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传感器与检测技术8模块八、光学量检测（上） 机、电类传感器与检测技术项目教程模块 八、光学量检测课件统一书号ISBN978-7-111-48817-0课程配套网站.sensor-measurement.或或.liangsen.xx年2月第1版（作者梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）本模块介绍“光学量”的基本概念、各种光电元件，例如紫外光电管、光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管、光电池，介绍各种光电元件的应用。 还介绍了光导纤维传感器及其应用。 内容简介今天是2018年99月11日星期六模块 八、光学量检测（上）目录进入知识链接光学量的基本概念项目 一、光电元件及应用电路（中、下）项目 二、光电传感器的应用（下）拓展阅读光导纤维传感器及应用現在時間是11:27进入进入知识链接光学量的基本概念图图8-1广义电磁波谱光学常用的度量表表8-1常用光度学的名称、符号、单位及说明名称符号单单位说说明辐射能Q焦耳，J发光体辐射出来的光能量辐射能通量(辐射功率)瓦，W发光体在单位时间内辐射出的总能量光通量流明，lm发光体每秒所发出的辐射功率经过人眼的视见函数影响后的等效辐射功率光强强I坎德拉，cd发光体在特定方向的单位立体角内所发射的光通量照度E勒克斯，lx发光体照射在被照物体单位面积上的光通量亮度L cd/m2发光体在视线方向单位投影面上的光强光学量名词解释（ （1）光通量光源在单位时间内向周围空间辐射出去的并使人眼产生光感的能量大小，用符号表示，单位为流明（lm），是人眼感受到的555nm光辐射功率。 在较明亮的环境中，人的视觉对波长为555nm左左右的绿色光最敏感。 由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。 对于人眼最敏感的555nm的绿光。 1W=683lm（绿色），而而1W的650nm光（红色）,人的感觉仅为73lm。 光通量（续）40W白炽灯发射的光通量为350lm；40W荧光灯发射的光通量为2000lm；单只高亮度LED的光通量与消耗的功率有关，常见范围为20100lm。 明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数光学量名词解释（续） （2）发光强度简称光强，表示发光强弱，用符号I表示，单位是坎德拉（cd）。 曾经使用过的单位有烛光、支光。 发光强度定义为频率为5401012Hz（即波长555nm）的单色光源每单位立体角（1个球面度）辐射能为1/683W时的光通量。 若光源发出的波长为为555nm单色辐射是均匀的，则发光体在某给定方向上的发光强度就等于发光体在该方向的立体角内传输的光通量除以该立体角所得的值，即I=/。 （22）发光强度（续）若点光源各向同性，且I=1cd时，=4I=12.56lm与力学的单位比较，“光通量”相当于“压力”，而“发光强度”相当于“压强”。 太阳的发光强度为31027cd；高亮度LED的发光强度为10cd；普通蜡烛的发光强度约为1cd。 晴天太阳1坎德拉（1cd）单色光源每单位立体角（1个球面度）辐射能为1/683W时的光通量。 曾经使用过的单位有烛光、支光。 1“烛光”发光强度（续）LED的发光强度分布示意图要使被照射点看起来更亮，不仅要提高光通量，而且要增大会聚的手段，实际上就是减少发光的立体角，就能得到更大的发光强度。 LED的的发光强度可以达到几十cd光学量名词解释（续）（ （3）照度描述物体被照亮的程度，用符号E表示，单位为勒克斯（lx），相当于1m2面积上受到1个lm光光通量的照射。 若受照面积为A，所接收的光通量为，则照度被定义为E=/A，1lx=1lm/m2。 倾斜照亮被照物时的照度变小。 光学量名词解释（续）照度平方反比定律点光源照射在物体上，物体的照度（均匀时）与从光源到物体的距离的平方成反比。 表88-2日常生活环境的照度环境照度/lx晴天中午室外1000080000阴天中午室外6000晴天中午室内窗口桌面20004000办公室约约150200晚上教室桌面约约15040W荧光灯正下方1.3m9040W白炽灯下1m30黄昏室内10满月时的地面0.2教室课桌的照度测量光学量名词解释（续）（ （4）亮度描述人对发光体或被照射物体表面的发光或反射光强度所感受到的明亮程度，用符号L表示，单位为坎德拉每平米（cd/m2），过去使用过的单位有尼特（nt）。 亮度是针对面光源而言的。 人眼能够感觉的亮度范围极宽，从千分之几cd/m2直到几百万cd/m2。 对人眼对380780纳米内不同波长的光具有不同的敏感程度，称为人眼的视敏特性。 人眼感觉到的红、绿、蓝三者亮度之和决定了物体的总亮度。 表88-3常见物体的亮度光源名称亮度/cdm-2红色激光笔窗口21010地球上看到的太阳2109超高压球状水银灯1109白炽灯钨丝1107乙炔火焰8104太阳照射下的洁净雪面或白纸3104阴天天空200040W荧光灯表面7000液晶电视屏幕4001000满月下的白纸0.07无月夜空0.0001直视红色激光将对眼睛造成损害太阳耀斑晴天天空的亮度乙炔火焰的亮度满月时的地面炽热的钨丝亮度光学量名词解释（续）光通量、发光强度、亮度、照度之间的关系项目一光电元件及应用电路【项目教学目标】?知识目标1）了解常用光电元件的基本特性。 2）了解光电池的短路电流测量电路。 ?技能目标1）掌握光敏晶体管应用电路的计算。 2）掌握光控电路的分析。 回目录現在時間是11:27光电效应用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为为hf的光子的轰击，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为光电效应。 1）在光线的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。 2）在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，也称为光电导效应。 基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管及光敏晶闸管等。 光电效应（续）3）在光线的作用下，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。 第一类光电元件属于玻璃真空管元件，第 二、三类属于半导体元件。 1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。 任务一紫外光电管的特性及应用电路图图8-2光电管及外光电效应a）光电管b）外光电效应示意图1阳极A2阴极K3石英玻璃外壳4抽气管蒂5阳极引脚6阴极引脚7金属表面8光子9光致发射电子任务一紫外光电管的特性及应用电路图图8-3光电管的图形符号及测量电路紫外光电管当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。 紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。 可见光较难引起光电子的发射。 火焰的辐射光中包含了较大比例的紫外光。 紫外线玻壳用石英材料制造，对紫外线透光率较好的任务二光敏电阻的特性及应用电路光敏电阻是基于内光电效应的光电元件，具有结构简单、价格低廉等特点。 但其线性度较差，温漂较大。 一、光敏电阻的的结构及工作原理材料金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。 半导体的导电能力取决于半导体载流子数目的多少。 当光敏电阻受到光照时,产生自由电子和空穴。 光照越强,阻值就越低。 入射光消失,电子-空穴对逐渐复合。 光敏电阻外形及结构当光敏电阻受到光照时，两个电极之间的阻值减小。 光敏电阻原理演示当光敏电阻受到光照时，光生电子-空穴对增加，阻值减小，电流增大。 无光照时的电流称为暗电流（温度升高，暗电流增大）光照产生的电流称为亮电流 二、光敏电阻的特性和参数（ （1）暗电阻置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，通常大于1M。 光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一大缺点。 （ （2）光电特性在光敏电阻两极电压固定不变时，照度与电阻及电流间的关系称为光电特性。 图图8-6光敏电阻特性 二、光敏电阻的特性和参数（续）（ （3）光谱特性对波长为500700nm的入射光有较大的响应。 （ （4）响应时间受光照后，光电流需要经过一段时间（上升响应时间）才能达到其稳定值。 光敏电阻的特性和参数（续）同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间（下降响应时间）才能恢复到其暗电流值。 上升响应时间和下降响应时间为30ms左右，不能用于要求快速响应的场合。 （ （5）工作温度通常为-30+70，大于工作温度上限时，温漂严重；小于工作温度下限时，灵敏度下降较多。 GL系列光敏电阻的特性参数 三、光敏电阻的测量电路光敏电阻R与负载电阻R L串联后，接到电源E i上。 当无光照时，光敏电阻R很大，I在在R L上的压降U o1很小。 随着照度增大，R减小，a图中的U o随之增大。 b图与图a图相反。 照度增大，U o2反而减小。 U o可以接到CMOS数字集成电路的输入端，在某一照度时，数字电路的输出电平翻转。 图图8-7光敏电阻的基本应用电路a）U o与照度变化趋势相同的电路b）U o与照度变化趋势相反的电路任务三光敏二极管的特性及应用电路 一、光敏二极管的结构及工作原理光敏二极管的工作原理是基于内光电效应。 PN结结被设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射。 在电路中必须处于反向偏置状态。 a）外形图b）封装结构c）管芯结构d）图形符号1负极引脚2管芯3外壳4玻璃聚光镜5正极引脚6N型衬底7SiO2保护圈8SiO2透明保护层9铝引出电极10P型扩散层11耗尽层12金丝引出线图图8-8光敏二极管部分光敏二极管特性参数.金属封装光敏二极管将光敏二极管的PN结结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。 透镜+-各种光敏二极管光敏二极管阵列包含1024个InGaAs元元件的线性光电二极管阵列，可用于分光光谱仪。 红外发射、接收对管红外发射管（调制器）红外接收管解调器解调后的波形 二、特殊光敏二极管（PIN二极管）PIN光敏二极管是在P区和N区之间插入一层较厚的I本征半导体层，从而使使PN结的间距加宽，结电容变小(几个pF)。 因此，PIN光敏二极管的频带较宽，可达GHz数量级。 PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）只需十几伏，光电转换效率较高，灵敏度比普通的光敏二极管高得多。 特殊结构的PIN二极管可用于测量紫外线、X射线或射线。 PIN光敏二极管的缺点是I层电阻较大，输出电流较小，一般多为微安数量级，没有倍增效应。 目前已将将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上，并封装于一个管壳内，用于光纤通信。 PIN二极管外形.PIN二极管的PN结与内部电场特殊光敏二极管（续APD二极管）APD光敏二极管(雪崩光敏二极管)是一种具有内部倍增放大作用管的光敏二极管,灵敏度比PIN大几百倍。 当有一个光子从外部射入到其PN结上时,将产生一个电子空穴对。 于由于PN结上施加了较高的工作电压(约约100V),接近于反向击穿电压，因此能将光子所产生的光电子加速到具有很高的动能,撞击其他原子,产生新的电子空穴对,如此多次碰撞,以致最终造成载流子按几何级数剧增的“雪崩”效应,形成对原始光电流的放大作用,增益可达几千倍,而雪崩产生和恢复所需的时间可小于10ns,适用于微光信号检测以及长距离光纤通信,可以取代“光电倍增管”。 APD光敏二极管的主要缺点噪声大。 若有用光电信号只有几个毫微瓦(nW),就会被噪声淹没。 APD光敏二极管的PN结、内部电场分布及电子倍增APD载流子雪崩式倍增示意图APD光敏二极管的外形及用途APD二极管适用于微光测量和光纤通信。 GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数参数单位GD3250-A GD3250-B GD3250-C光敏面直径mm0.20.50.8工作电压V100150100150150250暗电流nA152535响应度V/w606060上升时间ns134噪声等效功率Pw/Hz1/20.050.070.09结电容pF11.52使用温度范围-20+40-20+40-20+40封装形式TO型型光纤型TO型型TO型型InGaAs-PIN及InGaAs-APD近红外二极管特性材料InGaAs-PIN InGaAs-APD工作波长/m1.311.55量子效率/%7575响应度/AW-10.780.94暗电流/nA0.120工作带宽/GHz2.03.0附加电容/pF1.10.5典型应用622Mb/s2.5Gb/s 三、光敏二极管的特性（ （1）最高反向工作电压在无光照的条件下，反向漏电流不大于10A时所能承受的最高反向电压值。 （ （2）暗电流在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。 暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力就越强。 （ （3）光电流在受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流。 图图8-9光敏二极管的伏安特性 （4）伏安特性光敏二极管工作在第三象限，流过它的电流与照度成正比（曲线的间隔相等），正常使用时应施加1.5V以上的反向偏置电压为宜。 光敏二极管的特性（续）（ （5）光电特性光电流I与照度基本成线性关系。 图图8-10某系列光敏二极管的光电特性1光敏二极管光电特性2光敏晶体管光电特性光敏二极管的特性（续）（ （6）光谱特性不同材料的光敏二极管对不同波长入射光的灵敏度不同。 控制PN结的制造工艺，也能得到不同的光谱特性。 硅光敏元件的峰值波长为0.8m左右。 现在已分别制出对红外光、可见光直至蓝紫光敏感的光敏晶体管。 K r表示相对于峰值波长为100%时的相对灵敏度。 还可在光敏二极管的透光窗口上配以不同颜色的滤光玻璃，以达到光谱修正的目的，使光谱响应峰值波长根据需要而改变，据此可以制作色彩传感器。 图88-11光敏二极管的光谱特性1常规工艺硅光敏二极管的光谱特性2滤光玻璃引起的光谱特性紫偏移3滤光玻璃引起的光谱特性红偏移光敏二极管的特性（续）（ （7）结电容C tPN结在最高反偏电压时的电容。 结面积越小，结电容C t也越小，工作频率就越高。 （ （8）响应时间将光信号转化为电信号所需要的时间。 响应时间越短，光敏二极管的工作频率越高。 工业级硅光敏二极管的响应时间为10_710_5s左右。 被测光信号的调制频率较高时，应选用高速硅光敏二极管。 表表8-5几种光敏材料的光谱峰值波长材料名称GaAsP GaAsSi HgCdTeGe GaInAsPAlGaSb GaInAsInSb峰值波长/m0.60.650.8121.31.31.41.655.0光敏二极管的特性（续）图图8-12某型号光敏二极管的频率特性a）输入调制光脉冲b）光敏二极管脉冲响应（ （9）温度特性温度变化对亮电流影响不大，但对暗电流的影响非常大，并且是非线性的，将给微光测量带来误差。 四、光敏二极管的应用电路图图8-13光敏二极管的应用电路a）反偏电路b）反相驱动电路a图U oa=I DR Lb图U i2.5V时，U ob=4.9V光敏二极管的反向偏置接线（参考上页88-13a图）及光电特性演示在在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。 当光照增加时，光电流I与光照度成正比关系。 光敏二极管的反向偏置接法U O+光照任务四光敏晶体管的特性及应用电路 一、光敏晶体管的结构及工作原理光敏晶体管也称为光敏三极管，有两个PN结结。 有电流增益，灵敏度比光敏二极管高几十倍，漏电流也较大，恢复时间较长，约10s。 E C集电结发射结负极正极图图8-14NPN型光敏晶体管a）管芯结构b)结构简化图c）光敏晶体管外形d）光敏晶体管图形符号e）光敏达林顿晶体管图形符号1N+衬底2N型集电区3透光SiO2保护圈4集电结J C5P型基区6发射结JE7N型发射区光敏晶体管的外形多数只有C、E两个电极C EB CE 二、光敏晶体管的特性（ （1）光敏晶体管的伏安特性在给定的照度下光敏晶体管上的电压U CE与光电流（即集电极电流）I的关系。 图图8-15某系列NPN型光敏晶体管的伏安特性NPN型光敏晶体管的电流增益光敏晶体管的集电结反偏，发射结正偏，光照时有电流增益。 入射光子在集电结附近产生电子-空穴对，流集电极电流I C是原始光电流的倍。 光线集电结(反偏)I C=I B大大于于3V光敏晶体管的特性（续）（ （2）光电特性线性度不如光敏二极管好。 （ （3）峰值波长约为0.7m。 （ （4）响应时间比相应的二极管慢一个数量级，为微秒数量级。 （5）温度特性:温温度对“光电流”的影响小，对“暗电流”的影响大。 光敏二极管、光敏晶体管的光电特性比较0光照光电流3000lx4mA请分析光敏二极管、光敏晶体管的灵敏度曲线差异0.3mA请作图并计算当E=1000lx时，光敏二极管的光电流IIE I CE0部分3DU光敏三极管特性参数光敏达林顿管将光敏三极管与另一个普通三极管制作在同一个管芯里，连接成复合管型式，称为达林顿型光敏三极管。 它的灵敏度更高（=12），且允许输出较大的电流。 但是达林顿光敏三极管的漏电（暗电流）也较大，频响较差，温漂也较大。 光敏达林顿三极管图形符号达林顿型光耦合器输出电流可达50mA光敏晶闸管光敏晶闸管有三个引出电极，即阳极a、阴极k和和门极极g。 它的顶部有一个玻璃透镜，光敏晶闸管的阳极与负载串联后接电源正极，阴极接电源负极，门极可悬空。 当有一定照度的光信号通过玻璃窗口照射到正向阻断的PN结上时时,将将产生门极电流,从而使光敏晶闸管从阻断状态变为导通状态。 导通后,即使光照消失,光敏晶闸管仍维持导通。 使阳极与阴极的电压反向,或使负载电流小于其维持电流，晶闸管截止。 光敏晶闸管的特点是导通电流比光敏三极管大得多,工作电压可达近千伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。 光敏晶闸管用于光控路灯电路光敏面光照小于设定值时,VT1截止,VT2的门极电流I g2较大大,VT2导通,电灯HL亮亮。 减小R g,门极电流被旁路,灵敏度降低。 光敏晶闸管多用于弱电控制强电的光耦电路双向过零触发晶闸管光耦MOC30系列单片机控制灯光或交流继电器电路 三、光敏晶体管应用电路图图8-16光敏晶体管的两种测量电路a）射极输出电路b）集电极输出电路U o1=I CR E（8-5）U o2=V CC-I CR E（8-6）表88-66光敏晶体管的输出状态比较电路形式无光照时强光照时晶体管状态I CU o晶体管状态ICU o射极输出截止00（低电平）饱和(V CC-0.3V)/R LV CC-U CES（高电平）集电极输出截止0V CC（高电平）饱和(V CC-0.3V)/R LU CES（0.3V）（低电平）例例8-3光控继电器电路1）分析工作过程。 2）若V CC=12V，中间继电器KA的驱动线圈阻值R KA=100，求在强光照时，流过中间继电器KA的电流。 解解1）当无光照时，V1截止，I B=0，V2也截止，继电器KA处于失电（释放）状态。 当有强光照时，V1产生较大的光电流I，一部分流经经R B1及及V2的发射结。 当当I BI BES（I BES为集电极饱和电流，I BES=I CES/）时，V2饱和，产生较大的集电极饱和电流I CES，I CES=（V CC0.3V）/R KA，器因此继电器KA得电并吸合。 2）由于足够大，集电极电流与基极电流流I B基本无关，I CES(12-0.3)V/0.1k=117mA。 图图8-17任务五光电池的特性及应用电路 一、硅光电池的结构及工作原理光电池是一种能够直接把光能转换成电能的半导体器件。 它有一个大面积的PN结，正面有透明电极覆盖。 当当PN结受到光照时，在正反面产生“光生电压”和“光生电流”，这种现象称为光生伏特效应。 图图8-18硅光电池a）结构示意图b）图形符号c）等效电路光电池的结构及工作原理示意图四象限光电池光电池的材料硅、碲化镉、硫化镉、砷化镓、铜铟硒等光电池内部载流子的漂移示意图入射光线太阳能电池的种类气相沉积法制作的非晶硅，价廉，可卷挠光电池外形光敏面 二、硅光电池的基本特性（ （1）光电特性开路电压U o与照度的关系近似于对数关系,在2000lx照度以上就趋于饱和。 时当负载短路时,光电流在很大范围内与照度呈线性关系。 如果要得到较大的输出电压，必须将多块光电池串联起来。 图图8-19某系列硅光电池的光电特性对数特性1开路电压曲线2短路电流曲线光电池的光电特性演示0光照度请作图计算当E=1000lx时，光电池的电流I和电压U oc10000lx0.6V开路电压U ocE8mA5000lx短路电流I sc4mA0.55V结论？硅光电池的基本特性（续）（ （2）光谱特性:硅光电池的峰值波长为0.7m。 图图8-20硒（Se）、硅（Si