传感器原理 孟立凡蓝金 辉cgq10.ppt

第10章光电式传感器10 1光电式传感器的工作原理及基本组成10 2光电式传感器中的敏感元件10 3光电式传感器的类型及设计10 4光电式传感器的应用 光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置 光电式传感器工作时 先将被测量转换为光量的变化 然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化 从而实现非电量的测量 其核心 敏感元件 是光电器件 基础是光电效应 光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学量的其它被测量 然后输出电信号 测量光学量时 光电器件是作为敏感元件使用 而测量其它物理量时 它作为变换元件使用 光电式传感器由光路及电路两大部分组成 光路部分实现被测信号对光量的控制和调制 电路部分完成从光信号到电信号的转换 10 1光电式传感器的工作原理及基本组成 常用的光电转换元件有真空光电管 充气光电管 光电倍增管 光敏电阻 光电池 光电二极管及光敏三极管等 它们的作用是检测照射其上的光通量 选用何种形式的光电转换元件取决于被测参数所需的灵敏度 响应的速度 光源的特性及测量环境和条件等 10 2光电式传感器中的敏感元件当光照射在某些物体上时 光能量作用于实测物而释放出电子 这种现象称为光电效应 所放出的电子叫光电子 光电效应一般分为外光电效应和内光电效应两大类 根据这些效应可以做出相应的光电转换元件 简称光电元件或光敏器件 光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时 光子的能量传给光电材料表面的电子 如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量 电子会克服正离子对它的吸引力 脱离金属表面而进入外界空间 这种现象称为外光电效应 爱因斯坦的光子假设 光子是具有能量的粒子 每一光子的能量 h 普朗克常数 6 626 10 34J s 光的频率 s 1 不同频率的光子 具有不同的能量 10 2 1外光电效应型光电器件 E h 根据爱因斯坦假设 一个电子只能接受一个光子的能量 所以要使一个电子从物体表面逸出 必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功 超过部分的能量表现为逸出电子的动能 外光电效应多发生于金属和金属氧化物 从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10 9s 根据能量守恒定理 该方程称为爱因斯坦光电效应方程 式中m 电子质量 v0 电子逸出速度 A 表面电子逸出功 不同的物质具有不同的逸出功 即每一个物体都有一个对应的极限频率 称为红限频率 相应的极限波长称为阈波长 光线频率低于红限频率 光子能量不足以使物体内的电子逸出 因而小于红限频率的入射光 光强再大也不会产生光电子发射 反之 入射光频率高于红限频率 波长小于阈波长 即使光线微弱 也会有光电子射出 从光子假设中可看到 某一金属 或某一物质 产生光电效应时 有一定的光频阈值存在 光电子初动能决定于光的频率 而和入射光的强度无关 一个光子的全部能量是一次被一个电子所吸收 无需积累能量的时间 利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件 一般都是真空的或充气的光电器件 如光电管和光电倍增管 光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 2 因此外光电效应器件 如光电管 即使没有加阳极电压 也会有光电子产生 为了使光电流为零 必须加负的截止电压 而且截止电压与入射光的频率成正比 左图为光电发射检测装置 右图为测出的光电流随光强的变化曲线 可以看出 在足够的外加电压下 当入射光的频谱成分不变时 产生的光电流与光强成正比 即光强愈大 意味着入射光子数目越多 逸出的电子数也就越多 1 光电管及其基本特性 1 结构与工作原理光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类 两者结构相似 如图所示 它们由一个阴极和一个阳极构成 并且密封在一只真空玻璃管内 阴极装在玻璃管内壁上 其上涂有光电发射材料 阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形 置于玻璃管的中央 当光照在阴极上时 中央阳极可收集从阴极上逸出的电子 在外电场作用下形成电流I 充气光电管管壳内充有低压惰性气体 通常是氩气和氖气 由于气体被电离而形成的电子倍增效应 使到达阳极的电子数目比真空光电管大10倍左右 与真空光电管相比 灵敏度高 但稳定性和频率特性差 2 主要性能1 光电管的伏安特性在一定的光照射下 对光电器件的阳极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性 它是应用光电传感器参数的主要依据 图 a 中 同一光强下 在0 20V范围内 阳极电压增大 光电子到达阳极的数目也增大 阳极电流急剧增大 当阳极电压大于20V后 随着电压的增大 电流几乎不变 这部分称为饱和区 另外 随着光强的增加 光电流增大 即光电流与光强成正比 图 a 真空光电管 图 b 充气光电管 2 光电管的光照特性当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时 光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性 其特性曲线如下图所示 光照特性曲线的斜率 光电流与入射光光通量之比 称为光电管的灵敏度 氧铯阴极光电管 锑铯阴极光电管 3 光电管的光谱特性由于光阴极对光谱有选择性 因此光电管对光谱也有选择性 保持光通量和阴极电压不变 阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性 一般对于光电阴极材料不同的光电管 它们有不同的红限频率n0 因此它们可用于不同的光谱范围 除此之外 即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率n0 并且强度相同 随着入射光频率的不同 阴极发射的光电子的数量也会不同 即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同 这就是光电管的光谱特性 所以 对各种不同波长区域的光 应选用不同材料的光电阴极 国产GD 4型的光电管 阴极是用锑铯材料制成的 其红限 0 7000 它对可见光范围的入射光灵敏度比较高 转换效率 25 30 它适用于白光光源 因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中 对红外光源 常用银氧铯阴极 构成红外传感器 对紫外光源 常用锑铯阴极和镁镉阴极 另外 锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽 为3000 8500 灵敏度也较高 与人的视觉光谱特性很接近 是一种新型的光电阴极 但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异 因而在测量和控制技术中 这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作 如坦克和装甲车的夜视镜等 一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时 光电流将有下降趋势 频率愈高 下降得愈多 2 光电倍增管及其基本特性1 结构与工作原理当入射光很微弱时 普通光电管产生的光电流很小 只有零点几个微安 很不容易探测 这时常用光电倍增管对电流进行放大 下图是光电倍增管的外形和工作原理图 光电倍增管由光阴极 倍增电极以及阳极三部分组成 光阴极是由半导体光电材料锑铯做成 次阴极是在镍或钢 铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的 阳极是最后用来收集电子的 在玻璃管4内由光电阴极1 K 若干个倍增极2 Dn n 4 14 和阳极3 A 三部分组成 由一定材料制成的光电阴极K受入射光 照射时 可发射出光电子 形成光电流i 因倍增极和阳极上加有一定的电位 图中经分压电阻获得 光电阴极发射的光电子被第一倍增极D1的正电压所加速 而轰击第一倍增极D1 打击出二次电子 同样 二次电子又 被第二倍增极D2的正电压所加速 而轰击第二倍增极D2 打击出更多的二次电子 依次下去 最后全部二次电子被带正电位的阳极A所收集 形成光电流i 如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子 这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极 设这时第一倍增极有 个二次电子发出 这 个电子又轰击第二倍增极 而其产生的二次电子又增加 倍 经过n个倍增极后 原先一个电子将变为 n个电子 这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流i 则 i i n 式中 n为二次发射极数 为二次电子发射系数 故输出电压 Usc iR i nR 光电倍增管的优点是放大倍数很高 可达106 线性好 频率特性好 缺点是体积大 需数百伏至1kV的直流电压供电 光电倍增管一般用于微弱光输入 要求反映速度很快的场合 2 主要参数 1 倍增系数M倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数 i的乘积 如果n个倍增电极的 i都一样 则阳极电流I为 2 光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度 入射一个光子在阴极上 最后在阳极上能收集到的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度 光电倍增管的电流放大倍数 为 3 暗电流一般在使用光电倍增管时 必须把管放在暗室里避光使用 使其只对入射光起作用 但是 由于环境温度 热辐射和其它因素的影响 即使没有光信号输入 加上电压后阳极仍有电流 这种电流称为暗电流 暗电流主要是热电子发射引起 它随温度增加而增加 不过暗电流通常可以用补偿电路加以消除 4 光电倍增管的光谱特性光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光谱特性很相似 思考题 1 什么是外光电效应 2 说明爱因斯坦光电效应方程的含义 3 什么是红限频率 4 简述光电倍增管的工作原理 内光电效应是指某些半导体材料在入射光能量的激发下产生电子 空穴对 致使材料电性能改变的现象 这种效应可分为因光照引起半导体电阻值变化的光导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种 基于光导效应的光电器件有光敏电阻 基于光生伏特效应的光电器件有光电池 光敏二极管 光敏三极管 光电位置敏感器件 PSD 10 2 2内光电效应型光电器件 光导效应原理 当光照射到半导体材料上时 价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击 并使其由价带越过禁带跃入导带 如图 使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加 从而使电导率变大 材料的光导性能决定于禁带宽度 对于一种光电导材料 总存在一个照射光波长限 0 只有波长小于 0的光照射在光电导体上 才能产生电子能级间的跃进 从而使光电导体的电导率增加 电导率的变化体现了电阻率的变化 式中 分别为入射光的频率和波长 为了实现能级的跃迁 入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg 即 光生伏特效应原理在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应 势垒效应 结光电效应 接触的半导体和PN结中 当光线照射其接触区域时 便引起光电动势 这就是结光电效应 以PN结为例 主要光电转换过程如下 当用光子能量h Eg Eg为禁带宽度 的入射光照射半导体PN结时 半导体内的电子吸收能量 可激发出电子 空穴对 这些非平衡载流子如果运动到PN结附近 就会在PN结内建电场E内的作用下分离 电子逆着E内的方向向N区运动 而空穴沿着E内的方向向P区移动 如图 a 所示 结果在N区边界积累了电子 在P区边界积累了空穴 如图 b 所示 这样就产生了一个与平衡态PN结内建场方向 由N区指向P区 相反的光生电场 由P区指向N区 即在P区与N区间建立了光生电动势 这样就把光能转化成了电能 若在两极间接上负载 则会有光生电流通过负载 PN结的两个重要参数 短路电流Isc 光照下的PN结 外电路短路时 从P端流出 经过外电路 从N端流入的电流称为短路电流Isc 说明在PN结短路上连一检流计可以测出IL的值 开路电压Voc 光照下的PN结外电路开路时P端对N端的电压 可见 直接在PN结两端并联一个电压表 可测量光照时PN结两端形成的电势差的值 侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时 有载流子浓度梯度 将会产生侧向光电效应 当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时 光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大 就出现了载流子浓度梯度 因而载流子就要扩散 如果电子迁移率比空穴大 那么空穴的扩散不明显 则电子向未被光照部分扩散 就造成光照射的部分带正电 未被光照射部分带负电 光照部分与未被光照部分产生光电动势 基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件 PSD 1 光敏电阻1 结构和原理光敏电阻又称光导管 是利用光电导效应制成的 由于光的照射 使半导体的电阻变化 入射光强 电阻减小 入射光弱 电阻增大 所以称为光敏电阻 如果把光敏电阻连接到外电路中 在外加电压的作用下 用光照射就能改变电路中电流的大小 并非一切纯半导体都能显示出光电特性 对于不具备这一特性的物质可以加入杂质使之产生光电效应 用来产生这种效应的物质由金属的硫化物 硒化物 碲化物等组成 如图所示 光敏电阻的管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体 光导体吸收光子而产生的光电导效应 只限于光照的表面薄层 虽然产生的载流子也有少数扩散到 内部去 但扩散深度有限 因此光电导体一般都做成薄层 为了获得高的灵敏度 光敏电阻的电极一般采用折线或梳状图案 由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积 所以提高了光敏电阻的灵敏度 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响 因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中 2 光敏电阻的特性1 暗电阻 亮电阻与光电流光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻 此时流过的电流称为暗电流 在受到光照时的电阻称为亮电阻 此时的电流称为亮电流 亮电流与暗电流之差称为光电流 一般暗电阻越大 亮电阻越小 光敏电阻的灵敏度越高 光敏电阻的暗电阻的阻值一般在兆欧数量级 亮电阻在几千欧以下 暗电阻与亮电阻之比一般在102 106之间 2 光敏电阻的伏安特性在一定照度下 流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系 一定光照 R一定 I正比于U 所加的电压越高 光电流越大 而且没有饱和现象 一定电压 I随着光照E增强而增大 3 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性用于描述光电流I和光照强度之间的关系 绝大多数光敏电阻光照特性曲线是非线性的 光敏电阻一般用作开关式的光电转换器而不宜用作线性测量元件 4 光敏电阻的光谱特性对于不同波长的光 不同的光敏电阻的灵敏度是不同的 从图中可以看出 硫化镉的峰值在可见光区域 而硫化铅的峰值在红外区域 在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑 才能获得满意的结果 一 光谱光波 波长为10 106nm的电磁波可见光 波长380 780nm紫外线 波长10 380nm 波长300 380nm称为近紫外线波长200 300nm称为远紫外线波长10 200nm称为极远紫外线 红外线 波长780 106nm波长3 m 即3000nm 以下的称近红外线波长超过3 m的红外线称为远红外线 5 光敏电阻的响应时间和频率特性光敏电阻的光电流不能随着光照量的改变而立即改变 即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性 这个惰性通常用时间常数t来描述 时间常数为光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63 所需要的时间 因此 时间常数越小 响应越迅速 6 光敏电阻的温度特性 随着温度不断升高 光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降 同时温度变化也影响它的光谱特性曲线 下图示出了硫化铅的光敏温度特性曲线 从图中可以看出 它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动 因此 有时为了提高元件的灵敏度 或为了能够接受较长波段的红外辐射 应采取一些致冷措施 下图示出了用光敏电阻构成的简单光控开关电路 图 所示的光控电路为光亮时继电器吸合控制 图 图 当光线暗至一定程度时 VT1的基极电压上升至使VT1 VT2导通 继电器J吸合 R1用于动作灵敏度调节 无光照 高阻值 1 截止 VT1 释放 有光照 低阻值 0 导通 吸合 继电器J吸合 其触点可用来控制其它电路 图 则示出了光暗控制的光控电路 电阻R1 R2及光敏电阻R3构成分压电路 应用举例 思考题 1 什么是光电导效应 2 什么是光生伏特效应 3 简述光敏电阻的主要特性 2 光敏二极管和光敏三极管1 结构和原理光敏二极管是一种PN结型半导体元件 其结构和基本使用电路如图所示 光敏二极管在没有光照射时 反向电阻很大 光电二极管处于载止状态 反向电流很小 反向电流也叫暗电流 受光照射时 PN结附近受光子轰击 吸收其能量而产生电子 空穴对 从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加 即使P型中的电子数增多 也使N型中的空穴增多 即产生了新的自由载流子 在外加反向偏压和内电场的作用下 P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区 N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区 从而使通过PN结的反向电流大为增加 这就形成了光电流 如果入射光的照度变动 则电子和空穴的浓度也跟着相应地变动 因此通过外电路的电流也随之变化 这样就把光信号变成了电信号 光敏三极管有PNP型和NPN型两种 由于后者性能较优 因此实用较多 光敏三极管的外型结构与光敏二极管相似 通常也只引出两个电极 无基极引线 内部结构与普通三极管很相似 只是它的发射极一边做得很大 以扩大光的照射面积 光线由窗口对着集电极的PN结 采用N型单晶和硼扩散工艺的光敏二极管称为P n结构 采用P型单晶和磷扩散工艺的称为n P结构 按国内半导体器件命名规定 硅P n结构为2CU型 n P结构为2DU型 硅nPn结构为3DU型 光敏三极管是兼有光敏二极管特性的器件 它在把光信号变为电信号的同时又将信号电流放大 下图给出了它的结构和基本使用电路 光敏三极管的电路连接也与普通三极管相同 基极开路 集电结反偏 发射结正偏 无光照时 集电极的PN结反偏 集电极与基极间有反向饱和电流Icbo 该电流流入发射结 放大成集电极与发射极之间的穿透电流 即Iceo l Icbo 此即光敏三极管的暗电流 当光照集电极PN结附近时 在PN结附近产生电子空穴对 其在PN结内电场作用下 定向运动形成大的光电流IL 该电流流入发射结放大成光敏三极管的光电流 即所以光敏三极管比光电二极管具有更高的灵敏度 2 光敏三极管的特性 1 光谱特性光敏三极管的光谱特性是光电流随入射光的波长而变化的关系 光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长 当入射光的波长增加时 相对灵敏度要下降 因为光子能量太小 不足以激发电子空穴对 当入射光的波长缩短时 相对灵敏度也下降 这是由于光子在半导体表面附近就被吸收 并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结 因而使相对灵敏度下降 硅的峰值波长为9000 锗的峰值波长为15000 由于锗管的暗电流比硅管大 因此锗管的性能较差 故在可见光或探测赤热状态物体时 一般选用硅管 但对红外线进行探测时 则采用锗管较合适 2 伏安特性 光敏三极管的伏安特性曲线如图所示 光敏三极管在不同的照度下的伏安特性 就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样 因此 只要将入射光照在集电极c与基极b之间的PN结附近 所产生的光电流看作基极电流 就可将光敏三极管看作一般的晶体管 光敏三极管能把光信号变成电信号 而且输出的电信号较大 光敏三极管的光照特性 I A L lx 200 400 600 800 1000 0 1 0 2 0 3 0 3 光照特性光敏三极管的光照特性如图所示 它给出了光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系 它们之间呈现了近似线性关系 当光照足够大 几klx 时 会出现饱和现象 从而使光敏三极管既可作线性转换元件 也可作开关元件 三极管在弱光时电流增加缓慢 不利于弱光检测 暗电流 mA 光电流 mA 10 20 30 40 50 60 70 T C 25 0 50 100 0 200 300 400 10 20 30 40 50 60 70 80 T C 光敏三极管的温度特性 4 温度特性光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系 从特性曲线可以看出 温度变化对光电流的影响很小 而对暗电流的影响很大 所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿 否则将会导致输出误差 5 光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性是光电流与光强变化频率的关系 光敏二极管的频率特性是很好的 其响应时间可以达到10 7 10 8s 因此它适用于测量快速变化的光信号 光敏三极管由于存在发射结电容和基区渡越时间 发射极的载流子通过基区所需要的时间 所以 光敏三极管的频率响应比光敏二极管差 而且和光敏二极管一样 负载电阻越大 高频响应越差 综上所述 可以把光敏二极管和三极管的主要差别归纳为 光电流光敏二极管一般只有几个到几百微安 而光敏三极管一般都在几毫安以上 至少也有几百微安 两者相差十倍至百倍 光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大 一般都不超过l微安 响应时间光敏二极管的响应时间在100ns以下 而光敏三极管为5 10 s 因此 当工作频率较高时 应选用光敏二极管 只有在工作频率较低时 才选用光敏三极管 输出特性光敏二极管有很好的线性特性 而光敏三极管的线性较差 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件 实质上就是电压源 由于它可把太阳能直接变电能 因此又称为太阳能电池 它是基于光生伏特效应制成的 是发电式有源元件 它有较大面积的PN结 当光照射在PN结上时 在结的两端出现电动势 命名方式 把光电池的半导体材料的名称冠于光电池 或太阳能电池 之前 如 硒光电池 砷化镓光电池 硅光电池等 目前 应用最广 最有发展前途的是硅光电池 硅光电池价格便宜 转换效率高 寿命长 适于接受红外光 硒光电池光电转换效率低 0 02 寿命短 适于接收可见光 响应峰值波长0 56 m 最适宜制造照度计 砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高 光谱响应特性则与太阳光谱最吻合 且工作温度最高 更耐受宇宙射线的辐射 因此 它在宇宙飞船 卫星 太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的 3 光电池 光电池的示意图 硅光电池的结构如图所示 它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质 如硼 形成PN结 当光照到PN结区时 如果光子能量足够大 将在结区附近激发出电子 空穴对 在N区聚积负电荷 P区聚积正电荷 这样N区和P区之间出现电位差 若将PN结两端用导线连起来 电路中有电流流过 电流的方向由P区流经外电路至N区 若将外电路断开 就可测出光生电动势 1 光电池的结构和工作原理 I 光 b 光电池的工作原理示意图 P N 硒光电池是在铝片上涂硒 再用溅射的工艺 在硒层上形成一层半透明的氧化镉 在正反两面喷上低融合金作为电极 如图所示 在光线照射下 镉材料带负电 硒材料上带正电 形成光电流或电动势 光电池的表示符号 基本电路及等效电路如图所示 I U Id U I RL I a b c 光电池符号和基本工作电路 0 1 0 2 0 3 0 4 1 光照特性光照度定义为单位面积上所接收的光的辐射能通量 单位勒克斯Lx W m2 光照特性反映短路电流 开路电压与光照度的关系 短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系 光电池工作于短路电流状态 可做检测元件 开路电压 负载电阻RL无限大时 与光照度的关系是非线性的 并且当照度在2000lx时就趋于饱和了 光电池工作于开路电压状态 可做开关元件 2 基本特性 短路电流 是指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的 光电池在不同照度下 其内阻也不同 因而应选取适当的外接负载近似地满足 短路 条件 下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性 从图中可以看出 负载电阻RL越小 光电流与强度的线性关系越好 且线性范围越宽 0 2 4 6 8 10 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 I mA L klx 50 100 1000 5000 RL 0 20 40 60 80 100 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 0 2 I 1 2 m 2 光谱特性光电池的光谱特性决定于材料 从曲线可看出 硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度 峰值波长在540nm附近 适宜测可见光 硅光电池应用的范围400nm 1100nm 峰值波长在850nm附近 因此硅光电池可以在很宽的范围内应用 1 硒光电池2 硅光电池 3 频率特性光电池作为测量 计数 接收元件时常用调制光输入 光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系 由于光电池PN结面积较大 极间电容大 故频率特性较差 图示为光电池的频率响应曲线 由图可知 硅光电池具有较高的频率响应 如曲线2 而硒光电池则较差 如曲线1 20 40 60 80 100 0 I 1 2 3 4 5 1 2 f kHz 1 硒光电池2 硅光电池 4 温度特性光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系 由图可见 开路电压与短路电流均随温度而变化 它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移 影响到测量或控制精度等主要指标 因此 当光电池作为测量元件时 最好能保持温度恒定 或采取温度补偿措施 20 0 40 60 90 40 60 UOC mV T C ISC UOC ISC A 600 400 200 UOC 开路电压 ISC 短路电流 硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线 4 光电位置敏感器件 PSD 半导体位置探测器 PositionSensitiveDetector 简称为PSD 它能连续准确地给出入射光点在光敏面上的位置 PSD分为一维PSD和二维PSD 分别可确定光点的一维位置坐标和二维位置坐标 1 PSD的工作原理如图所示 其PN结是由重掺杂的P 型半导体和轻掺杂的N型半导体构成 和一般的PN结一样 由于载流子扩散 在结区建立一个与结面垂直的由N指向P 的自建内电场 但由于P 为重掺杂 载流子密度大 故电导率比N区高 因此当入射光照射A点时 光生载流电子和空穴集中在A点附近的结区 在自建场作用下 空穴进入P 区 由于电导率高而很快扩散到整个P 区 成为P 近位等电区位 而在A点附近N区的电子 由于其电导率低而不易扩散 仍集中在A点附近 具有高的负电位 因此形成一个平行于结面的横向电场 常称为横向光电效应 实用的PSD不是简单的P N结 而是做成P IN结构 具有 般PIN光电二极管类似的优点 即由于I区较厚而具有更高的光电转换效率 更高的灵敏度和响应速度 其工作原理仍是基于横向光电效应 如图所示 表面P 层为感光面 两边各有一信号输出电极 中间为I层 底层的公共电极是用来加反偏电压的 当入射光照射到光敏面上某点 由于存在平行于结面的横向电场作用 使光生载流子形成向两端电极流动的电流I1和I2 它们之和等于总电流I0 如果PSD面电阻是均匀的 且其阻值R1和R2远大于负载电阻RL 则R1和R2的值仅取决于光电的位置 即 PIN管PIN管是光电二极管中的一种 它的结构特点是 在P型半导体和N型半导体之间夹着一层 相对 很厚的本征半导体 由于I层吸收系数很小 入射光可以很容易地进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子 空穴对 因此大幅度提高了光电转换效率 另外 I层两侧的P层 N层很薄 光生载流子的漂移时间很短 大大提高了器件的响应速度 最大特点 频带宽 可达10GHz 另一个特点是 因为I层很厚 在反偏压下运用可承受较高的反向电压 线性输出范围宽 由耗尽层宽度与外加电压的关系可知 增加反向偏压会使耗尽层宽度增加 从而结电容要进一步减小 使频带宽度变宽 若将两个信号电极的输出电流检出后作如下处理 即 L PSD中点到信号电极间的距离 x 入射光点距PSD中点距离将I0 I1 I2代入 得 Px只和光点位置有关 而和入射光强I0无关 2 PSD的结构与特性 1 一维PSD的结构一维PSD的结构及等效电路如图所示 其中VDj为理想的二极管 Cj为结电容 Rsh为并联电阻 Rp为感光层 P层 的等效电阻 一维PSD的输出与入射光点位置之间的关系如图所示 其中X1 X2分别表示信号电极的输出信号 光电流 2 二维PSD的结构二维PSD用于测定入射光点的二维坐标 即在一方形结构PSD上有两对互相垂直的输出电极 由于电极的引出方法不同 二维PSD可分为由同一面引出两对电极的表面分流型二维PSD和由上下两面分别引出一对电极的两面分流型二维PSD 它们的结构及等效电路如图所示 Xl X2 Yl Y2分别为各电极的输出信号光电流 x y为入射光点的位置坐标 表面分流型PSD暗电流小 但位置输出非线性误差大 两面分流型PSD线性好 但暗电流大 且由于无法引出公共电极而较难加上反偏电压 对于表面分流型和两面分流型PSD 其输出与入射光点位置的关系如图所示 其关系式为 3 PSD的特性PSD与CCD都可以作为光点位置的探测 但PSD有自身的特点 在许多情况下 更适合于作专用的位置探测器 其突出的特点有 入射光强度和光斑大小对位置探测影响小 PSD的位置输出只与入射光点的 重心 位置有关 而与光点尺寸大小无关 这一显著优点给使用带来很大的方便 但应注意当光点接近光敏面边缘时 部分落在光敏面外 就会产生误差 光点越靠近边缘 误差就越大 为了减小边缘效应 应尽量将光斑缩小 且最好使用敏感面中央部分 反偏压对PSD的影响反偏压有利于提高感光灵敏度和动态响应 但会使暗电流有所增加 背景光强影响背景光强度变化会影响位置输出误差 消除背景光影响的方法有两种 即光学法和电学法 环境温度的影响使用环境温度上升时 暗电流将增大 实验表明 温度上升1 暗电流增大1 15倍 这除采用温度补偿方法外 还可采用光源调制 锁相放大解调的方式滤去暗电流的影响 思考题 1 简述光敏二极管的工作原理 2 简述光电池的工作原理 5 光电耦合器 光电耦合器 简称光耦 它的发光和接收元件都封装在一个外壳内 一般有金属封装和塑料封装两种 发光元件为发光二极管 受光元件为光敏三极管或光敏可控硅 它以光为媒介 通过光线实现耦合构成电 光和光 电的转换器件 原理 当电信号送入光电耦合器的输入端时 发光二极管通过电流而发光 光敏元件受到光照后产生电流 CE导通 当输入端无信号 发光二极管不亮 光敏三极管截止 CE不通 对于数位量 当输入为低电平 0 时 光敏三极管截止 输出为高电平 1 当输入为高电平 1 时 光敏三极管饱和导通 输出为低电平 0 光电耦合的主要特点如下 输入和输出端之间绝缘 其绝缘电阻一般都大于1010 耐压一般可超过1kV 有的甚至可以达到10kV以上 由于 光 传输的单向性 所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象 其输出信号也不会影响输入端 光电耦合器的输入阻抗很小 只有几百欧姆 而干扰源的阻抗较大 通常为105 106 据分压原理可知 即使干扰电压的幅度较大 但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小 只能形成很微弱的电流 由于没有足够的能量而不能使二极管发光 所以 光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音 容易和逻辑电路配合 响应速度快 光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒极 无触点 寿命长 体积小 耐冲击 1 光电耦合器的结构 2 光电耦合器的组合形式光电耦合器的组合形式有多种 如图所示 光电耦合器的组合形式 该形式结构简单 成本低 通常用于50kHz以下工作频率的装置内 该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器 适用于较高频率的装置中 该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器 适用于直接驱动和较低频率的装置中 该形式采用功能器件构成的高速 高传输效率的光电耦合器 应用于自动控制电路中的强弱电隔离 3 光电耦合器的技术参数光电耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF 正向电流IF 电流传输比CTR 输入级与输出级之间的绝缘电阻 集电极 发射极反向击穿电压VCEO 集电极 发射极饱和压降VCE 此外 在传输数字信号时还需考虑上升时间 下降时间 延迟时间和存储时间等参数 最重要的参数是电流放大系数传输比CTR Curremt TrrasferRatio 通常用直流电流传输比来表示 当输出电压保持恒定时 它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比 通常用百分数来表示 有公式 CTR IC IF 100 注意 1 在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源 若两端共用一个电源 则光电耦合器的隔离作用将失去意义 2 当用光电耦合器来隔离输入输出通道时 必须对所有的信号 包括数位量信号 控制量信号 状态信号 全部隔离 使得被隔离的两边没有任何电气上的联系 否则这种隔离是没有意义的 10 3光电式传感器的类型及设计 反射法测量原理 反射式应用光路 图示为反射式模拟光电传感器用于检测工件表面粗糙度或表面缺陷的原理图 从光源1发出的光经过被测工件3的表面反射 由光电元件5接收 当被测工件表面有缺陷或粗糙度精度较低时 反射到光电元件上的光通量变小 转换成的光电流就小 检测时被测工件在工作台上可左右 前后移动 透射式 下图所示为透射式光电传感器用于检测工件孔径或狭缝宽度的原理图 此法适用于检测小直径通孔 从光源1发出的光透过被测工件2的孔后 由光电元件3接收 被测孔径尺寸变化时 照到光电元件上的光通量随之变化 转换成的光电流大小由被测孔径大小决定 此方法也可用于外径的检测 透射法测量原理 一 光敏电阻的应用光敏电阻是一种无结元器件 因此工作时无极性 选用光敏电阻器时 应首先确定应用电路中所需光敏电阻器的光谱特性类型 若是用于各种光电自动控制系统 电子照相机和光报警器等电子产品 则应选取用可见光光敏电阻器 若是用于红外信号检测及天文 军事等领域的有关自动控制系统 则应选用红外光光敏电阻器 若是用于紫外线探测等仪器中 则应选用紫外光光敏电阻器 选好光敏电阻器的光谱特性类型后 还应看所选光敏电阻的主要参数 包括亮电阻 暗电阻 最高工作电压 光电流 暗电流 额定功率 灵敏度等 是否符合应用电路的要求 10 4光电式传感器的应用 应用举例 下图示出了用光敏电阻构成的简单光控开关电路 图 所示的光控电路为光亮时继电器吸合控制 图 图 当光线暗至一定程度时 VT1的基极电压上升至使VT1 VT2导通 继电器J吸合 R1用于动作灵敏度调节 无光照 高阻值 1 截止 VT1 释放 有光照 低阻值 0 导通 吸合 继电器J吸合 其触点可用来控制其它电路 图 则示出了光暗控制的光控电路 电阻R1 R2及光敏电阻R3构成分压电路 图 和图 所示的电路的光触发电平受电源电压及环境温度的影响较大 精密光控电路如图 图 所示 其工作不受电源电压及环境温度的影响 图 为光亮控制 电阻R1 R2 R6及光敏电阻R5共同构成惠斯顿电桥的两个桥臂 运放IC1用做高灵敏电压比较器 常态时 调节R6使R5 R6的节点电压V1略低于R1 R2的节点电压V2 IC1则输出高电平 VT1截止 J释放 此后 若光亮稍有增加 甚至人眼都感觉不到 则V1 V2 IC1翻转输出低电平 VT1导通 J吸合 图 图 为光暗控制电路 由于通过R5引入了少量正反馈 因而在光线变化时电路动作就会稍稍滞后 以避免光线亮度处于临界状态时继电器频繁抖动 图 应用 无触点式路灯控制电路在白天 电路中的光敏电阻Rp因受光照而呈现小电阻 从而使BG饱和导通 可控硅SCR截止 双向可控硅TRIAC也截止 使路灯熄灭 天黑以后 Rp的阻值变大 从而使BG截止 可控硅SCR被触发导通 进而使双向可控硅TRIAC也导通 路灯被点亮 二 光生伏特效应器件的应用 1 光电晶体管的应用 光电控制电路 在无光照时 光电二极管截止 电阻R1上的压降很小 则晶体管T1截止 T2截止 继电器J不动作 路灯保持亮 有光照时 光电二极管产生光电流 R1电压上升 光强达到某一值时T1导通 T2导通 J动作 常闭端打开 使路灯灭 光强测量电路 无光照时 光电二极管截止 A点为高电位 则场效应管导通 调整RW 使电桥平衡 即指针为0 有光照时 光电二极管产生光电流 A点电位下降 R2上电流下降 VB减小 光照不同 光电流不同 VA不同 R2上压降不同 光强可以通过电流计读数显示出来 下图是光电数字式转速表的工作原理图 图 a 是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘 在调置盘一边由白炽灯产生恒定光 透过盘上小孔到达光敏器件组成的光电转换器上 转换成相应的电脉冲信号 经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号 转速由该脉冲频率决定 在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘 它们具有不同的反射率 当转轴转动时 反光与不反光交替出现 光电敏感器件间断地接收光的反射信号 转换为电脉冲信