第10章光电式传感器.ppt

主要内容 10 1光电效应10 2光电器件光电管 光电倍增管 光敏电阻 光电晶体管 光电池 其他光电器件 电荷耦合器10 3光电式传感器的应用 第10章光电式传感器 第10章光电式传感器 概述 光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号 具有这种功能的材料称为光敏材料 做成的器件称光敏器件 光敏器件种类很多 如 光电管 光敏二极管 光电倍增管 光敏三极管 光敏电阻 光电池 光电耦合器 光纤等等 在计算机 自动检测 控制系统应用非常广泛 第10章光电式传感器 概述 第10章光电式传感器 概述 第10章光电式传感器 概述 10 1光电效应 第10章光电式传感器 传统的光敏器件利用各种光电效应 光电效应可分为 外光电效应 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应 基于外光电效应的光电元件有光电管 光电倍增管等 内光电效应 光电导效应 在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为光电导效应 基于内光电效应的光电元件有光敏电阻 光敏晶体管等 光生伏特效应 在光线作用下物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应 基于光生伏特效应的光电元件有光电池等 第10章光电式传感器 10 1光电效应10 1 1工作原理 1 外光电效应 在光线作用下 电子逸出物体表面向外发射称外光电效应 光照射物体时 电子吸收入射光子的能量 每个光子具有的能量是 普朗克常数 光的频率 Hz 波长短 频率高 能量大 第10章光电式传感器 10 1光电效应10 1 1工作原理 如果光子的能量E大于电子的逸出功A 超出的能量表现在电子逸出的功能 电子逸出物体表面 产生光电子发射 能否产生光电效应 取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功 由能量守恒定律有 第10章光电式传感器 光电导效应 入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应 这种效应几乎所有高电阻率半导体都有 为使电子从价带激发到导带 入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg 基于光电导效应的光电器件有光敏电阻 10 1光电效应10 1 1工作原理 2 内光电效应 第10章光电式传感器 10 1光电效应10 1 1工作原理 2 内光电效应 光生伏特效应 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后 在PN结上产生电动势的效应 为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢 有下面两种情况 不加偏压的PN结处于反偏的PN结 第10章光电传感器 不加偏压的PN结当光照射在PN结时 如果电子能量大于半导体禁带宽度 E0 Eg 可激发出电子 空穴对 在PN结内电场作用下空穴移向P区 而电子移向N区 使P区和N区之间产生电压 这个电压就是光生电动势 基于这种效应的器件有光电池 10 1光电效应10 1 1工作原理 2 内光电效应 第10章光电式传感器 处于反偏的PN结 无光照时 反向电阻很大 反向电流很小 有光照时 光子能量足够大产生光生电子 空穴对 在PN结电场作用下 形成光电流 电流方向与反向电流一致 光照越大光电流越大 具有这种性能的器件有 光敏二极管 光敏晶体管 10 1光电效应10 1 1工作原理 2 内光电效应 第10章光电式传感器 10 2光电器件 1 光电管 当光线照射在光敏材料上时 如果光子的能量E大于电子的逸出功A E A 会有电子逸出产生电子发射 电子被带有正电的阳极吸引 在光电管内形成电子流 电流在回路电阻R上产生正比于电流大小的压降 因此 第10章光电式传感器 10 2光电器件 1 光电管 第10章光电式传感器 10 2光电器件 1 光电管 光电管器件的性能主要由伏安特性 光照特性 光谱特性 响应时间 峰值探测率和温度特性来描述 1 光电管的伏安特性在一定的光照射下 对光电器件的阴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 光电管的伏安特性如3图所示 它是应用光电传感器参数的主要依据 光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的区域内 图3a真空光电管的伏安特性图3b充气光电管的伏安特性 2 光电管的光照特性通常指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4图所示 曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性 光电流I与光通量成线性关系 曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性 它成非线性关系 光照特性曲线的斜率 光电流与入射光光通量之间比 称为光电管的灵敏度 图4光电管的光照特性 3 光电管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 它们有不同的极限频率 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极限频 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还会不同 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 第10章光电式传感器 10 2光电器件 2 光电倍增管 光照很弱时 光电管产生的电流很小 为提高灵敏度常常使用光电倍增管 如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件 光电倍增管是利用二次电子释放效应 在外接电场的作用下高速电子撞击固体表面 发出二次电子 将光电流在管内进行放大 第10章光电式传感器 10 2光电器件 2 光电倍增管 第10章光电式传感器 光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极 10个左右 在阳极和阴极之间加有几百 上千伏的高压 每个倍增极间有100 200V高压 电流增益在105数量极 倍增极外加电压Ud与增益G的关系近似为 式中 K 常数N 光电倍增管倍增极数 10 2光电器件 2 光电倍增管 第10章光电式传感器 上式可见 外加电压Ud的变化引起光电倍增管增益的变化 因此对供给光电倍增管的工作电源电压要求较高 必须有极好的稳定性 10 2光电器件 2 光电倍增管 增益变化为 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倍增管的阴极灵敏度 而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度 光电倍增管的最大灵敏度可达10A lm 极间电压越高 灵敏度越高 但极间电压也不能太高 太高反而会使阳极电流不稳 另外 由于光电倍增管的灵敏度很高 所以不能受强光照射 否则将会损坏 光电倍增管的光谱特性光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系 对于较好的管子 在很宽的光通量范围之内 这个关系是线性的 即入射光通量小于lm时 有较好的线性关系 光通量大 开始出现非线性 如图6所示 光电倍增管的光照特性 第10章光电式传感器 10 2光电器件 3 光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应 其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质 两端有梳状金属电极 然后在半导体上覆盖一层漆膜 光敏电阻结构及符号 其优点是灵敏度高 光谱响应范围宽 体积小 重量轻 机械强度高 耐冲击 耐振动 抗过载能力强和寿命长等 不足有需要外部电源 有电流时会发热 第10章光电式传感器 10 2光电器件 3 光敏电阻 第10章光电式传感器 光敏电阻主要参数 暗电阻 无光照时的电阻 暗电流 无光照时的电流 亮电阻 亮电流 受光照时的阻值 电流 光电流 亮电流与暗电流之差称光电流 10 2光电器件 3 光敏电阻 光敏电阻要求 暗电阻要大 暗电流要小 亮电阻要小 光电流要大 第10章光电式传感器 伏安特性 在一定照度下 光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系 给定偏压光照越大光电流越大 给定光照度电压越大光电流越大 光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲 无饱和 但受最大功耗限制 10 2光电器件 3 光敏电阻 基本特性 光敏电阻伏安特性 第10章光电式传感器 光照特性 光电流与光强的关系无光照时 内部电子被原子束缚 具有很高的电阻值 有光照时 电阻值随光强增加而降低 光电流增大 光照停止时 自由电子与空穴复合 电阻恢复原值 10 2光电器件 3 光敏电阻 基本特性 第10章光电式传感器 光谱特性光敏电阻灵敏度与入射波长有关 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关 10 2光电器件 3 光敏电阻 基本特性 第10章光电式传感器 10 2光电器件 3 光敏电阻 基本特性 光敏电阻的光谱特性 第10章光电式传感器 10 2光电器件 3 光敏电阻 基本特性 温度特性温度变化影响光敏电阻的灵敏度 暗电流和光谱响应 硫化铅光敏电阻温度特性 第10章光电式传感器 10 2光电器件 4 光敏二极管和光敏三极管 光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应 特点 响应速度快 频率响应好 灵敏度高 可靠性高 广泛应用于可见光和远红外探测 以及自动控制 自动报警 自动计数等领域和装置 第10章光电式传感器 10 2光电器件 4 光敏二极管和光敏三极 光敏二极管 光敏二极管结构与一般二极管相似 它们都有一个P N结 并且都是单向导电的非线性元件 为了提高转换效率大面积受光 PN结面积比一般二极管大 硅光敏二极管结构 第10章光电式传感器 工作原理 光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态 无光照时 反向电阻很大 反向电流很小 有光照时 PN结处产生光生电子空穴对 在电场作用下形成光电流 光照越强光电流越大 光电流方向与反向电流一致 10 2光电器件 4 光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管基本电路 第10章光电式传感器 与普通晶体管不同的是 光敏晶体管是将基极 集电极结作为光敏二极管 集电结做受光结 另外发射极的尺寸做的很大 以扩大光照面积 大多数光敏晶体管的基极无引线 集电结加反偏 玻璃封装上有个小孔 让光照射到基区 10 2光电器件 4 光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管 光敏晶极管结构 第10章光电式传感器 硅 Si 光敏晶体极管一般都是NPN结构 光照射在集电结的基区 产生电子 空穴 光生电子被拉向集电极 基区留下正电荷 空穴 使基极与发射极之间的电压升高 这样 发射极便有大量电子经基极流向集电极 形成三极管输出电流 使晶体管具有电流增益 在负载电阻RL上的输出电压为 10 2光电器件 4 光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管 晶体管电流放大系数 第10章光电式传感器 光敏晶体管的光谱特性硅材料的光敏管峰值波长在0 9 m附近 可见光 灵敏度最大 可见光或探测赤热状物体时一般都用硅管锗管的峰值波长约为1 5 m 红外光 对红外进行探测时用锗管较适宜 10 2光电器件 4 光敏二极管和光敏三极管特性 光敏晶体管光谱特性 第10章光电式传感器 光谱特性硅光敏二极管 当入射波长 900nm时 响应下降 因波长长 光子能量小于禁带宽度 不产生电子 空穴对 当入射波长 900nm时 响应也逐渐下降 波长短的光穿透深度小 使光电流减小 10 2光电器件 4 光敏二极管和光敏三极管 第10章光电式传感器 光敏二极管伏 安特性 伏安特性光敏二极管 当反向偏压较低时 光电流随电压变化比较敏感 随反向偏压的加大 光生电流趋于饱和 这时光生电流与所加偏压几乎无关 只取决于光照强度 10 2光电器件 4 光敏二极管和光敏三极管 第10章光电式传感器 光敏晶体管具有放大作用 伏安特性曲线如图所示 10 2光电器件 4 光敏二极管和光敏三极管 第10章光电式传感器 温度特性由于反向饱和电流与温度密切有关 因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感 10 2光电器件 4 光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管暗电流与温度关系 第10章光电式传感器 频率响应 光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系 光敏管的频响与本身的物理结构 工作状态 负载以及入射光波长等因素有关 图光敏二极管频率响应曲线说明调制频率高于1000Hz时 硅光敏晶体管灵敏度急剧下降 光敏二极管频率响应曲线 10 2光电器件 4 光敏二极管和光敏三极管 第10章光电式传感器 光电池工作原理也是基于光生伏特效应 可以直接将光能转换成电能的器件 有光线作用时就是电源 广泛用于宇航电源 另一类用于检测和自动控制等 光电池种类很多 有硒光电池 锗光电池 硅光电池 砷化镓 氧化铜等等 10 2光电器件 5 光电池 有源器件 光电池符号 第10章光电式传感器 10 2光电器件 5 光电池 有源器件 第10章光电式传感器 结构 光电池实质是一个大面积PN结 上电极为栅状受光电极 下电极是一层衬底铝 原理 当光照射PN结的一个面时 电子 空穴对迅速扩散 在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势 一般可产生0 2V 0 6V电压50mA电流 10 2光电器件 5 光电池 有源器件 第10章光电式传感器 光照特性开路电压 光生电动势与照度之间关系称开路电压曲线 开路电压与光照度关系是非线性关系 在照度2000lx下趋于饱和 短路电流 短路电流与照度之间关系称短路电流曲线曲线 短路电流是指外接负载RL相对内阻很小时的光电流 10 2光电器件 5 光电池 有源器件 第10章光电式传感器 光电池作为测量元件使用时 一般不做电压源使用 而作为电流源的形式应用 10 2光电器件 5 光电池 有源器件 第10章光电式传感器 光谱特性光电池对不同波长的光灵敏度不同 硅光电池的光谱响应峰值在0 8 m附近 波长范围0 4 1 2 m 硅光电池可在很宽的波长范围内应用 硒光电池光谱响应峰值在0 5 m附近 波长范围0 38 0 75 m 10 2光电器件 5 光电池 有源器件 第10章光电式传感器 频率特性频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系 硅 硒光电池的频率特性不同 硅光电池频率响应较好硒光电池较差 所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件 10 2光电器件 5 光电池 有源器件 硅 硒光电池的频率特性 第10章光电式传感器 10 2光电器件 5 光电池 有源器件 温度特性指开路电压和短路电流随温度变化的关系 光电检测方法具有精度高 反应快 非接触等优点 传感器的结构简单 形式灵活多样 体积小 近年来 随着光电技术的发展 光电传感器已成为系列产品 其品种及产量日益增加 在各种轻工自动机上获得广泛的应用 第10章光电式传感器 10 3光电传感器的应用 第10章光电式传感器 10 3光电传感器的应用 1 测量物体 第10章光电式传