光電式傳感器93956

1、第九章 光電式此種感器都是利用光而研制的。光電式傳感器是基于光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器件。具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點。1第一節(jié) 光電式傳感器原理 首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電器件變換成電信號。輻射源光學通路光電器件輸出被測量被測量特性 頻譜寬、非接觸測量、體積小、重量輕等2第一節(jié) 光電式式傳感器 一、光電效應(yīng)與光電器件 光電傳感器是一種將光量的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的傳感器。它的物理基礎(chǔ)就是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。1. 外光電效應(yīng)在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫光電子?；?/p>

2、外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、 光電倍增管等。3第一節(jié) 光電式式傳感器 光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超過逸出功A0時，電子就會逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。根據(jù)能量守恒定理 E=h 所以光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量也越大； 反之，光的波長越長，其光子的能量也就越小。 一束光是由一束以光速運動的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。 光子具有能量，每個光子具有的能量由下式確定： 式中： h普朗克常數(shù)=6.62610-34(Js) 光的頻率（s-1）。 4式中：m電子質(zhì)量； v0電子逸出速度。 上式為愛因

3、斯坦光電效應(yīng)方程式, 由式可知： 光子能量必須超過逸出功A0，才能產(chǎn)生光電子；入射光的頻譜成分不變，產(chǎn)生的光電子與光強成正比；光電子逸出物體表面時具有初始動能 ，因此對于外光電效應(yīng)器件， 即使不加初始陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生，為使光電流為零， 必須加負的截止電壓。 第一節(jié) 光電式式傳感器5第一節(jié) 光電式式傳感器2. 內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類：（1） 光電導效應(yīng) 在光線作用下，對于半導體材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度， 就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性

4、增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。 （2） 光生伏特效應(yīng) 在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、光敏三極管。 6第一節(jié) 光電式式傳感器二、光電器件 1、外光電效應(yīng)應(yīng)用器件光電管金屬底層光電管 光透明光電管A陽極，K陰極 當陰極受到適當波長的光線照射時發(fā)射電子，中央帶正電的陽極吸引從陰極上逸出的電子，這樣在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生電流。7第一節(jié) 光電式式傳感器伏安特性入射光的頻譜及光通量一定時，陽極電流與陽極電壓之間的關(guān)系。a真空光電管；b充氣光電管8第一節(jié) 光電式式傳感

5、器 光電管的光照特性 通常指當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。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。1銀氧銫陰極光電管；2銻銫陰極9第一節(jié) 光電式式傳感器（3）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V0，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V0，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。10第一節(jié) 光電式式傳感器光電倍增管11第一節(jié) 光電式式傳感器 當

6、入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點幾A，不容易探測，需要用光電倍增管對電流進行放大。光電倍增管結(jié)構(gòu)和工作原理由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料。入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極次陰極多的可達30級；陽極是最后用來收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105-106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達幾萬到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產(chǎn)生很大的光電流。12第一節(jié) 光電式式傳感器13第一節(jié) 光電式式傳感器光電倍增管的光譜特性 光譜特性反應(yīng)了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰

7、極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對于較好的管子，在很寬的范圍之內(nèi)，這個關(guān)系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。光電倍增管的光照特性與直線最大偏離是3%1013101010910710510310110141010106102光通量/1m陽極電流/ A14第一節(jié) 光電式式傳感器2、內(nèi)光電效應(yīng)應(yīng)用器件1）光敏電阻（1）光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻又稱光導管，它幾乎都是用半導體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性， 純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當光

8、敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。 一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好， 此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級， 亮電阻值在幾千歐以下。 15第一節(jié) 光電式式傳感器光敏電阻結(jié)構(gòu) (a) 光敏電阻結(jié)構(gòu)； (b) 光敏電阻電極； (c) 光敏電阻接線圖16（a）為金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導體物質(zhì)，稱為光導層。半導體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長

9、范圍內(nèi)透射率最大。第一節(jié) 光電式式傳感器17第一節(jié) 光電式式傳感器 (2) 光敏電阻的主要參數(shù) 光敏電阻的主要參數(shù)有： 暗電阻 光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻， 此時流過的電流稱為暗電流。 亮電流 光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。 光電流 亮電流與暗電流之差稱為光電流。 18(3)光敏電阻的基本特性第一節(jié) 光電式式傳感器伏安特性 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)系稱為光敏電阻的伏安特性。下圖為硫化鉛和硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。19第一節(jié) 光電式式傳感器 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和光照強度之間的關(guān)系

10、，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性曲線是非線性的，不同光敏電阻的光照特性是不相同的。光敏電阻不宜作線性側(cè)量元件，一般用做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。20第一節(jié) 光電式式傳感器光譜特性 光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。下圖為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。 對應(yīng)于不同波長，光敏電阻的靈敏度是不同的，而且不同材料的光敏電阻光譜響應(yīng)曲線也不同。從圖中可見硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見光區(qū)域，常被用作光度量測量（照度計）的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū)， 常用做火焰探測器

11、的探頭。 21第一節(jié) 光電式式傳感器頻率特性 實驗證明，光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數(shù)表示。 大多數(shù)的光敏電阻時間常數(shù)都較大， 這是它的缺點之一。不同材料的光敏電阻具有不同的時間常數(shù)（毫秒數(shù)量級），因而它們的頻率特性也就各不相同。 下圖為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性， 相比較，硫化鉛的使用頻率范圍較大。 22第一節(jié) 光電式式傳感器溫度特性 光敏電阻和其它半導體器件一樣，受溫度影響較大。溫度變化時，影響光敏電阻的光譜響應(yīng)，同時光敏電阻的靈敏度和暗電阻也隨之改變，尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。下圖為硫化

12、鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線，它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此，硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對于可見光的光敏電阻， 其溫度影響要小一些。 23第一節(jié) 光電式式傳感器2）光電池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。又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的它有較大面積的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。其類型有硒光電池、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。 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(yīng)峰值波長0.56m)，最適宜制造

13、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(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，它主要用于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等的電源。24第一節(jié) 光電式式傳感器（1） 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理它實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié)，當光照射到PN結(jié)的一個面，例如P型面時， 若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴， 電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴散， 在結(jié)電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。 下圖為硅光電池原理圖。 硅光電池原理圖 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖； (b) 等效電路 25第一節(jié) 光電式式傳感器(2)光電池基本特性

14、有以下幾種：光譜特性 光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。 下圖為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從圖中可知， 不同材料的光電池， 光譜響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長是不同的，硅光電池波長在0.8m附近，硒光電池在0.5m附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長范圍為0.41.2m，而硒光電池只能為0.380.75m?？梢?，硅光電池可以在很寬的波長范圍內(nèi)得到應(yīng)用。 26第一節(jié) 光電式式傳感器光照特性 光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。下圖為硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關(guān)系曲線。從圖中看出， 短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強度呈線性關(guān)系，開路電壓（即負載電阻

15、RL無限大時）與光照度的關(guān)系是非線性的，并且當照度在2000 lx時就趨于飽和了。因此用光電池作為測量元件時， 應(yīng)把它當作電流源的形式來使用， 不宜用作電壓源。 27第一節(jié) 光電式式傳感器頻率特性 是反映光的交變頻率和光電池電流的關(guān)系。下圖分別給出硅光電池和硒光電池的頻率特性，橫坐標表示光的調(diào)制頻率。由圖可見，硅光電池有較好的頻率響應(yīng)。 硅光電池的頻率特性 28第一節(jié) 光電式式傳感器溫度特性 光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標， 因此溫度特性是光電池的重要特性之一。光電池的溫度特性如

16、下圖所示。從圖中看出，開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對光電池的工作有很大影響，因此把它作為測量元件使用時，最好能保證溫度恒定或采取溫度補償措施。 29第一節(jié) 光電式式傳感器3）光敏二極管和光敏三極管（1） 結(jié)構(gòu)原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射光敏二極管結(jié)構(gòu)簡圖和符號 30第一節(jié) 光電式式傳感器光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài),在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，它們在

17、PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此光敏二極管在不受光照射時處于截止狀態(tài)，受光照射時處于導通狀態(tài)。 光敏二極管接線圖 31第一節(jié) 光電式式傳感器光敏三級管與一般三級管很相似，具有兩個PN結(jié)，如圖（a）所示，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴大光的照射面積。32第一節(jié) 光電式式傳感器光敏晶體管接線如圖（b）所示，大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓， 當光照射在集電結(jié)時，就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成

18、輸出電流，且集電極電流為光電流的倍，所以光敏晶體管有放大作用。 33第一節(jié) 光電式式傳感器（2） 基本特性光譜特性 光敏管的光譜特性是指在一定照度時， 輸出的光 電流（或用相對靈敏度表示）與入射光波長的關(guān)系。硅和鍺 光敏二（晶體）極管的光譜特性曲線如下圖所示。從曲線 可以看出，硅的峰值波長約為0.9m，鍺的峰值波長約為 1.5 m， 此時靈敏度最大，而當入射光的波長增長或縮短 時，相對靈敏度都會下降。一般來講， 鍺管的暗電流較大， 因此性能較差， 故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都 用硅管。但對紅外光的探測， 用鍺管較為適宜。34第一節(jié) 光電式式傳感器伏安特性 圖（a）為硅光敏二極管的伏安

19、特性，橫坐標表示所加的反向偏壓。當光照時，反向電流隨著光照強度的增大而增大， 在不同的照度下，伏安特性曲線幾乎平行，所以只要沒達到飽和值，它的輸出實際上不受偏壓大小的影響。硅光敏管的伏安特性(a) 硅光敏二極管; (b) 硅光敏晶體管 35第一節(jié) 光電式式傳感器圖（b）為硅光敏晶體管的伏安特性。 縱坐標為光電流， 橫坐標為集電極-發(fā)射極電壓。 從圖中可見， 由于晶體管的放大作用， 在同樣照度下， 其光電流比相應(yīng)的二極管大上百倍。 硅光敏管的伏安特性(a) 硅光敏二極管; (b) 硅光敏晶體管 36第一節(jié) 光電式傳感器頻率特性 光敏管的頻率特性是指光敏管輸出的光電流（或相對靈敏度）隨頻率變化的關(guān)

20、系。光敏二極管的頻率特性是半導體光電器件中最好的一種，普通光敏二極管頻率響應(yīng)時間達10s。光敏晶體管的頻率特性受負載電阻的影響，下圖為光敏晶體管頻率特性，減小負載電阻可以提高頻率響應(yīng)范圍，但輸出電壓響應(yīng)也減小。 光敏晶體管的頻率特性 37第一節(jié) 光電式式傳感器溫度特性 光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。光敏晶體管的溫度特性曲線如下圖所示。 從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流影響很小(圖(b)，而對暗電流影響很大(圖(a)， 所以在電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。光敏晶體管的溫度特性38第一節(jié) 光電式傳感器四、光電傳感器的應(yīng)用1、光電傳感器的結(jié)構(gòu)

21、和原理光電式傳感器的基本組成光源光學通路光電器件測量電路1光源白熾燈、激光器、發(fā)光二極管 ， 射線等2光學通路透鏡、棱鏡、光柵等39第一節(jié) 光電式傳感器光電傳感器的基本類型1透射式A映射40第一節(jié) 光電式傳感器A2反射式41第一節(jié) 光電式傳感器A如光電高溫計和爐子燃燒監(jiān)視裝置3輻射式42第一節(jié) 光電式傳感器A4遮擋式光源與光敏器件間的光路上，有物體時，光路被遮擋，沒有物體，光路通暢。開關(guān) 光電繼電器 計數(shù)器43第一節(jié) 光電式傳感器2、應(yīng)用1） 火焰探測報警器火焰探測報警器電路圖44第一節(jié) 光電式傳感器2）煙塵濁度監(jiān)測儀平行光源光電探測放大顯示刻度 校正報警器吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖45第一

22、節(jié) 光電式傳感器3）光電轉(zhuǎn)速傳感器2312 31(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，透過盤上小孔到達光敏二極管組成的光電轉(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。 46第一節(jié) 光電式傳感器2312 31(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖在待測轉(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。當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，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。474）光電碼盤第一節(jié) 光電式

23、傳感器 下圖所示是一個6位的二進制碼盤。黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進制的“0”和“1”。在一個六位光電碼盤上，有四六圈數(shù)字碼道，每一個碼道表示二進制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為26=64個。48光學碼盤測角原理光放大鑒幅整形糾錯當量變換 寄存顯示譯碼光源聚光鏡碼盤狹縫光電元件 光源1通過大孔徑聚光鏡2形成均勻狹長的光束照射到碼盤3上。根據(jù)碼盤所處的轉(zhuǎn)角位置，位于狹縫4后面的一排光電元件5輸出相應(yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大、鑒幅、整形后，再經(jīng)當量變換，最后譯碼顯示。糾錯電路和寄存電路在需要時采用。第一節(jié) 光電式傳感器49五、光電池應(yīng)用 光電池主要有兩大類型的應(yīng)

24、用：將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池。這是人們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。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： 第一節(jié) 光電式傳感器501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)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負載供電，則加一個