光电式传感器及其应用.ppt

按工作原理分类 光电效应传感器红外热释电传感器固体图像传感器光纤传感器 第5章光电式传感器及其应用 光电传感器 将光信号 红外 可见光及紫外光 转变成为电信号的器件 被测量的变化 光信号的变化 电信号的变化 对于不同波长的光有不同的光学传感器 光电效应 光照射某一物体 可以看作是一连串能量为E的光子轰击在这个物体上 此时光子能量就传递给电子 电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化 从而使受光照射的物体产生相应的电效应 称这种物理效应为光电效应 光子能量正比于光的频率 5 1光电效应和热释电效应 一 外光电效应 外光电效应 在光线作用下 物体内的电子获得光子的能量从而脱离正电荷的束缚 逸出物体表面向外发射的现象 条件 光子能量大于该物体的表面逸出功 基于外光电效应的光电器件 光电管 光电倍增管 光电摄像管等 光电效应方程 结论 1光电子能否产生 取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0 2逸出的光电子具有动能 3 一定时 产生的光电流和光强成正比 克服逸出功 转化为电子的动能 二 内光电效应当光照在物体上 使物体的电导率发生变化 或产生光生电动势的现象 当光照射在物体上 电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态而使物体的电导率发生变化的现象常见器件 光敏电阻 1 光电导效应 光 半导体 电子吸收能量 跃迁 电子 空穴对 阻值降低 导电性能增强 电导率增大 原理 Eg 2 光生伏特效应 原理 光生伏特效应 在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象 常见器件 光敏二极管 三极管 光电池等 光 PN结 电子 N 空穴 P 电动势 光线照射PN结时 设光子能量大于禁带宽度Eg 使价带中的电子跃迁到导带 产生电子空穴对 在阻挡层内电场的作用下 被光激发的电子移向N区外侧 被光激发的空穴移向P区外侧 从而使P区带正电 N区带负电 形成光电动势 三 热释电效应 红外检测 热释电效应 当一些晶体温度变化时 其原子排列将发生变化 晶体自然极化 在晶体两表面产生电荷的现象 包含光 热 热 电两个阶段的变换过程 热释电材料 热释电晶体 铌酸锂 钽酸锂 热释电陶瓷 钛酸钡 BaTiO3 锆钛酸铅 PZT 和热释电塑料 聚偏二氟乙烯 PVDF 等 应用 红外探测器 温度传感器 热成像器件等 5 2光电器件 光电传感器 一 光电管 结构 在真空玻璃管内装有光电阴极 逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃管内壁 和阳极 感光面对准光的照射孔 当光线照射到光敏材料 便有电子逸出 并被正电位的阳极吸引 在光电管内形成空间电子流 在外电路就产生电流 1 光电管结构和工作原理 原理 基于外光电效应 光 阴极 光电子 阳极 空间电子流 外接电阻 压降U f I 实现光电转换 特点 简单 灵敏度低 2 光电管的特性 光电管的伏安特性曲线 当入射光的频率和通量确定时 阳极电压与电流之间的关系称为伏安特性 阳极电压较低 阴极发射的电子部分到达阳极 其余受光电子在真空中运动时所形成的负电场作用 回到阴极 阳极电压增高 光电流随之增大 当阴极发射的电子能全部到达阳极时 阳极电流便很稳定 称为饱和状态 阳极电压较低 阴极发射的电子部分到达阳极 其余受光电子在真空中运动时所形成的负电场作用 回到阴极 真空光电管 2 光电管的特性 光电管的光照特性 光照特性 当光电管阳极与阴极间所加电压和入射光频谱一定时 阳极电流I与入射光在阴极上的光通量之间的关系 1 氧铯阴极2 锑铯阴极 光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度 2 光电管的特性 光电管的光谱特性 同一光电管对于不同频率的光 具有不同的灵敏度 例 对GD 4型光电管 阴极采用锑铯材料 对可见光范围的入射光灵敏度比较高 适用于白光光源 被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 构成红外探测器 对紫外光源 常用锑铯阴极和镁镉阴极 2 光电管的特性 光电管的频率响应 光电管在从光子射入阴极到在阳极上获得光电子的时间间隔仅有几纳秒 但由于电极间的分布电容和负载电阻构成RC回路关系 使光电管工作响应时间延长至10 4量级 在使用时 可以通过降低负载电阻和减少分布电容方法 提高频率响应 二 光电倍增管 原理 利用二次电子释放效应 将光电流在管内部进行放大 二次电子释放效应 高速电子撞击固体表面 再发射出二次电子的现象 1 结构与原理 光电管缺点 灵敏度较低改进 光电倍增管 设第一倍增极有 个二次电子发出 经过n次加速和轰击加速后 产生的电子数为 n 称为二次电子发射比 几种常见光电倍增管的结构 几种常见的光电倍增管结构 几种光电倍增管的外形 2 光电倍增管的基本特性 光电特性 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关系 在入射光通最小于10 4lm时 有较好的线性关系 当光通量再增大时 呈现非线性特性 三 光敏电阻 1 光敏电阻的结构及原理 光敏电阻的电极构造与封装 光敏电阻的结构如图 由一块两边带有金属电极的均质光电半导体组成 光敏电阻工作过程 原理 基于光电导效应 无光照 光敏电阻阻值很大 有光照 光子能量大于材料禁带宽度 价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带 激发出电子 空穴对 使电阻降低 光线愈强 激发出的电子 空穴对越多 电阻值越低 光照停止 自由电子与空穴复合 导电性能下降 电阻恢复原值 2 光敏电阻的特性及特点 光敏电阻对光敏感 当改变光照强度时 电阻的大小也随着改变 一般会随着光照强度的增大而电阻值减小 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻 此时流过的电流称为暗电流 亮电阻光敏电阻在光照射时的电阻称亮电阻 此时流过的电流称亮电流 光敏电阻的暗电阻越大 而亮电阻越小则性能越好 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流 暗电流越小 光电流越大 光敏电阻的灵敏度越高 暗电阻一般超过1M 甚至高达100M 亮电阻则在几k 以下 暗电阻与亮电阻之比在102 106之间 灵敏度很高 4 光照特性光敏电阻的光电流与光强之间的关系 称为光敏电阻的光照特性 不同类型的光敏电阻 光照特性不同 光敏电阻的光照特性 多数是非线性的 不宜做线性测量元件 一般用做开关式的光电转换器 5 光谱特性光敏电阻对不同波长的光 光谱灵敏度不同 而且不同种类光敏电阻峰值波长也不同 光敏电阻的光谱灵敏度 不同材料 其峰值波长不同 同一种材料 对不同波长的入射光 其相对灵敏度不同 响应电流不同 应根据光源的性质 选择合适的光电元件 匹配 使光电元件得到较高得相对灵敏度 6 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 称为伏安特性 光敏电阻的伏安特性 一定光照 R一定 I正比于U 一定电压 I随着光照E增强而增大 E R I 7 响应时间和频率特性 当光敏电阻受到脉冲光作用时 光电流需要经历一段时间才上升到最大值 这种响应时间用时间常数来表示 多数光敏电阻时间常数在10 2 10 6s数量级 响应时间长短与照度有关 不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数及频率特性1 硫化铅2 硫化铊 相对灵敏度随光照频率的变化 8 温度特性 温度变化影响暗电阻和灵敏度 也影响光敏电阻的光谱响应 温度升高 暗阻和灵敏度都下降 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线的峰值随着温度上升向波长短的方向移动 常用材料光敏电阻的典型参数 常见光敏电阻 四 光电二极管和光电三极管 1 光电二极管和光电三极管的结构及原理 光电二极管 利用PN结单向导电性的结型光电器件 结构与一般二极管类似 PN结安装在管的顶部 便于接受光照 外壳上面有一透镜制成的窗口以使光线集中在敏感面上 为了获得尽可能大的光生电流 PN结的面积比一般二极管要大 为了光电转换效率高 PN结的深度较一般二极管浅 光电二极管大多数情况下工作在反向偏压状态 当光照射时 光敏二极管处于导通状态 当光不照射时 光敏二极管处于截止状态 光电三极管 当光照射到PN结附近 使PN结附近产生光生电子 空穴对 它们在pn结处的内电场作用下 作定向运动形成光电流 因此 pn结的反向电流大大增加 由于光照射发射结产生的光电流相当于三极管的基极电流 因此 集电极电流是光电流的 倍 所以光电三极管比光电二极管具有更高的灵敏度 2 光敏管的特性 1 光谱特性光电三极管的光谱特性曲线与光电二极管的相似 由图可见 当入射光的波长增加时 相对灵敏度要下降 这是因为光子的能量h 太小 不足以激发出电子 空穴对 当入射光波长太短时相对灵敏度也下降 这是因为光子在半导体表面附近激发的电子 空穴在半导体表面附近便被吸收 不能达到PN结 材料不同 峰值波长也不同 应根据光谱特性来确定光源和光电器件的最佳匹配 2 伏安特性 硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲线 a 图为硅光敏二极管 b 图为硅光敏三极管 光敏三极管的光电流比相同管型的光敏二极管的光电流大上百倍 在零偏压时 二极管仍有光电流输出 三极管则没有 3 光照特性光照特性反映集电极输出电流IC和照度EC之间的关系 三极管的光照特性曲线线性不太好 在大电流时有饱和现象 光电二极管在反向偏压的作用下 光照特性曲线有良好的线性 硅光敏管的光照特性 a 硅光敏二极管 b 硅光敏三极管 4 温度特性温度对光电管暗电流和光电流的影响 如图所示 从图可见 温度变化对光电流的影响很小 而对暗电流影响很大 5 频率响应 特性 和时间常数光电管的频率响应是指一定频率的调制光照射时 光电管输出的光电流 或负载上的电压 随频率的变化关系 光电管的频率响应与其物理结构 工作状态 负载以及入射光波长等因素有关 硅光电三极管的频率响应曲线 光电管的时间常数 在10 10 10 4s之间 硅管时间常数较小 响应频率高 有些特殊用途的光电管 如硅PIN光电二极管其响应频率高达几百兆赫兹 暗电流小到1nA 硅PIN管光电二极管 特点 频带宽 可达10GHz 在反偏压下运用可承受较高的反向电压 线性输出范围宽 不足 I层电阻很大 输出电流小 一般多为零点几微安至数微安 硅PIN光电二极管 硅光电二极管 几种硅 锗 光电三极管的特性参数 五 光电池 1 光电池的结构及原理 原理 基于光生伏特效应 光电池有较大面积的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区之间出现光生电动势 光电池可把太阳能直接变电能 又称为太阳能电池 是发电式有源元件 种类 硒光电池 氧化亚铜光电池 锗光电池 硅光电池 砷化镓光电池等 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 常用于分析仪器 测量仪表 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 2 光电池特性 硒光电池适用于可见光 常用于分析仪器 测量仪表 如用照度计测定光的强度 硅光电池的光谱峰值在800nm附近 硒的在540nm附近 1 光谱特性 2 光照特性 不同光照射下有不同光电流和光生电动势 短路电流 2 在很大范围内与光强成线性关系 开路电压 1 与光强是非线性的 且在2000lx时趋于饱和 光电池作为测量元件时 应把它作为电流源的形式来使用 不宜用作电压源 且负载电阻越小越好 硅光电池光照特性与负载的关系 光电池负载越小 光电流与照度之间的线性关系越好 而且线性范围越宽 负载在100以下 线性还是比较好的 负载电阻太大 则线性变坏 3 频率特性 光电池的频率特性是指输出电流随调制光频率变化的关系 反映光的交变频率和光电池输出电流的关系 硅光电池有很高的频率响应 可用于高速记数 有声电影等方面 4 温度特性 主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况 开路电压随温度升高而下降的速度较快 短路电流随温度升高而变化缓慢 因此作测量元件时应考虑进行温补 几种硅光电池的性能参数 光电池外形 3 应用 太阳能电池 卫星 灯塔 高空侦察气球 几万米 六 其他光电器件 光电耦合器 发光和接收元件都封装在一个外壳内 它以光为媒介 实现输入电信号耦合到输出端 应用 电路中的强弱电隔离 强弱电隔离 输入输出之间绝缘电阻很高 耐压达2000V以上 能避免输出端对输入端的干扰 对系统内部噪声有很强的抑制作用 发光二极管为电流驱动元件 动态电阻很小 对系统内部的噪声有旁路作用 滤除噪声 特点 光电开关 光电开关在制造业自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置 可实现限位控制 产品计数 料位检测 越限安全报警及计算机输入接口等用途 透射式反射式 光电开关与光电耦合器件比较 光电开关和光电耦合器都是由发光端和受光端组成的组合件 区别 光电开关不封闭 发光端与受光端之间可以插入调制板 光电耦合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透光的管壳内 应用 光电开关多用于光电计数 报警 安全保护 非接触开关 及各种光电控制等方面 光电耦合器多用于抗干扰电路 电平转换 长线传输 过流保护及高压控制等方面 光电开关与光电耦合器共同点 热释电传感器 利用热释电效应来检测受光面的温度升高值 得知光的辐射强度 在红外检测中得到广泛的应用 可用于能产生红外辐射的人体检测 如防盗门 宾馆大厅自动门 自动灯的控制等 热释电感应灯 热释电传感器 光电角度编码器 用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件 1 光源 2 透镜 3 码盘 4 狭缝 5 光电组件 绝对接触式编码器演示 4个光电元件 4位二进制码盘 最小分辨角度为 360 2n 5 3 光电传感器应用 按被测物与光电元件和光源之间的关系 光电式传感器的应用有以下四种 1 光源本身就是被测物 如 光电比色温度计 光照度计等 2 恒定光源发出的光通量透过被测物 由被测物吸收一部分后到达光电元件上 如 测液体透明度 烟尘浓度等 3 恒定光源发出的光通量经过被测物遮挡一部分后照射到光电元件上 如 测元件尺寸 运动状态等 4 恒定光源发出的光通量经被测物反射后到达光电元件上 如 测纸张白度 零件表面粗糙度 光电转速表等 应用实例 1 红外线辐射温度计 红外辐射温度计既可用于高温测量 又可用于冰点以下的温度测量 所以是辐射温度计的发展趋势 市售的红外辐射温度计的温度范围可以从 30 3000 中间分成若干个不同的规格 可根据需要选择适合的型号 食品温度测量 集成IC温度测量 光 机 电一体化的红外测温系统 8 14 m 2 反射式烟雾报警器 在没有烟雾时 由于红外对管相互垂直 烟雾室内又涂有黑色吸光材料 所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管 当烟雾进入烟雾室后 烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射 图中只画出几个微粒的反射示意 使部分红外光到达光敏三极管 有光电流输出 3 光电自动门 自动门光电传感器放大图 有效检测区域 5 热释电传感器在智能空调中的应用 智能空调能检测出屋内是否有人 微处理器据此自动调节空调的出风量 以达到节能的目的 空调中 热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状 从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人 以及人是静止着还是走动着 5 产品计数 6 光电数字式转速表光电转换电路 n 60 f z 1 光电效应有哪些 这些光电效应对应哪些光电元件 2 这些光电