光電式傳感器原理課件

1、第10章 光電式傳感器 101 光電式傳感器的工作原理及基本組成 102 光電式傳感器中的敏感元件 103 光電式傳感器的類型及設(shè)計(jì) 104 光電式傳感器的應(yīng)用 光電式傳感器是利用光電器件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置光電式傳感器工作時(shí)先將被測量轉(zhuǎn)換為光量的變化然后通過光電器件再把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化從而實(shí)現(xiàn)非電量的測量其核心敏感元件是光電器件基礎(chǔ)是光電效應(yīng) 光電式傳感器可用來測量光學(xué)量或測量已先行轉(zhuǎn)換為光學(xué)量的其它被測量然后輸出電信號 測量光學(xué)量時(shí)光電器件是作為敏感元件使用而測量其它物理量時(shí)它作為變換元件使用 光電式傳感器由光路及電路兩大部分組成光路部分實(shí)現(xiàn)被測信號對光量的控制和調(diào)制電

2、路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換 常用的光電轉(zhuǎn)換元件有真空光電管充氣光電管光電倍增管光敏電阻光電池光電二極管及光敏三極管等它們的作用是檢測照射其上的光通量選用何種形式的光電轉(zhuǎn)換元件取決于被測參數(shù)所需的靈敏度響應(yīng)的速度光源的特性及測量環(huán)境和條件等 102光電式傳感器中的敏感元件 當(dāng)光照射在某些物體上時(shí)光能量作用于實(shí)測物而釋放出電子這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)所放出的電子叫光電子光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類根據(jù)這些效應(yīng)可以做出相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換元件簡稱光電元件或光敏器件 光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時(shí)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

3、子對它的吸引力脫離金屬表面而進(jìn)入外界空間這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng) 愛因斯坦的光子假設(shè)光子是具有能量的粒子每一光子的能量 一個光子的全部能量是一次被一個電子所吸收無需積累能量的時(shí)間 利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件一般都是真空的或充氣的光電器件如光電管和光電倍增管 1光電管及其基本特性 1 結(jié)構(gòu)與工作原理 光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類兩者結(jié)構(gòu)相似如圖所示它們由一個陰極和一個陽極構(gòu)成并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上其上涂有光電發(fā)射材料陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形置于玻璃管的中央當(dāng)光照在陰極上時(shí)中央陽極可收集從陰極上逸出的電子在

4、外電場作用下形成電流I 2 主要性能 1 光電管的伏安特性 在一定的光照射下對光電器件的陽極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù) 2 光電管的光照特性 當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性其特性曲線如下圖所示 3 光電管的光譜特性 由于光陰極對光譜有選擇性因此光電管對光譜也有選擇性保持光通量和陰極電壓不變陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性 一般對于光電陰極材料不同的光電管它們有不同的紅限頻率n0因此它們可用于不同的光譜范圍除此之外即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率n0并且強(qiáng)度相同隨

5、著入射光頻率的不同陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量也會不同即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同這就是光電管的光譜特性所以對各種不同波長區(qū)域的光應(yīng)選用不同材料的光電陰極 2光電倍增管及其基本特性 1結(jié)構(gòu)與工作原理 當(dāng)入射光很微弱時(shí)普通光電管產(chǎn)生的光電流很小只有零點(diǎn)幾個微安很不容易探測這時(shí)常用光電倍增管對電流進(jìn)行放大下圖是光電倍增管的外形和工作原理圖光電倍增管由光陰極倍增電極以及陽極三部分組成光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成次陰極是在鎳或鋼鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的陽極是最后用來收集電子的 如果在光電陰極上由于入射光的作用發(fā)射出一個電子這個電子將被第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍增極設(shè)這時(shí)第一倍

6、增極有個二次電子發(fā)出這個電子又轟擊第二倍增極而其產(chǎn)生的二次電子又增加倍經(jīng)過n個倍增極后原先一個電子將變?yōu)閚個電子這些電子最后被陽極所收集而在光電陰極與陽極之間形成電流i則 i in 式中 n為二次發(fā)射極數(shù)為二次電子發(fā)射系數(shù)故輸出電壓 Usc iR in R 光電倍增管的優(yōu)點(diǎn)是放大倍數(shù)很高可達(dá)106 線性好頻率特性好缺點(diǎn)是體積大需數(shù)百伏至1 kV的直流電壓供電光電倍增管一般用于微弱光輸入要求反映速度很快的場合 2主要參數(shù) 1倍增系數(shù)M 倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)i 的乘積如果n個倍增電極的i都一樣則陽極電流I為 3暗電流 一般在使用光電倍增管時(shí)必須把管放在暗室里避光使用使其只對入

7、射光起作用但是由于環(huán)境溫度熱輻射和其它因素的影響即使沒有光信號輸入加上電壓后陽極仍有電流這種電流稱為暗電流暗電流主要是熱電子發(fā)射引起它隨溫度增加而增加不過暗電流通?？梢杂醚a(bǔ)償電路加以消除 4光電倍增管的光譜特性 光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的光譜特性很相似 內(nèi)光電效應(yīng)是指某些半導(dǎo)體材料在入射光能量的激發(fā)下產(chǎn)生電子空穴對致使材料電性能改變的現(xiàn)象 這種效應(yīng)可分為因光照引起半導(dǎo)體電阻值變化的光導(dǎo)效應(yīng)和因光照產(chǎn)生電動勢的光生伏特效應(yīng)兩種 基于光導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻基于光生伏特效應(yīng)的光電器件有光電池光敏二極管光敏三極管光電位置敏感器件PSD 1光敏電阻 1結(jié)構(gòu)和原理 光敏電阻又稱光導(dǎo)管是

8、利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的由于光的照射使半導(dǎo)體的電阻變化所以稱為光敏電阻 如果把光敏電阻連接到外電路中在外加電壓的作用下用光照射就能改變電路中電流的大小并非一切純半導(dǎo)體都能顯示出光電特性對于不具備這一特性的物質(zhì)可以加入雜質(zhì)使之產(chǎn)生光電效應(yīng)用來產(chǎn)生這種效應(yīng)的物質(zhì)由金屬的硫化物硒化物碲化物等組成 2 光敏電阻的特性 1 暗電阻亮電阻與光電流 光敏電阻在未受到光照時(shí)的阻值稱為暗電阻此時(shí)流過的電流稱為暗電流 在受到光照時(shí)的電阻稱為亮電阻此時(shí)的電流稱為亮電流 亮電流與暗電流之差稱為光電流一般暗電阻越大亮電阻越小光敏電阻的靈敏度越高 光敏電阻的暗電阻的阻值一般在兆歐數(shù)量級亮電阻在幾千歐以下暗電阻與亮電阻之比一般

9、在102106之間 2 光敏電阻的伏安特性 在一定照度下 流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系 一定光照R一定I正比于U所加的電壓越高光電流越大而且沒有飽和現(xiàn)象 一定電壓I隨著光照E增強(qiáng)而增大 3 光敏電阻的光照特性 光敏電阻的光照特性用于描述光電流I和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系絕大多數(shù)光敏電阻光照特性曲線是非線性的光敏電阻一般用作開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器而不宜用作線性測量元件 4 光敏電阻的光譜特性 對于不同波長的光不同的光敏電阻的靈敏度是不同的從圖中可以看出硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域在選用光敏電阻時(shí)應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類結(jié)合起來考慮才能獲得滿意的結(jié)果 5 光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間

10、和頻率特性 光敏電阻的光電流不能隨著光照量的改變而立即改變即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性這個惰性通常用時(shí)間常數(shù)t來描述 時(shí)間常數(shù)為光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63所需要的時(shí)間因此時(shí)間常數(shù)越小響應(yīng)越迅速 6 光敏電阻的溫度特性 隨著溫度不斷升高光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降同時(shí)溫度變化也影響它的光譜特性曲線下圖示出了硫化鉛的光敏溫度特性曲線從圖中可以看出它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動因此有時(shí)為了提高元件的靈敏度或?yàn)榱四軌蚪邮茌^長波段的紅外輻射應(yīng)采取一些致冷措施 2光敏二極管和光敏三極管 1結(jié)構(gòu)和原理 光敏二極管是一種PN結(jié)型半導(dǎo)體元件其結(jié)構(gòu)和基本使用電路如圖所示光敏二極管

11、在沒有光照射時(shí)反向電阻很大光電二極管處于載止?fàn)顟B(tài)反向電流很小反向電流也叫暗電流受光照射時(shí)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即使P型中的電子數(shù)增多也使N型中的空穴增多即產(chǎn)生了新的自由載流子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(jìn)入N區(qū) N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)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如果入射光的照度變動則電子和空穴的濃度也跟著相應(yīng)地變動因此通過外電路的電流也隨之變化這樣就把光信號變成了電信號 光敏三極管有PNP型和NPN型兩種由于后者性能較優(yōu)因此實(shí)用較多光敏三極管的外型結(jié)構(gòu)與光敏二極管相

12、似通常也只引出兩個電極 無基極引線 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通三極管很相似只是它的發(fā)射極一邊做得很大以擴(kuò)大光的照射面積光線由窗口對著集電極的PN結(jié) 采用N型單晶和硼擴(kuò)散工藝的光敏二極管稱為Pn結(jié)構(gòu)采用P型單晶和磷擴(kuò)散工藝的稱為 nP結(jié)構(gòu)按國內(nèi)半導(dǎo)體器件命名規(guī)定硅Pn結(jié)構(gòu)為2CU型nP結(jié)構(gòu)為2DU型硅nPn結(jié)構(gòu)為3DU型 光敏三極管是兼有光敏二極管特性的器件它在把光信號變?yōu)殡娦盘柕耐瑫r(shí)又將信號電流放大下圖給出了它的結(jié)構(gòu)和基本使用電路光敏三極管的電路連接也與普通三極管相同基極開路集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏 2光敏三極管的特性 1光譜特性 光敏三極管的光譜特性是光電流隨入射光的波長而變化的關(guān)系光敏三極管存在一個最佳靈

13、敏度的峰值波長當(dāng)入射光的波長增加時(shí)相對靈敏度要下降因?yàn)楣庾幽芰刻〔蛔阋约ぐl(fā)電子空穴對當(dāng)入射光的波長縮短時(shí)相對靈敏度也下降這是由于光子在半導(dǎo)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(dá)PN結(jié)因而使相對靈敏度下降 5光敏三極管的頻率特性 光敏三極管的頻率特性是光電流與光強(qiáng)變化頻率的關(guān)系光敏二極管的頻率特性是很好的其響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到107108s因此它適用于測量快速變化的光信號光敏三極管由于存在發(fā)射結(jié)電容和基區(qū)渡越時(shí)間發(fā)射極的載流子通過基區(qū)所需要的時(shí)間所以光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差而且和光敏二極管一樣負(fù)載電阻越大高頻響應(yīng)越差 綜上所述可以把光敏二極管和三極管的主要差別歸納為 光電流

14、 光敏二極管一般只有幾個到幾百微安而光敏三極管一般都在幾毫安以上至少也有幾百微安兩者相差十倍至百倍光敏二極管與光敏三極管的暗電流則相差不大一般都不超過l微安 響應(yīng)時(shí)間 光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間在100ns以下而光敏三極管為510s因此當(dāng)工作頻率較高時(shí)應(yīng)選用光敏二極管只有在工作頻率較低時(shí)才選用光敏三極管 輸出特性 光敏二極管有很好的線性特性而光敏三極管的線性較差 硒光電池是在鋁片上涂硒再用濺射的工藝在硒層上形成一層半透明的氧化鎘在正反兩面噴上低融合金作為電極如圖所示在光線照射下鎘材料帶負(fù)電硒材料上帶正電形成光電流或電動勢 4光電位置敏感器件PSD 半導(dǎo)體位置探測器Position Sensitive

15、 Detector簡稱為PSD它能連續(xù)準(zhǔn)確地給出入射光點(diǎn)在光敏面上的位置 PSD分為一維PSD和二維PSD分別可確定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo)和二維位置坐標(biāo) 1PSD的工作原理 如圖所示其PN結(jié)是由重?fù)诫s的P 型半導(dǎo)體和輕摻雜的N型半導(dǎo)體構(gòu)成和一般的PN結(jié)一樣由于載流子擴(kuò)散在結(jié)區(qū)建立一個與結(jié)面垂直的由N指向P的自建內(nèi)電場但由于P 為重?fù)诫s載流子密度大故電導(dǎo)率比N區(qū)高因此當(dāng)入射光照射A點(diǎn)時(shí)光生載流電子和空穴集中在A點(diǎn)附近的結(jié)區(qū)在自建場作用下空穴進(jìn)入P區(qū)由于電導(dǎo)率高而很快擴(kuò)散到整個P 區(qū)成為P 近位等電區(qū)位而在A點(diǎn)附近N區(qū)的電子由于其電導(dǎo)率低而不易擴(kuò)散仍集中在A點(diǎn)附近具有高的負(fù)電位因此形成一個平行于結(jié)面的

16、橫向電場常稱為橫向光電效應(yīng) 實(shí)用的PSD不是簡單的PN結(jié)而是做成PIN結(jié)構(gòu)具有般PIN光電二極管類似的優(yōu)點(diǎn)即由于I區(qū)較厚而具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率更高的靈敏度和響應(yīng)速度其工作原理仍是基于橫向光電效應(yīng)如圖所示表面P層為感光面兩邊各有一信號輸出電極中間為I層底層的公共電極是用來加反偏電壓的當(dāng)入射光照射到光敏面上某點(diǎn)由于存在平行于結(jié)面的橫向電場作用使光生載流子形成向兩端電極流動的電流I1和I2它們之和等于總電流I0如果PSD面電阻是均勻的且其阻值R1和R2遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻RL則R1和R2的值僅取決于光電的位置即 若將兩個信號電極的輸出電流檢出后作如下處理即 2PSD的結(jié)構(gòu)與特性 1一維 PSD的結(jié)構(gòu) 一

17、維PSD的結(jié)構(gòu)及等效電路如圖所示其中VDj為理想的二極管Cj為結(jié)電容Rsh為并聯(lián)電阻Rp為感光層P層的等效電阻一維PSD的輸出與入射光點(diǎn)位置之間的關(guān)系如圖所示其中X1X2分別表示信號電極的輸出信號光電流 2二維 PSD的結(jié)構(gòu) 二維PSD用于測定入射光點(diǎn)的二維坐標(biāo)即在一方形結(jié)構(gòu)PSD上有兩對互相垂直的輸出電極由于電極的引出方法不同二維 PSD可分為由同一面引出兩對電極的表面分流型二維PSD和由上下兩面分別引出一對電極的兩面分流型二維 PSD它們的結(jié)構(gòu)及等效電路如圖所示 XlX2YlY2分別為各電極的輸出信號光電流xy為入射光點(diǎn)的位置坐標(biāo)表面分流型PSD暗電流小但位置輸出非線性誤差大兩面分流型PS

18、D線性好但暗電流大且由于無法引出公共電極而較難加上反偏電壓 對于表面分流型和兩面分流型PSD其輸出與入射光點(diǎn)位置的關(guān)系如圖所示其關(guān)系式為 3PSD的特性 PSD與CCD都可以作為光點(diǎn)位置的探測但PSD有自身的特點(diǎn)在許多情況下更適合于作專用的位置探測器其突出的特點(diǎn)有 入射光強(qiáng)度和光斑大小對位置探測影響小 PSD的位置輸出只與入射光點(diǎn)的重心位置有關(guān)而與光點(diǎn)尺寸大小無關(guān)這一顯著優(yōu)點(diǎn)給使用帶來很大的方便但應(yīng)注意當(dāng)光點(diǎn)接近光敏面邊緣時(shí)部分落在光敏面外就會產(chǎn)生誤差光點(diǎn)越靠近邊緣誤差就越大為了減小邊緣效應(yīng)應(yīng)盡量將光斑縮小且最好使用敏感面中央部分 3PSD的特性 反偏壓對PSD的影響 反偏壓有利于提高感光靈敏

19、度和動態(tài)響應(yīng)但會使暗電流有所增加 背景光強(qiáng)影響 背景光強(qiáng)度變化會影響位置輸出誤差消除背景光影響的方法有兩種即光學(xué)法和電學(xué)法 環(huán)境溫度的影響 使用環(huán)境溫度上升時(shí)暗電流將增大實(shí)驗(yàn)表明溫度上升1暗電流增大115倍這除采用溫度補(bǔ)償方法外還可采用光源調(diào)制鎖相放大解調(diào)的方式濾去暗電流的影響 5 光電耦合器 光電耦合器簡稱光耦它的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi) 一般有金屬封裝和塑料封裝兩種發(fā)光元件為發(fā)光二極管受光元件為光敏三極管或光敏可控硅它以光為媒介實(shí)現(xiàn)輸入電信號耦合到輸出端 光電耦合器的主要用途是提供電氣隔離和信號隔離可以用在一系列隔離應(yīng)用場合中從供電和電機(jī)控制電路到數(shù)據(jù)通信和數(shù)字邏輯接口電路等等 1

20、03 光電式傳感器的類型及設(shè)計(jì)自學(xué) 透射式 下圖所示為透射式光電傳感器用于檢測工件孔徑或狹縫寬度的原理圖此法適用于檢測小直徑通孔從光源1發(fā)出的光透過被測工件2的孔后由光電元件3接收被測孔徑尺寸變化時(shí)照到光電元件上的光通量隨之變化轉(zhuǎn)換成的光電流大小由被測孔徑大小決定此方法也可用于外徑的檢測 應(yīng)用 無觸點(diǎn)式路燈控制電路 在白天電路中的光敏電阻Rp因受光照而呈現(xiàn)小電阻從而使BG飽和導(dǎo)通可控硅SCR截止雙向可控硅TRIAC也截止使路燈熄滅天黑以后Rp的阻值變大從而使BG截止可控硅SCR被觸發(fā)導(dǎo)通進(jìn)而使雙向可控硅TRIAC也導(dǎo)通路燈被點(diǎn)亮 二 光生伏特效應(yīng)器件的應(yīng)用 1光電晶體管的應(yīng)用 光電控制電路 三

21、PSD的應(yīng)用 PSD可用于檢測入射光點(diǎn)的位置因此能用來測量距離位移角度等參數(shù)圖中b為兩透鏡中心距離 本章重點(diǎn) 1掌握各種光電效應(yīng)定義 2掌握光電傳感器光電管光電倍增管光敏電阻光電池光敏二極管和光敏三極管等的工作原理特點(diǎn) 3熟悉光電式傳感器的應(yīng)用 思考題與習(xí)題 1 試說明愛因斯坦光電效應(yīng)方程的含義 2 試比較光敏電阻光電池光電二極管和光敏三極管的性能差異給出什么情況下應(yīng)選用哪種器件最為合適的評述 3 試分別使用光敏電阻光電池光電二極管和光敏三極管設(shè)計(jì)一種適合TTL電平輸出的光電開關(guān)電路并敘述其工作原理 1 光電耦合器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 絕緣玻璃 發(fā)光二極管 透明絕緣體 光敏三極管 塑料 發(fā)光二極管 光

22、敏三極管 透明樹脂 采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)在其中部對接采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏三極管對準(zhǔn)以此來提高靈敏度 a 金屬密封型 b 塑料密封型 采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)構(gòu)管心先裝于管腳上中間再用透明樹脂固定具有集光作用故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高 光電耦合的主要特點(diǎn)如下 輸入和輸出端之間絕緣其絕緣電阻一般都大于1010耐壓一般可超過1kV有的甚至可以達(dá)到10kV以上 由于光傳輸?shù)膯蜗蛐运孕盘枏墓庠磫蜗騻鬏數(shù)焦饨邮掌鲿r(shí)不會出現(xiàn)反饋現(xiàn)象其輸出信號也不會影響輸入端 由于發(fā)光器件砷化鎵紅外二極管是阻抗電流驅(qū)動性器件而噪音是一種高內(nèi)阻微電流電壓信號因此光電耦合器件的共模抑制比很大所以光電耦合器件可以

23、很好地抑制干擾并消除噪音 容易和邏輯電路配合 響應(yīng)速度快光電耦合器件的時(shí)間常數(shù)通常在微秒甚至毫微秒極 無觸點(diǎn)壽命長體積小耐沖擊 2 光電耦合器的組合形式 光電耦合器的組合形式有多種如圖所示 a b c d 光電耦合器的組合形式 該形式結(jié)構(gòu)簡單成本低通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi) 該形式采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器適用于較高頻率的裝置中 該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器適用于直接驅(qū)動和較低頻率的裝置中 該形式采用功能器件構(gòu)成的高速高傳輸效率的光電耦合器 應(yīng)用于自動控制電路中的強(qiáng)弱電隔離 3光電耦合器的技術(shù)參數(shù) 光電耦合器的技術(shù)參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF正

24、向電流IF電流傳輸比CTR輸入級與輸出級之間的絕緣電阻集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓VCEO集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE此外在傳輸數(shù)字信號時(shí)還需考慮上升時(shí)間下降時(shí)間延遲時(shí)間和存儲時(shí)間等參數(shù) 最重要的參數(shù)是電流放大系數(shù)傳輸比CTRCurremt-Trrasfer Ratio通常用直流電流傳輸比來表示當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí)它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比通常用百分?jǐn)?shù)來表示有公式 CTR IC IF100 反射法測量原理 反射式應(yīng)用光路 圖示為反射式模擬光電傳感器用于檢測工件表面粗糙度或表面缺陷的原理圖從光源1發(fā)出的光經(jīng)過被測工件3的表面反射由光電元件5接收當(dāng)被測工件表面有缺陷或粗糙度精度

25、較低時(shí)反射到光電元件上的光通量變小轉(zhuǎn)換成的光電流就小檢測時(shí)被測工件在工作臺上可左右前后移動 透射法測量原理 一光敏電阻的應(yīng)用 光敏電阻是一種無結(jié)元器件因此工作時(shí)無極性選用光敏電阻器時(shí)應(yīng)首先確定應(yīng)用電路中所需光敏電阻器的光譜特性類型若是用于各種光電自動控制系統(tǒng)電子照相機(jī)和光報(bào)警器等電子產(chǎn)品則應(yīng)選取用可見光光敏電阻器若是用于紅外信號檢測及天文軍事等領(lǐng)域的有關(guān)自動控制系統(tǒng)則應(yīng)選用紅外光光敏電阻器若是用于紫外線探測等儀器中則應(yīng)選用紫外光光敏電阻器 選好光敏電阻器的光譜特性類型后還應(yīng)看所選光敏電阻的主要參數(shù)包括亮電阻暗電阻最高工作電壓光電流暗電流額定功率靈敏度等是否符合應(yīng)用電路的要求 104 光電式傳感

26、器的應(yīng)用 下圖示出了用光敏電阻構(gòu)成的簡單光控開關(guān)電路圖所示的光控電路為光亮?xí)r繼電器吸合控制 圖 圖 當(dāng)光線暗至一定程度時(shí)VT1的基極電壓上升至使VT1VT2導(dǎo)通繼電器J吸合R1用于動作靈敏度調(diào)節(jié) 無光照 高阻值 1 截止 VT1 釋放 有光照 低阻值 0 導(dǎo)通 吸合 繼電器J吸合其觸點(diǎn)可用來控制其它電路 圖則示出了光暗控制的光控電路電阻R1R2及光敏電阻R3構(gòu)成分壓電路 圖和圖所示的電路的光觸發(fā)電平受電源電壓及環(huán)境溫度的影響較大精密光控電路如圖圖所示其工作不受電源電壓及環(huán)境溫度的影響 圖為光亮控制電阻R1R2R6及光敏電阻R5共同構(gòu)成惠斯頓電橋的兩個橋臂運(yùn)放IC1用做高靈敏電壓比較器常態(tài)時(shí)調(diào)節(jié)

27、R6使R5R6的節(jié)點(diǎn)電壓V1略低于R1R2的節(jié)點(diǎn)電壓V2IC1則輸出高電平VT1截止J釋放此后若光亮稍有增加 甚至人眼都感覺不到 則V1 V2IC1翻轉(zhuǎn)輸出低電平VT1導(dǎo)通J吸合 圖 圖為光暗控制電路由于通過R5引入了少量正反饋因而在光線變化時(shí)電路動作就會稍稍滯后以避免光線亮度處于臨界狀態(tài)時(shí)繼電器頻繁抖動 圖 在無光照時(shí)光敏二極管截止電阻R1上的壓降很小則晶體管T1截止T2截止繼電器J不動作路燈保持亮 有光照時(shí)光敏二極管產(chǎn)生光電流R1電壓上升光強(qiáng)達(dá)到某一值時(shí)T1導(dǎo)通T2導(dǎo)通J動作常閉端打開使路燈滅 光強(qiáng)測量電路 無光照時(shí)光電二極管截止A點(diǎn)為高電位則場效應(yīng)管導(dǎo)通調(diào)整RW使電橋平衡即指針為0 有光

28、照時(shí)光電二極管產(chǎn)生光電流 A點(diǎn)電位下降 R2上電流下降VB減小光照不同光電流不同VA不同R2上壓降不同光強(qiáng)可以通過電流計(jì)讀數(shù)顯示出來 2 3 1 2 3 1 a b 光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖 下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖 圖 a 是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光透過盤上小孔到達(dá)光敏器件組成的光電轉(zhuǎn)換器上轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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)速由該脈沖頻率決定 在待測轉(zhuǎn)速的軸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率當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)反光與不反光交替出現(xiàn)光電敏感器件間斷地接收光的反射信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號 3光電轉(zhuǎn)速傳感器 頻率可

29、用一般的頻率計(jì)測量光敏器件多采用光敏二極管光敏三極管以提高壽命減小體積減小功耗和提高可靠性 有光照時(shí)光敏三極管BG1產(chǎn)生光電流 使R1上壓降增大 導(dǎo)致BG2導(dǎo)通觸發(fā)由BG3和BG4組成的射極耦合觸發(fā)器使Uo為高電位反之 Uo為低電位該脈沖信號可送到計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù) 2光電池應(yīng)用 光電池主要有兩大類型的應(yīng)用 將光電池作光伏器件使用利用光伏作用直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能即太陽能電池這是全世界范圍內(nèi)人們所追求探索新能源的一個重要研究課題太陽能電池已在宇宙開發(fā)航空通信設(shè)施太陽電池地面發(fā)電站日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用目前太陽電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競爭但是隨著太陽電池技術(shù)不斷發(fā)展成本會逐漸下降太陽電池

30、定將獲得更廣泛的應(yīng)用 將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用需要光電池具有靈敏度高響應(yīng)時(shí)間短等特性但不必需要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率這一類光電池需要特殊的制造工藝主要用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中 光電池應(yīng)用舉例如下 1太陽電池電源 太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣蓄電池組調(diào)節(jié)控制器和阻塞二極管組成如果還需要向交流負(fù)載供電則加一個直流交流變換器太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖 調(diào)節(jié)控制器 逆變器 交流負(fù)載 太陽 電池 方陣 直流負(fù)載 太陽能電池電源系統(tǒng) 阻塞二極管 蓄電池組 實(shí)現(xiàn)充放電自動控制1蓄電池組電壓達(dá)到 上限時(shí)自動切斷充電電路2蓄電池組電 壓低于下限時(shí)自動切斷輸出電路 光照時(shí)把太陽能轉(zhuǎn)化為電能1給負(fù)載

31、供電 2給蓄電池組充電 光照時(shí)導(dǎo)通無光照時(shí)反偏截止防止 給光電池供電節(jié)約蓄電池組能源 2光電池在光電檢測和自動控制方面的應(yīng)用 光電池作為光電探測使用時(shí)其基本原理與光電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(shí)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應(yīng)用于光電讀出光電耦合光柵測距激光準(zhǔn)直電影還音紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等 J M J1 12V 2A 51K L 39K 470uf 自動干手器 手放入干手器時(shí)手遮住燈泡發(fā)出的光光電池不受光照晶體管基極正偏而導(dǎo)通繼電器吸合風(fēng)機(jī)和電熱絲通電熱風(fēng)吹出烘手手干抽出后燈泡發(fā)出光直接照射到光電池上產(chǎn)生光生

32、電動勢使三極管基射極反偏而截止繼電器釋放從而切斷風(fēng)機(jī)和電熱絲的電源 220V C1 路燈 CJD-10 8V 200F 200F C2 C3 100F R1 R3 R5 R7 R4 R6 R7 R2 J 470k 200k 10k 43k BG1 280k 25k 57k 10k BG2 BG3 BG4 2CR 路燈自動控制器 調(diào)節(jié)R1可調(diào)整BG1的截止電壓以達(dá)到調(diào)節(jié)自動開關(guān)的靈敏度 線路主回路由交流接觸器CJD-10的三個常開觸頭并聯(lián)以適應(yīng)較大負(fù)荷的需要接觸器觸頭的通斷由控制回路控制 當(dāng)天黑時(shí)光電池2CR本身的電阻和R1R2組成分壓器使T1基極電位為負(fù)BG1導(dǎo)通經(jīng)BG2BG3BG4構(gòu)成多級直

33、流放大BG4導(dǎo)通使繼電器J動作從而接通交流接觸器使常開觸頭閉合路燈亮 當(dāng)天亮?xí)r硅光電池受光照射后它產(chǎn)生02-05V電動勢使BG1在正偏壓后而截止后面多級放大器不工作BG1截止繼電器J釋放使回路觸頭斷開燈滅 透鏡 透鏡 一光譜 光波波長為10106nm的電磁波 可見光波長nm 紫外線波長10380nm 波長nm稱為近紫外線 波長nm稱為遠(yuǎn)紫外線 波長10200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線 紅外線波長nm 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(yuǎn)紅外線 無光照時(shí)集電極的PN結(jié)反偏集電極與基極間有反向飽和電流Icbo該電流流入發(fā)射結(jié)放大成集電極與發(fā)射極之間的穿透電流即 Iceo l

34、 Icbo此即光敏三極管的暗電流 當(dāng)光照集電極PN結(jié)附近時(shí)在PN結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴對其在PN結(jié)內(nèi)電場作用下定向運(yùn)動形成大的光電流IL該電流流入發(fā)射結(jié)放大成光敏三極管的光電流即 所以光敏三極管比光電二極管具有更高的靈敏度 硅的峰值波長為9000鍺的峰值波長為15000由于鍺管的暗電流比硅管大因此鍺管的性能較差故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時(shí)一般選用硅管但對紅外線進(jìn)行探測時(shí)則采用鍺管較合適 2伏安特性 光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示光敏三極管在不同的照度下的伏安特性就像一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣因此只要將入射光照在集電極c與基極b之間的PN結(jié)附近所產(chǎn)生的光電流看作基極電流就可將光敏

35、三極管看作一般的晶體管光敏三極管能把光信號變成電信號而且輸出的電信號較大 光敏三極管的光照特性 I A Llx 200 400 600 800 1000 0 10 20 30 3光照特性 光敏三極管的光照特性如圖所示它給出了光敏三極管的輸出電流I 和照度之間的關(guān)系它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系當(dāng)光照足夠大 幾klx 時(shí)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(guān)元件三極管在弱光時(shí)電流增加緩慢不利于弱光檢測 暗電流mA 光電流mA 10 20 30 40 50 60 70 T oC 25 0 50 100 0 200 300 400 10 20 30 40 50 60 70 80 To

36、C 光敏三極管的溫度特性 4溫度特性 光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系從特性曲線可以看出溫度變化對光電流的影響很小而對暗電流的影響很大所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償否則將會導(dǎo)致輸出誤差 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件實(shí)質(zhì)上就是電壓源 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(yīng)制成的是發(fā)電式有源元件它有較大面積的PN結(jié)當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢 命名方式把光電池的半導(dǎo)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(yīng)用最廣最有發(fā)展前途的是硅光電池 3光電池 硅光電池

37、價(jià)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 002 壽命短適于接收可見光 響應(yīng)峰值波長056m 最適宜制造照度計(jì) 砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高光譜響應(yīng)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(yīng)用是有發(fā)展前途的 光電池的示意圖 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(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì) 如硼 形成PN結(jié)當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)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N區(qū)聚積負(fù)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(dǎo)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

38、外電路斷開就可測出光生電動勢 1 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 光 P N SiO2 RL a 光電池的結(jié)構(gòu)圖 I 光 b 光電池的工作原理示意圖 P N 光電池的表示符號基本電路及等效電路如圖所示 I U Id U I RL I a b c 光電池符號和基本工作電路 01 02 03 04 1光照特性 光照度定義為單位面積上所接收的光的輻射能通量單位勒克斯Lx Wm2 光照特性反映短路電流開路電壓與光照度的關(guān)系 短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度成線性關(guān)系光電池工作于短路電流狀態(tài)可做檢測元件 2 基本特性 a 硅光電池 b 硒光電池 Lklx Lklx 5 4 3 2 1 0 01 02 03 04

39、05 2 4 6 8 10 開路電壓 Uoc V 05 03 01 0 1 2 3 4 5 UocV Isc mA IscmA 開路電壓 短路電流 短路電流 開路電壓負(fù)載電阻RL無限大時(shí)與光照度的關(guān)系是非線性的 并且當(dāng)照度在2000 lx時(shí)就趨于飽和了光電池工作于開路電壓狀態(tài)可做開關(guān)元件 短路電流可指當(dāng)外接負(fù)載相對于光電池內(nèi)阻而言是很小時(shí)的電流光電池在不同照度下其內(nèi)阻也不同因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足短路條件 下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性從圖中可以看出負(fù)載電阻RL越小光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好且線性范圍越寬 0 2 4 6 8 10 01 02 03 04 05 ImA L

40、klx 50 100 1000 5000 RL 0 20 40 60 80 100 04 06 08 10 12 02 I 1 2 m 2 光譜特性 光電池的光譜特性決定于材料從曲線可看出硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度峰值波長在540nm附近適宜測可見光硅光電池應(yīng)用的范圍400nm1100nm峰值波長在850nm附近因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用 1硒光電池 2硅光電池 3 頻率特性 光電池作為測量計(jì)數(shù)接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系由于光電池PN結(jié)面積較大極間電容大故頻率特性較差圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線由圖可知硅光電池具有較高的頻率響

41、應(yīng)如曲線2而硒光電池則較差如曲線1 20 40 60 80 100 0 I 1 2 3 4 5 1 2 f kHz 1硒光電池 2硅光電池 4溫度特性 光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系由圖可見開路電壓與短路電流均隨溫度而變化它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)因此當(dāng)光電池作為測量元件時(shí)最好能保持溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施 20 0 40 60 90 40 60 UOC mV T oC ISC UOC ISC A 600 400 200 UOC開路電壓 ISC 短路電流 硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線 PIN管 PIN管是光電二

42、極管中的一種它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層相對很厚的本征半導(dǎo)體由于I層吸收系數(shù)很小入射光可以很容易地進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子空穴對因此大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率另外I層兩側(cè)的P層N層很薄光生載流子的漂移時(shí)間很短大大提高了器件的響應(yīng)速度 最大特點(diǎn)頻帶寬可達(dá)10GHz另一個特點(diǎn)是因?yàn)镮層很厚在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓線性輸出范圍寬由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小使頻帶寬度變寬 L PSD中點(diǎn)到信號電極間的距離 x 入射光點(diǎn)距PSD中點(diǎn)距離 將I0 I1I2代入得 Px只和光點(diǎn)位置有關(guān)而和入射光強(qiáng)I0無關(guān) 1

43、01 光電式傳感器的工作原理及基本組成 h普朗克常數(shù)662610-34Js光的頻率s-1 不同頻率的光子具有不同的能量 1021 外光電效應(yīng)型光電器件 E h 根據(jù)愛因斯坦假設(shè)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超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能外光電效應(yīng)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(shí)間不超過10-9s 根據(jù)能量守恒定理 該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程 式中 m電子質(zhì)量v0電子逸出速度 A 表面電子逸出功 不同的物質(zhì)具有不同的逸出功即每一個物體都有一個對應(yīng)的極限頻率稱為紅限頻率相應(yīng)的極限波長稱為閾波長光線頻

44、率低于紅限頻率光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出因而小于紅限頻率的入射光光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射反之入射光頻率高于紅限頻率波長小于閾波長即使光線微弱也會有光電子射出 從光子假設(shè)中可看到 某一金屬或某一物質(zhì)產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)有一定的光頻閾值存在 光電子初動能決定于光的頻率而和入射光的強(qiáng)度無關(guān) 光電子逸出物體表面具有初始動能mv02 2 因此外光電效應(yīng)器件如光電管即使沒有加陽極電壓也會有光電子產(chǎn)生為了使光電流為零必須加負(fù)的截止電壓而且截止電壓與入射光的頻率成正比 左圖為光電發(fā)射檢測裝置右圖為測出的光電流隨光強(qiáng)的變化曲線可以看出在足夠的外加電壓下當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比即光強(qiáng)愈

45、大意味著入射光子數(shù)目越多逸出的電子數(shù)也就越多 充氣光電管管殼內(nèi)充有低壓惰性氣體通常是氬氣和氖氣由于氣體被電離而形成的電子倍增效應(yīng)使到達(dá)陽極的電子數(shù)目比真空光電管大10倍左右與真空光電管相比靈敏度高但穩(wěn)定性和頻率特性差 圖a中同一光強(qiáng)下在020V范圍內(nèi)陽極電壓增大光電子到達(dá)陽極的數(shù)目也增大陽極電流急劇增大當(dāng)陽極電壓大于20V后隨著電壓的增大電流幾乎不變這部分稱為飽和區(qū) 另外隨著光強(qiáng)的增加光電流增大即光電流與光強(qiáng)成正比 圖a真空光電管 圖b充氣光電管 光照特性曲線的斜率光電流與入射光光通量之比稱為光電管的靈敏度 氧銫陰極光電管 銻銫陰極光電管 國產(chǎn)GD-4型的光電管陰極是用銻銫材料制成的其紅限0 7000它對可見光范圍的入射光靈敏度比較高轉(zhuǎn)換效率2530它適用于白光光源因而被廣泛地應(yīng)用于各種光電式自動檢測儀表中對紅外光源常用銀氧銫陰極構(gòu)成紅外傳感器對紫外光源常用銻銫陰極和鎂鎘陰極另外銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬為靈敏度也較高與人的視覺光譜特性很接近是一種新型的光電陰極但也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異因而在測量和控制技術(shù)中這些光電管可以擔(dān)負(fù)人眼所不能勝任的工作如坦克和裝甲車的夜視鏡等 一般充氣光電管當(dāng)入射光頻率大于8000Hz時(shí)光電流將有下降趨勢頻率愈高下降得愈多 在玻璃管4內(nèi)由光電陰極1K若