《光电型传感器》PPT课件.ppt

第六章光电型传感器 第一节外光电效应第二节光电管特性第三节光电倍增管第四节光敏电阻第五节光敏二极管 光敏三极管 光敏晶闸管第六节光电型传感器应用第七节光电型传感器综合训练 光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器 用这种传感器测量其它非电量 如转速 浊度 时 只要将这些非电量转换为光信号的变化即可 测量方法具有 结构简单 精度高 反应快 非接触等优点 对光的认识 最早是有争议的 牛顿论文之中提出 光的本质是微粒的 光是由许多球形微粒组成 微粒以高速作直线运动 当时的争议 法国的笛卡尔假说 微粒说 但不以实验为根据 而是假说 英国胡克和荷兰的惠更斯 波动说 宇宙间的物体内存在着一种看不见 摸不着的 以太 物质 把光与声音类比 认为光是一种机械波 发光体在 以太 不存在 中激起不同深度和大小的颤动 依靠 以太 传播 牛顿偏向微粒 但他认为实验不充分 一直在做实验 牛顿环现象是光具有波动性的最好证明 一直到20世纪初 科学家已肯定光的波粒二象性 第一节外光电效应 光的波粒二象性 光具有波动性和离子性的两重性质 是一种电磁波 光是由一定能量的粒子 光子 所形成 每个光子具有的能量h 正比于光的频率 h为普朗克常数 用光照射某一物体 可以看作物体受到一连串能量为h 的光子所轰击 组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称光电效应 光电效应分为三类 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称外光电效应 例如 光电管 光电倍增管 在光电作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应 例如 光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管和光敏晶闸管 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 例如 光电池 一 光电管 光电管结构如图6 1所示 金属阳极封装在一个玻璃壳内 当入射光照射在阴极上时 光子的能量传递给阴极表面的电子 当电子获得的能量足够大时 就有可能克服金属表面对电子的束缚 称逸出功 而逸出金属表面形成电子发射 电子逸出金属表面的初速度 由能量守恒定律得出 m h A爱因斯坦光电方程 它揭示了光电效应之本质 根据光子假设 入射光的强度S的表达式 S Nh 其中 N 单位时间内通过单位垂直面积的频率 的单色光的光电子数 由光电效应方程式可得出 照射在物体上的光线 入射光 通常不是单色光 而是含有多种频率的光 光电子逸出物体表面时具有出速度 当入射光频率 大于该金属极限频率 红限 时 光强度再弱也能发射电子 当入射光频率 小于 时 光强度再大也不能发射电子 二 光电管工作原理 由于逸出功与材料的性质有关 当材料选定后 要使金属表面有电子逸出 入射光的频率 有一最低的限度 当h 小于A时 即使光通量很大 也不可能有电子逸出 这个最低限度的频率称为红限 当h 大于A时光通量越大 逸出的电子数目也越多 光电流I就越大 光电管的阴极和阳极分别接电源的负极和正极 没有光照射时 因光电管光阴极不发射电子 电路不通 有光照射时 光电阴极发射的光电子 在阳极高电位作用下形成光电流 可以在电阻R上取出与光电流成正比的信号电压 让光 被测 照射在光电管的阴极上 可通过测量电路中光电流 或R上的电压 的大小 来测量光电阴极发射的光电子数量 由这个数量在找出被测光强的大小 如图6 2所示 第二节光电管特性 单色入射光的波长与绝对灵敏度的关系 如图6 3所示 光电阴极对光谱有选择性 保持光通量和阳极电压不变 阳极电流与光波长之间的关系 二 光电管伏安特性 当入射光的频谱及光通量一定时 阳极电流与阳极电压之间的关系称做伏安特性 如图6 4所示 当阳极电压较小时 只有一部分到达阳极 其余受光子在真空中运动时所形成的负电场作用 回到阴极 随阳极电压的增大 光电流也增大 当阴极发射电子全部到阳极时 阳极电流很稳定 达到饱和 三 光电管光电特性 当阳极电压一定时 阳极电流I与入射在光电阴极上的光通量 之间的关系 在阳极电压足够大时 使光电管工作在饱和电流条件下 光电管正常的光电特性是条直线 如图6 5所示 用金属做阴极基底的光电管的光电特性线性度好 对于玻璃壳上覆盖锑铯阴极的光电管 当入射光太大时 会出现非线性 第三节光电倍增管 当用光电管测量很微弱的入射光时 产生的光电流很小 小于几微安 不易检测 误差很大 在光电管的阴极与阳极之间安装若干个倍增极D1 D2 D3 构成光电倍增管 光电倍增管具有放大光电流的作用 灵敏度非常高 信噪比大 线性好 多用于微光测量 如图6 6所示 从图6 6可看出 光电倍增管也有一个阴极K 一个阳极A 与光电管不同的是 在它的阴极和阳极之间设置许多次发射电极D1 D2 D3 它们又称为第一倍增极 第二倍增极 相邻的电极间通常加上100伏左右的电压 其电位逐级升高 阴极电位最低 阳极电位最高 两者之差一般在 600 1200 V左右 一 光电倍增管工作原理 当微光照射阴极K时 从阴极K上逸出的光电子被第一倍增极D1所加速 以高速轰击D1 入射光电子的能量传递给D1表面的电子 使它们由D1表面逸出 这些电子称为二次电子 一个入射光电子可以产生多个二次电子 D1发射出来的二次电子被D1 D2间的电场加速 射向D2 并再次产生二次电子发射 得到更多的二次电子 这样逐级前进 一直到最后到达阳极A为止 若每级的二次电子发射倍增率为 共有n级 通常可达9 11级 则光电倍增阳极得到的光电流比普通光电管大 n倍 因此 光电倍增管灵敏度极高 二 光电倍增管伏安特性 光电倍增管的伏安特性也叫阳极特性 是指阳极与各倍增极之间电压保持恒定的条件下 阳极电流 光电流 IA与最后倍增极和阳极电压UAD的关系 典型光电倍增管伏安特性如图6 7所示 它是不同光通量下的一组曲线族 象光电管一样 光电倍增管的伏安特性曲线也有饱和区 照射在光电阴极上的光通量越大 饱和阳极电压越大 当阳极电压非常大时 由于阳极电位A过高 使倒数第二级倍增极发出的电子直接奔向阳极 造成最后一级倍增极的入射电子数减少 影响了光电倍增管的倍增系数 因此 伏安特性曲线过饱和区段后略有下降 三 光电倍增管光电特性 光电倍增管光电特性是指阳极电流 光电流 IA与光电阴极接收到的光通量之间的关系 典型光电倍增管的光电特性如图6 8所示 图中光通量 在10 4 10 13流明之间 光电特性曲线偏离线性不超过3 当光通量超过10 4流明后 曲线就明显下降了 其主要原因是强光照射下 较大的光电流使后几级倍增极疲劳 灵敏度下降 因此 使用时光电流不要超过1mA 四 光电倍增管的倍增系数与工作电压的关系 若倍增极的二次电子发射系数为 则具有n个同样倍增极的光电倍增管的倍增系数应该为 n 实际上 各倍增极的二次电子发射系数不完全相同 再加上一次电子的散射现象 光电倍增管的倍增系数M C n 其中C为收集系数 它反映倍增极收集电子的效率 对一个有11倍增极的光电倍增管 它的倍增系数M大约为106 百万 数量级 故光电倍增管的灵敏度极高 例如 光电管测量0 1流明光通量时 产生的光电流仅为5微安 而光电倍增管在测量0 0001流明光通量时 所产生的光电流竟达1000微安 光电倍增管的工作电压是指收集阳极A与光电阴极K之间的电压 光电倍增管倍增系数与工作电压的关系是光电倍增管的重要特性 图6 9是典型的光电倍增管倍增系数与工作电压的关系曲线 说明随着工作电压的增加 倍增系数M也增加 第四节光敏电阻 物体受光照射后 其内部的原子释放出电子 这些电子仍留在物体内部 使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应 一 光敏电阻结构原理 结构 在半导体光敏材料两端装上电极引线 将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻 为了增加灵敏度 两电极常做成梳状 如图6 10所示 原理 当光敏电阻受到光照时 若光子能量h 大于该半导体材料的禁带宽度 则价带中的电子吸收一个光子能量后跃迁到导带 就产生一个电子 空穴对 使电阻率变小 光照愈强 阻值愈低 入射光消失 电子 空穴对逐渐复合 电阻也逐渐恢复原值 当无光照射时 由于光敏电阻的阻值太大使电路中电流很小 当有适当波长范围内的光线照射时 因阻值变小 电路中电流也就增加 根据电流表测出的电流值的变化 即可推算出照射光强的大小 二 光敏电阻的暗 亮电阻 暗电阻 1 100兆 置于室温 全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻 此时 流过电阻的电流称为暗电流 亮电阻 4兆 置于室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻 此时 流过电阻的电流称为亮电流 三 光敏电阻的光电特性 在光敏电阻两极间电压固定不变时 光照度与 光 亮电流间的关系 非线性 如图6 11所示 四 光敏电阻的伏安特性 光敏电阻两端所加电压和流过光敏电阻的电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性 如图6 12所示 从图中可知 伏安特性近似直线 但使用时应限制光敏电阻两端的电压 以免超过虚线所示的功耗区 第五节光敏二极管 光敏三极管 光敏晶闸管 光敏二极管 光敏三极管 光敏晶闸管统称为光敏晶体管 他们的工作原理是基于内光电效应 光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高 但频率特性较差 而光敏晶闸管主要用于光控开关电路 一 光敏二极管结构及工作原理 光敏二极管结构与一般二极管不同之处在于它的PN结装在透明管壳的顶部 可以直接受到光的照射 图6 13 a 是其结构示意图 它在电路中处于反向偏置状态 如图6 13 b 所示 在没有光照射时 由于二极管反向偏置 所以反向电流很小 这时的电流称为暗电流 当光照射在二极管的PN结 又称耗尽层 上时 在PN结附近产生电子 空穴对 并在外电场的作用下 漂移越过PN结 产生光电流 入射光的照度增强 光产生的电子 空穴对数量也随之增加 光电流也相应增大 光电流与光照度成正比 现已有一种雪崩式光敏二极管 APD 由于APD利用了二极管PN结的雪崩效应 工作电压达100V左右 所以 灵敏度极高 响应速度极快 可达数百兆赫 可用于光纤通信及微光测量 二 光敏三极管结构及工作原理 光敏三极管有两个PN结 从而可以获得电流增益 它的结构 等效电路 图形符号及应用电路如图6 14所示 光线通过透明窗口落在集电结上 当电路按6 14 d 连接时 集电结反偏 发射结正偏 与光敏二极管相似 入射光子在集电结附近产生电子 空穴对 电子受集电结电场的吸引流向集电区 基区中留下的空穴构成 纯正电荷 使基区电压提高 致使电子从发射区流向基区 由于基区很薄 所以 只有一小部分从发射区来的电子与基区的空穴结合 而大部分电子穿过基区流向集电区 这一段过程与普通三极管的电流放大作用相似 集电极电流Ic是原始光电流的 倍 因此 光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高许多倍 有时 生产厂家还将光敏三极管与另一只普通三极管制作在同一个管壳里 连接成复合管型式 如图6 14 e 所示 称为达林顿型光敏三极管 它的灵敏度更大 1 2 但是 达林顿光敏三极管的漏电 暗电流 较大 频响较差 温漂也较大 三 光敏晶闸管的结构及工作原理 光敏晶闸管 LCR 也称为光控晶闸管 如图6 15所示 它有三个引出电极 即阳极A 阴极K和控制极G 有三个PN结 即J1 J2 J3 与普通晶闸管不同的是 光敏晶闸管的顶部有一个玻璃透镜 它能把光线集中照射到J2上 图6 15 b 是它的典型应用电路 光敏晶闸管的阳极接正极 阴极接负极 控制极通过电阻RG与阴极相连接 这时 J1 J3正偏 J2反偏 晶闸管处于正向阻断状态 当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到J2上时 在光能激发下 J2附近产生大量电子 空穴对 它们在外电压作用下 穿过J2阻挡层 产生控制极电流 从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态 为光敏晶闸管的灵敏度调节电阻 调节的大小可使光敏晶闸管在设定的照度下导通 光敏晶闸管的特点是 导通电流比光敏三极管大得多 工作电压有的可达数百伏 因此 出功率大 在工业自动检测控制和日常生活中将得到越来越广泛的应用 第六节光电型传感器应用 一 光电倍增光在闪烁计数器中的应用 闪烁计数器是一种通用的精密核辐射探测器 核辐射源辐射的粒子能量被烁体 荧光体 吸收转换为闪光 光子 闪光传输到倍增管的光阴极转换为光电子 经倍增放大后输出电脉冲信号至记录设备中 图6 16为闪烁计数器原理图 只要探测出脉冲信号的数目及幅度 便可以测出射线的强弱与能量的大小 二 光电控制 如图6 17所示 是一个路灯的自动控制电路 在无光照时 光敏二极管 反向 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 光敏管产生光电流IL 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 即白天灯灭 晚上灯亮 起到了自动控制的作用 三 光强控制 如图6 18所示 是一个由稳压管 光敏二极管和电桥组成的测量电路 无光照时 VA很大 FET导通 调整RW 使电桥平衡 即指针为0 有光照时 光敏管产生IL A点电位VA下降 R2上电流下降 VB减小 光照不同 IL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 四 太阳电池电源 一般太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵 蓄电池组 调节控制器和阻塞二极管组成 如图6 19所示 如果还需要向交流负载供电 则可加一个直流 交流变换器 其中 太阳电池方阵是按输出功率和电压的要求 选用若干片性能相近的单体光电池 经串联 并联连接后封装成一个可以单独作电源使用的太阳电池组件 有光照射时 太阳电池方阵发电并对负载供电 同时 也对蓄电池组充电 以存储能量 供无太阳光照射时使用 无光照时 蓄电池组给负载供电 阻塞二极管反偏防止给光电池供电 即二极管逆流造成浪费 放电 调节控制器是将太阳电池方阵 蓄电池组和负载连接起来 实现充 放电自动控制的中间控制器 当蓄电池电压低于下限值时 能自动切断输出电路 因此 调节控制器不仅能使蓄电池供电电压保持在一定范围 而且 能防止蓄电池因充电电压过高或过低而损伤 逆变器是将直流电转换为交流电的装置 五 脉冲编码器 图6 20是脉冲编码器的工作原理示意图 其中 图6 20 a 是电原理图 而图6 20 b 是光栅转盘的结构图 Vi为24V电源电压 VO为输出电压 N为光栅转盘上总的光栅辐条数 R1和R2为限流电阻器 A和B分别是发光二极管的发射端和接收端 当转轴受外部因素的影响而以某一转速n转动时 光栅转盘也随着以同样的速度转动 所以 在转轴转动一圈的时间内 接收端将接收到N个光信号 从而在其输出端输出N个电脉冲信号 由此可知 脉冲编码器输出的电信号VO的频率f是由转轴的转速n确定的 所以 f nN上式决定了脉冲编码器输出信号的频率f与转轴的转速之间的关系 六 光电转速传感器 图6 21是光电数字转速表的工作原理图 图6 21 a 是透光式 在待测转速轴上固定一带孔的调置盘 在调置盘一边由白灯产生恒定光 透过盘上小孔到达光敏二极管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 转速通过该脉冲频率测定 图6 21 b 是反光式 在待测转速的盘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信号 转换成电脉冲信号 每分钟转速n与脉冲频率f的关系式为 n f N 60式中 N为孔数或者黑白条纹数目 频率可用一般的频率计测量 光电器件多采用光电池 光敏二极管和光敏三极管以提高寿命 减小体积 减小功耗和提高可靠性 光电转换电路如图6 22所示 T1为光敏三极管 当光线照射T1时 产生光电流 使R1上压降增大 导致晶体管T2导通 触发由晶体管T3和T4组成的射极耦合触发器 使UO为高电位 反之 VO为低电位 该脉冲信号V可送到计数电路计数 第七节光电型传感器综合训练 习题1 光敏电阻的工作原理 光敏电阻上可以加电压 也可以加电压 加上电压后 无光照射光敏电阻时 由于光敏电阻的 电路中只有的电流 称电流 有光照射光敏电阻时 其因 电路中电流也就 称电流 据