.2.1光电管1.光电管的结构及工作原理第6章光敏传感器及工程应用它的工作原理是基于外光电效应：即当阴极受到适当波长的光线照射时便向外发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在管内就产生光电子流，在外电路中便产生电流。2.光电管的伏安特性实验证明，光电管产生的光电子流大小与光通量有关，当光通量φ一定时，阳极电压U与阳极电流I的关系曲线如图6-2所示。第6章光敏传感器及工程应用6.2.2光电倍增管1.光电倍增管的结构及工作原理在光线比较弱的时候，光电管能产生的光电流很小，为了克服这个缺点，人们又设计了光电倍增管。它主要由一个光电阴极、若干个倍增极和一个阳极等部分构成。倍增极个数在4~14个之间。四倍增极的光电倍增管结构如图6-2所示。其中K为光电阴极，电位最低，D1~D4为倍增极，电位逐次升高，即UD1UD2UD3UD4，A为阳极，电位最高。第6章光敏传感器及工程应用当光线照射到光电阴极Ｋ时，阴极便被激发出光电子，由于D１电位高于K，这些光电子便被加速并轰击到第一倍增极D１上；使D１发射出更多的光电子。由于D2电位高于D１，第一倍增极发射的二次电子便加速轰击到第二倍增极D2上，使D2发射的二次电子数比D１发射的电子数还多。这样逐级下去，最后一个倍增极所发射的二次电子数比从阴极K发射的光电子数增加几个数量级。最后一个倍增极所发射的二次电子被阳极A收集，便形成信号电流。第6章光敏传感器及工程应用光电倍增管的伏安特性曲线与光电管的伏安特性图6-2相似，其他特性也基本相同，在此不再繁述。它们的主要区别是使用范围不同。光电管适合于检测比较强的光照，而光电倍增管适合于检测比较微弱的光照。6.2.3光敏电阻1.光敏电阻的结构及工作原理光敏电阻又称作光导管，是用半导体材料制成的光电器件，其结构外形和电路符号如图6-4所示。就是在绝缘材料上均匀地涂上薄薄的一层半导体材料。第6章光敏传感器及工程应用图6-4光敏电阻外形和电路符号为了提高灵敏度，半导体材料的两端装有梳状的金属电极，金属电极与引线连接；为了防止受潮，外加一个保护壳。光敏电阻的工作原理是基于半导体材料的光电导效应。即当无光照射时，光敏电阻的电阻值很大；当受到一定波长范围的光照射时，它的电阻值急剧下降。并且光照越强，它的电阻值就越小。光照停止，电阻值又恢复到原值。第6章光敏传感器及工程应用光敏电阻无极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可加直流电，也可加交流电。2.光敏电阻的重要参数1)亮电阻和亮电流光敏电阻在受到光照射时的阻值称为“亮电阻”，此时电流称为“亮电流”。2)暗电阻和暗电流光敏电阻在不受光照射时的阻值称为“暗电阻”，此时流过的电流称为“暗电流”。3)光电流光敏电阻的亮电流与暗电流之差称作“光电流”。光电流越大越好。第6章光敏传感器及工程应用一般光敏电阻的暗阻值在几兆欧以上；而亮阻值在几千欧以下。3.光敏电阻的基本特性1)伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的光电流I与它两端电压U的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性。图6-5所示为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。图6-5硫化镉光敏电阻的伏安特性第6章光敏传感器及工程应用这说明光敏电阻的阻值仅与光入射量有关，而与外加电压无关。但它的工作电压和工作电流也不能太大，否则，将把器件损坏。而工作电压和工作电流的大小一般由它的耗散功率和散热条件来决定。由曲线可知：在一定的光照下，I—U曲线为一直线；所加电压Ｕ越高，光电流Ｉ也越大，而且无饱和现象。在给定的电压下，光电流的数值将随光照的增强而增加。图6-5硫化镉光敏电阻的伏安特性第6章光敏传感器及工程应用2)光照特性光敏电阻的光电流I和光照度E的关系曲线，称作光照特性。不同光敏电阻的光照特性是不同的。但大多数光敏电阻的光照特性是非线性的，硫化镉光敏电阻的光照特性曲线如图6-6所示。由于光敏电阻光照特性的非线性，通常只能做为开关量的光照检测传感器使用。图6-6硫化镉光敏电阻的光照特性1.20.200.60.050.100.150.350.250.300E/lxI/mA第6章光敏传感器及工程应用由图可知，为了获得较高的灵敏度，在选择光敏电阻时，应当把光敏电阻的材料和光源波长结合起来考虑。3)光谱特性光敏电阻对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同。光敏电阻的相对灵敏度Sr与入射波长λ的关系称作光谱特性。实验证明，材料不同，则它的光谱特性曲线也不相同。峰值也不同。图6-7给出了几种不同材料的光敏电阻光谱特性曲线。图6-7光敏电阻的光谱特性40m01.53.0206080硫化铅100硫化镉硫化铊Sr(%)l/m第6章光敏传感器及工程应用4)响应时间和频率特性实验证明，当光强度突然改变时，光敏电阻的光电流不会立即变化到新的光强度所对应的光电流值，而是需要一定的过渡时间。并且这个时间通常都比较大。对于不同材料的光敏电阻，他们的过渡时间也不一样，因而它们对入射光的调制频率响应也不一样。图6-8是硫化铅和硫化镉光敏电阻的频率特性，从图中可以看出，硫化铅的频率使用范围较大。图6-8光敏电阻的频率特性600f/Hz硫化镉100硫化铅80201000010401001000Sr(%)第6章光敏传感器及工程应用5)光谱温度特性因光敏电阻是半导体材料构成的，所以受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗阻，Sr都下降。同时温度的变化也影响它的光谱特性。图6-9为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。从图中可以看出，它的灵敏度峰值随温度上升向短波方向移动图6-9硫化铅光敏电阻的光谱温度特性40801.002.04.03.0+20℃–20℃100Sr(%)ml/m6020第6章光敏传感器及工程应用4.光敏电阻的型号及应用范围1)硫化镉(CdS)光敏电阻硫化镉(CdS)在可见光波段内灵敏度最高。峰值波长为520nm。主要应用于照相机的曝光表和电子快门。在光检测中也可作为光桥、光位计、光检测器件等。2)硫化铅(PbS)光敏电阻硫化铅(PbS)的光谱响应范围是1~3.5μm，峰值波长为2.4μm。可用于近红外波段的检测。3)锑化铟(InSb)光敏电阻锑化铟(InSb)的光谱响应范围是3~7.5μm，峰值波长为6μm。第6章光敏传感器及工程应用4)碲镉汞(HgCdTe)光敏电阻碲镉汞(HgCdTe)是目前性能最优良、最有前途的光电探测器，尤其是对8~14μm大气窗口波段的探测更为重要。6.2.4光敏二极管和光敏晶体管1.光敏二极管的结构和工作原理光敏二极管的结构和一般二极管结构相似，所不同的是它的PN结封装在玻璃管的顶部，而且玻璃管顶部有一个小窗口，可以直接受到光的照射。其结构和符号如图6-10(a)所示。使用方法如图6-10(b)所示。第6章光敏传感器及工程应用图6-10光敏二极管光敏二极管的特点：在无光照射时，反向电阻很大，反向饱和电流很小，这个反向饱和电流也叫暗电流。当有光照射时，光子打在PN结上，使PN结附近产生光生电子－空穴时，载流子浓度增大，PN结电阻变小，通过PN结的反向饱和电流随之增加。并且光的强度越大，反向饱和电流也越大。第6章光敏传感器及工程应用由此可知，光敏二极管在不受光照射时，相当于截至状态，当受到光照射时，相当于导通状态。2.光敏晶体管的结构和工作原理光敏晶体管和一般晶体管很相似，也具有两个PN结，也有PNP和NPN两种类型，所不同的是光敏晶体管的集电结处有一个接受光的小窗口，一般基极无引出线。其光敏晶体管的结构和符号如图6-11(a)(b)所示，它的实用电路如图6-11(c)所示。当光照射到集电结时，就会在集电结附近产生光生电子－空穴对，因而使集电结的电阻变小，发射结的电压升高，这样会使发射极发射更多的电子流向集电极，形成较大的输出电流。第6章光敏传感器及工程应用图6-11光敏晶体管由于发射结的作用，在同样的光照下，流过光敏三极管的电流要比流过光敏二极管的电流大得多，这就是光敏三极管的放大作用。第6章光敏传感器及工程应用当某些场合需要更大的电流输出时，可采用达林顿光敏管，其结构和符号如图6-6所示，它是由一个光敏晶体管和一个普通晶体管复合而成。由于增加了一级电流放大，所以它的输出电流能力大大增强。但无光照时的暗电流也增大，使用时要特别注意。图6-12达林顿光敏管3.基本特性1)光谱特性光敏管的光谱特性是指在一定照度下，光敏管输出的相对灵敏度与入射光波长的关系曲线。硅和锗光敏管（光敏二极管、晶体管）的光谱特性曲线如图6-13所示。第6章光敏传感器及工程应用从图中可以看出，硅管峰值波长在0.9μm左右，锗管峰值波长在1.5μm左右。故在探测可见光时，用硅材料的光敏管比较好；而在红外光探测时，用锗材料的光敏管较为适宜。020401.560801000.52.01.0硅锗Kr(％)λ(μm)图6-13光敏管的光谱特性2)伏安特性在不同照度下，流过光敏管的光电流与其两端电压的关系曲线称作它的伏安特性。图6-14(a)为硅光敏二极管反向接法时的伏安特性曲线。图6-14(b)为硅光敏NPN型晶体管的伏安特性曲线。第6章光敏传感器及工程应用图6-14硅光敏管的伏安特性图6-1硅光敏管的伏安特性-201000lx800lx0.06600lx0.04I(mA)400lx200lx0.020-30-10500lx400lx6300lx4Ic(mA)200lx100lx20-40-50U(V)203040Uce(V)1050(a)硅光敏二极管的伏安特性(b)硅光敏晶体管的伏安特性从图中可以看出：①通过光敏管的电流随着光照强度的增加而增大。②在相同照度下，光敏晶体管的光电流比光敏二极管的光电流要大上百倍。③在一定的电压范围内，输出电流大小主要由光照强度决定，而与它两端的电压关系不大。第6章光敏传感器及工程应