4.7 光電式傳感器

1,4.7光電式傳感器,它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。,光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。,光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。,2,光譜光波：波長為10106nm的電磁波可見光：波長380780nm紫外線：波長10380nm，波長300380nm稱為近紫外線波長200300nm稱為遠紫外線波長10200nm稱為極遠紫外線，紅外線：波長780106nm波長3m（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3m的紅外線稱為遠紅外線。,3,光源（發(fā)光器件）,1、鎢絲白熾燈,2、氣體放電燈,3、發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）,4、激光器,4,1光電效應及光電器件,外光電效應及其器件內(nèi)光電效應及其器件光生伏特效應及其器件,光電傳感器的物理基礎是光電效應。當光照射到某些物質(zhì)上時，使該物質(zhì)的電特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象就是光電效應。光電效應通常分為外光電效應、內(nèi)光電效應和光生伏特效應。,5,1)外光電效應及其器件,當光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它的吸引力，脫離材料表面而進入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應。即外光電效應是在光線作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象。根據(jù)外光電效應做出的光電器件有光電管和光電倍增管。,6,根據(jù)能量守恒定理式中m電子質(zhì)量；v0電子逸出速度。,根據(jù)愛因斯坦假設，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功A，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。,該方程稱為愛因斯坦光電效應方程。,可見：光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面逸出功。,即入射光波長小于波長限,時才能產(chǎn)生外光電效應,h普朗克常數(shù)，6.62610-34Js；光的頻率（s-1）,7,光電管,光電管是裝有光陰極和陽極的真空玻璃管，其陰極受到適當?shù)墓庹蘸蟀l(fā)射光電子，這些光電子被具有一定電位的陽極吸引，并在管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時若光強增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。在光電管的外電路上接適當電阻，電阻上的電壓降將和管內(nèi)空間電流成正比，或與照射到光電管陰極上的光有函數(shù)關系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。,8,光電倍增管,光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽極A組成，并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進行真空封裝。依據(jù)封裝方法，可分成端窗式和側(cè)窗式兩大類。側(cè)窗式陰極是通過管殼的側(cè)面接收入射光，它的陰極通常為反射式陰極。,由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。,9,因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光照特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量。若將靈敏檢流計串接在陽極回路中，則可直接測量陽極輸出電流。若在陽極串接電阻RL作為負載，則可測量RL兩端的電壓，此電壓正比于陽極電流。,RL,10,Siemens原裝光電管QRA2,11,2）內(nèi)光電效應及其器件,當光照射在物體上，使物體的導電率發(fā)生變化叫做內(nèi)光電效應，它多發(fā)生于半導體內(nèi)。,基于內(nèi)光電效應的主要有：光敏電阻、光敏晶體管（光敏二極管、光敏三極管）,12,光敏電阻,當光敏電阻受到光照時，阻值減小。,內(nèi)光電效應：在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象.,13,光敏電阻的結(jié)構(gòu),由一兩邊帶有金屬電極的光電半導體組成，電極與半導體之間呈歐姆接觸，使用時在兩電極上加直流或交流工作電壓。,14,光敏電阻的主要參數(shù),光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小，則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。,（1）暗電阻、亮電阻、光電流,暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流稱為暗電流。,亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流稱為亮電流。,光電流：亮電流與暗電流之差。,實用的光敏電阻的暗電阻往往超過1M,甚至高達100M，而亮電阻則在幾k以下，暗電阻與亮電阻之比在102106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。,15,光敏電阻的主要參數(shù),（2）光譜響應范圍與峰值波長,光譜響應特性表示光敏電阻對各種單色光的敏感程度。對應于一定敏感程度的波長區(qū)間稱為光譜響應范圍。對光譜響應最敏感的波長數(shù)值稱為光譜響應峰值波長。,（3）時間常數(shù),時間常數(shù)是指光敏電阻自停止光照起，到電流下降到原來值的63%所需的時間。不同材料的光敏電阻具有不同的時間常數(shù)。,16,伏安特性光照特性光譜特性頻率特性溫度特性,光敏電阻的基本特性,17,（1）伏安特性,在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關系稱為伏安特性。,圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時的伏安特性。,由曲線可知：,但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。,照度為零,照度為某值,在給定偏壓下,光照度越大，光電流也越大。,在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。,伏安特性是傳感器設計時選擇電參數(shù)的依據(jù)，實際使用時要注意不超過器件的允許功耗限。,18,（2）光照特性,在一定的外加電壓作用下，光敏電阻的光電流與光通量之間的關系。,不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關。,19,（3）光譜特性,光譜特性與光敏電阻的材料有關。,從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。,光敏電阻對不同波長的光，其靈敏度不同，該特性稱為光譜特性。,20,（4）頻率特性（反映時延特性）,當光敏電阻受到脈沖光照時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)態(tài)值，光照突然消失時，光電流也不立刻為零。這說明光敏電阻有時延特性。由于不同材料的光敏電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不相同。下圖給出相對靈敏度與光強變化頻率之間的關系曲線，可以看出硫化鉛的使用頻率比硫化鉈高的多。但多數(shù)光敏電阻的時延都較大，因此不能用在要求快速響應的場合，這是光敏電阻的一個缺陷。,常用響應時間來表示器件動態(tài)特性的好壞，響應時間越小，動態(tài)特性越好。,21,（5）溫度特性,光敏電阻的性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，同時光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。,有時為為了能夠接收較長波段的輻射，將元件降溫使用。例如，紅外探測器往往采取制冷措施。,22,常用光敏電阻的性能參數(shù),給出常用國產(chǎn)MG型光敏電阻的性能參數(shù),表2.5（1）,常用的光敏電阻器型號有密封型的MG41、MG42、MG43和非密封型的MG45（售價便宜）。它們的額定功率均在200mW以下。,23,光敏晶體管,廣泛應用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦合器、控制伺服電機轉(zhuǎn)速的檢測、光電讀出裝置等場合。,光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，其PN結(jié)裝在管頂，以便接受光照，上面有一個透鏡制成的窗口，可使光線集中在敏感面上。,光敏二極管,24,紅外發(fā)射、接收對管外形,紅外發(fā)射管,紅外接收管,25,當光不照射時，光敏二極管反偏，處于載止狀態(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流，即暗電流；,光敏二極管的光電流I與照度之間呈近似線性關系。,受光照射時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。,光敏二極管的光照特性是近似線性的，所以適合檢測等方面的應用。,光敏二極管在電路中通常工作在反向偏壓的狀態(tài)下。,26,光敏二極管的反向偏置接線（及光電特性演示,在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。,當光照增加時，光電流I與光照度成正比關系。,光敏二極管的反向偏置接法,光照,27,光敏二極管的優(yōu)點：線性好，響應速度快，對寬范圍波長的光具有較高的靈敏度，噪聲低，小型輕量以及耐振動和沖擊等。,光敏二極管的缺點：輸出電流小。,28,光敏三極管,光敏三極管（晶體管）是光電傳感器中響應特性良好、測量范圍最廣、利用價值最高的一種傳感器。,其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益，且其基極不接引線（少數(shù)基極有引線，用于溫度補償?shù)雀郊涌刂谱饔茫?29,為了適應光電轉(zhuǎn)換要求，它的基區(qū)面積做得較大，入射光從基區(qū)吸收。它的集電極接正電位、發(fā)射極接負電位。無光照時，流過光敏三極管的電流，就是正常情況下集電極和發(fā)射極之間的穿透電流，此時稱為暗電流。,當有光照射基區(qū)時，激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對，在內(nèi)電場作用下，使得集電結(jié)飽和電流大大增大，這就是光敏三極管的光生電流，該電流注入發(fā)射結(jié)進行放大，稱為光敏三極管集電極和發(fā)射極之間的光電流。顯然，光敏三極管利用普通半導體三極管的放大作用，將光生電流進行了放大，所以光敏三極管具有比二極管更高的靈敏度。,30,光敏管的基本特性,伏安特性光照特性光譜特性頻率特性溫度特性,31,（1）伏安特性,光敏二（三）極管的伏安特性曲線如圖所示。,只要將入射產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。,光敏三極管的光電流比相同管型的二極管的光電流大上百倍。,32,（2）光照特性,光敏二（三）極管的光照特性如圖所示。它給出了輸出電流I和照度之間的關系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關系。,光敏三極管當光照足夠大(幾Klx)時，將會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關元件。,光敏二極管的光照特性曲線的線性較好。,33,（3）光譜特性（兩者類似）,光敏二（三）極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。,故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。,在照度一定時，輸出的光電流（或相對光譜靈敏度）隨光波波長的變化而變化，這就是光敏管的光譜特性。,34,（4）頻率特性,光敏管的頻率特性與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負載以及入射光波長等因素有關。,硅光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應。,一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差，光敏三極管的響應時間為210-5s，光敏二極管的響應時間為比它小一個數(shù)量級。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應要比鍺管好，響應時間要小一個數(shù)量級。,35,（5）溫度特性,溫度特性曲線反映的是光敏管的暗電流及光電流與溫度的關系。,從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響較小，而對暗電流的影響很大光敏管的暗電流是一種噪聲電流。,減小方法：1.選用硅光敏管，因為硅管的暗電流比鍺管小幾個數(shù)量級；2.電路中采用溫度補償措施；3.將光信號進行調(diào)制，對輸出的電信號采用交流放大，利用電路中隔直電容的作用，阻斷暗電流。,36,常用光敏二極管主要參數(shù),光敏二極管:2DU型和2CU型,2DU型是帶有環(huán)極的(可減小暗電流，它接正電源);一般電路采用2CU型較多,37,38,常用光敏三極管主要參數(shù),39,光敏二極管的應用,1.光電控制電路,如右圖，一個路燈的自動控制電路。從圖可知，在無光照射時，光敏二極管（反向）截止，電阻R1上的壓降VA很小，則晶體管T1截止，T2截止，繼電器J不動作，路燈保持亮。有光照時，光敏管產(chǎn)生光電流IL，R1電壓升高，VA上升，光強達到某一值時T1導通，T2導通，J動作，常閉端打開，使路燈滅。即白天燈滅，晚上燈亮，實現(xiàn)了自動控制的作用。,40,2.光強測量電路,右圖為穩(wěn)壓管、光敏二極管和電橋組成的測量電路。無光照時，VA很大，F(xiàn)ET導通，調(diào)整RW，使電橋平衡，即指針為0。有光照時，光敏管產(chǎn)生IL，A點電位VA下降，R2上電流下降，VB減小，光照不同，IL不同，VA不同，R2上壓降不同，光強可以通過電流計讀數(shù)顯示出來。,41,光敏三極管的應用,1.脈沖編碼器,Vi為24V電源電壓，V0為輸出電壓，N為光柵轉(zhuǎn)盤上的總的光柵輻條數(shù)，R1和R2為限流電阻器，而A和B則分別是發(fā)光二極管和光敏三極管。,所以，在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動一圈的時間內(nèi)，接收端將接收到N個光信號，從而在其輸出端輸出N個電脈沖信號。,由此可知，脈沖編碼器輸出的電信號V0的頻率f是由轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n確定的。于是有：，上式?jīng)Q定了脈沖編碼器輸出信號的頻率f與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速之間的關系。,42,2.光電轉(zhuǎn)速傳感器,圖a是透光式，在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白識燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上的小孔到達光敏二極管組成光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速通過該脈沖頻率測定。,圖b是反光式，在待測轉(zhuǎn)速的盤上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射信號，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。,43,每分鐘轉(zhuǎn)速n與脈沖頻率f的關系式為：,頻率可用一般的頻率計測量。光電元件多采用光電池、光敏二極管和光敏三極管以提高壽命、減小體積、減小功耗和提高可靠性。,式中N為孔數(shù)或黑白條紋數(shù)目。,44,3）光生伏特效應及其器件,在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應。,基于該效應的光電器件有光電池。,45,光電池,硅光電池價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光(響應峰值波長0.56m)，最適宜制造照度計。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應用是有發(fā)展前途的。,光電池是利用光生伏特效應把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結(jié)，當光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。,命名方式：把光電池的半導體材料的名稱冠于光電池(或太陽能電池)之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前，應用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。,46,硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。它是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)，為了提高效率，防止表面反射光，在器件的受光面上要進行氧化，以形成SiO2保護膜。,光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理,當光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在PN結(jié)電場的作用下，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。,47,光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。,I,U,(a),(b),圖光電池符號和基本工作電路,48,光電池作為光電探測使用時，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時不需要外加電壓，光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、紫外光監(jiān)視器等。,49,光電池外形,光敏面,光生伏特效應：在光線的作用下,物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象.,50,能提供較大電流的大面積光電池外形,51,4）新型光電器件（主要為光敏二極管）,高速光電二極管：主要用于光纖通信和光電自動控制的快速接受器件。PIN結(jié)光電二極管雪崩式光電二極管,色敏光電傳感器：用來直接測量從可見光到紅外光波段內(nèi)的單色輻射的波長（原檢測在一定波長范圍內(nèi)的光的強度）（如CS-1型）,光位置傳感器（PSD）：用于機器人的眼睛及其它位置檢測,52,3電荷耦合器件（CCD）,CCD(ChargeCoupledDevice)是一種半導體光固態(tài)圖像傳感器,具有集成度高、分辨力高、功耗小、固體化和自掃描等優(yōu)點。廣泛應用于自動控制和自動測量領域，尤其是圖像識別技術。目前，CCD應用技術已經(jīng)成為光、機、電和計算機相結(jié)合的高新技術，成為現(xiàn)代測試技術中最活躍最富有成果的新興領域之一。,53,CCD的突出特點：是以電荷作為信號，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。,CCD：大量的獨立的光敏元件MOS（金屬氧化物半導體）排列在一起每個光敏元件稱為像素像素圖像的基本單位：最小的視覺顯示單位.,CCD光敏元顯微照片,54,圖像傳感器實際上只能記錄光線的灰度，也就是說，它能記錄光線的強弱，但卻沒有辦法分辨顏色，而我們最需要的卻是光線的顏色。目前CCD主要的解決方式是在每一個光敏元件上都采用了濾光器，使對應的光敏元件只能記錄相應單色光。各種單色分別被相鄰的光敏元件記錄下來，生成的圖像顏色是分離的，最后還需要通過一些處理過程把這些數(shù)值合成為彩色的圖像。數(shù)碼相機里面，這個處理過程稱之為插值。通常的做法是計算1個像素周圍8個像素的顏色值，然后根據(jù)它自身所記錄的顏色值，結(jié)合計算出最終像素的混合顏色值。,55,線陣CCD外形,56,線陣CCD檢測工件尺寸,57,線陣CCD在掃描儀中的應用,58,線陣CCD在圖像掃描中的應用,風云一號衛(wèi)星可以對地球上空的云層分布進行逐行掃描,59,線陣CCD用于字符識別,60,面陣CCD,61,200萬和1600萬像素的面陣CCD,62,CCD用于圖像記錄,63,數(shù)碼相機的結(jié)構(gòu)解剖（索尼F828）,CCD,64,CCD數(shù)碼攝像機,65,66,67,光電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、隔離性能好、可靠性高、體積小、重量輕、價格低廉、靈敏度高和反應快等優(yōu)點。在自動化、檢測技術領域應用廣泛。,4光電式傳感器工作方式,68,光電傳感器的分類,69,1）模擬式光電傳感器,70,71,72,73,74,75,在自動計數(shù)、光控開關、光電編碼器、光電報警裝置及其它光電輸入設備場合有廣泛的應用。,2）開關式光電傳感器,76,光電計