传感器11-12-4-光电式传感器

Sensor DetectingTechnology 主要内容4 1概述4 2外光电效应4 3内光电效应4 4阻挡层光电效应 第四章光电式传感器原理 光电传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的装置 使用它测量非电量时 首先将这些非电物理量的变化转换成光信号的变化 再由光电传感器将光信号的变化转变为电信号的变化 光电传感器具有结构简单 非接触 高可靠 高精度和反应速度快等特点 4 1概述 1 光谱光谱 spectrum 是复色光经过色散系统 如棱镜 光栅 分光后 被色散开的单色光按波长 或频率 大小而依次排列的图案 全称为光学频谱 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 4 1概述 2 光电器件 1 钨丝白炽灯用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通 一般白炽灯的辐射光谱是连续的发光范围 可见光 大量红外线和紫外线 任何光敏元件都能和它配合接收到光信号 特点 寿命短而且发热大 效率低 动态特性差 但对接收光敏元件的光谱特性要求不高 是可取之处 在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯 其体积较小 光效高 寿命也较长 4 1概述 2 气体放电灯定义 利用电流通过气体产生发光现象制成的灯 气体放电灯的光谱是不连续的 光谱与气体的种类及放电条件有关 改变气体的成分 阴极材料和放电电流大小 可得到主要在某一光谱范围的辐射 低压汞灯 氢灯 钠灯 氦灯是光谱仪器中常用的光源 统称为光谱灯 例如低压汞灯的辐射波长为254nm 钠灯的辐射波长为589nm 它们经常用作光电检测仪器的单色光源 气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1 2 1 3 4 1概述 3 发光二极管LED LightEmittingDiode 由半导体PN结构成 其工作电压低 响应速度快 寿命长 体积小 重量轻 因此获得了广泛的应用 4 1概述 4 激光器激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一 具有高方向性 高单色性和高亮度三个重要特性 激光波长从0 24 m到远红外整个光频波段范围 激光器种类繁多 按工作物质分类 固体激光器 如红宝石激光器 气体激光器 如氦 氖气体激光器 二氧化碳激光器 半导体激光器 如砷化镓激光器 液体激光器 4 1概述 主要内容4 1概述4 2外光电效应4 3内光电效应4 4阻挡层光电效应 第四章光电式传感器原理 光电效应光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子 称为光子 所构成 每个光子具有的能量正比于光的频率 用光照射某一物体时 就可以看作这物体受到一连串能量的光子所轰击 光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量 从而产生的电效应 光电传感器的工作原理基于光电效应 4 2外光电效应 外光电效应在光线的作用下 物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应 向外发射的电子叫做光电子 基于外光电效应的光电器件有光电管 光电倍增管等 4 2外光电效应 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 根据能量守恒定理 m 电子质量 v0 电子逸出速度 4 2外光电效应 h 普朗克常数 6 626 10 34J sf 光的频率 s 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 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光频阈值 称为红限频率或波长限 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 入射光频率高于红限频率 即使光线微弱 也会有光电子射出 4 2外光电效应 外光电效应器件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 1 光电管 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 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 4 2外光电效应 当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子 电子被带正电位的阳极所吸引 光电管内产生电子流 在外电路中产生电流 光电管的伏安特性 当光通量一定时 阳极电压与阳极电流的关系曲线 光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的区域内 光电管的伏安特性 4 2外光电效应 B 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 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 光电管的灵敏度 光通量的单位为 流明 4 2外光电效应 C 光电管的光谱特性光阴极对光谱有选择性 因此 光电管对光谱有选择性 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叫光电管的光谱特性 对于光电阴极材料不同的光电管 有不同的红限频率 因此它们可用于不同的光谱范围 即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率 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 对各种不同波长区域的光 应选用不同材料的光电阴极 4 2外光电效应 2 光电倍增管光电管缺点 入射光微弱时 光电管可产生的光电流很小 光电流被放大 但噪声同时被放大了 采用光电倍增管 光电倍增管由光电阴极 若干倍增极和阳极组成 4 2外光电效应 倍增极上涂有光敏材料 并且电位逐级升高阴极发射的光电子以高速射到倍增极上 引起二次电子发射最终电子被阳极接收 4 2外光电效应 主要参数倍增系数倍增系数M等于n个倍增极的二次电子发射系数 的乘积 若n个倍增电极的 都相同则M M与所加电压有关 4 2外光电效应 B 光电倍增管的光照特性光照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 与直线最大偏离是3 10 13 10 10 10 9 10 7 10 5 10 3 10 1 在45mA处饱和 10 14 10 10 10 6 10 2 光通量 1m 阳极电流 A 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10 4lm时 有较好的线性关系 光通量大 开始出现非线性 4 2外光电效应 主要内容4 1概述4 2外光电效应4 3内光电效应4 4阻挡层光电效应 第四章光电式传感器原理 内光电效应 在光线的作用下能使物体电阻率发生变化 常见的内光电效应器件有光敏电阻 光敏电阻光敏电阻是用光电导体制成的光电器件 又称光导管 常用的制作材料 硫化镉 另外还有硒 硫化铝 硫化铅 材料特性 在特定波长的光照射下 其阻值迅速减小 原因 由于光照产生的载流子都参与导电 在外加电场的作用下作漂移运动 电子奔向电源的正极 空穴奔向电源的负极 从而使光敏电阻器的阻值迅速下降 4 3内光电效应 1 光敏电阻的工作原理和结构 当无光照时 光敏电阻值 暗电阻 很大 电路中电流很小当有光照时 光敏电阻值 亮电阻 急剧减少 电流迅速增加 4 3内光电效应 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 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 其连线电路如图所示 4 3内光电效应 2 光敏电阻的主要参数和基本特性 1 暗电阻 亮电阻 光电流暗电流 光敏电阻在室温条件下 全暗 无光照射 后经过一定时间测量的电阻值 称为暗电阻 此时在给定电压下流过的电流 亮电流 光敏电阻在某一光照下的阻值 称为该光照下的亮电阻 此时流过的电流 光电流 亮电流与暗电流之差 光敏电阻的暗电阻越大 而亮电阻越小则性能越好 即暗电流越小 光电流越大 这样的光敏电阻的灵敏度越高 4 3内光电效应 2 伏安特性在一定照度下 加在光敏电阻两端的电压与光电流之间的关系称为伏安特性 图中曲线1 2分别表示照度为零及照度为某值时伏安特性 在给定电压下 光照度较大 光电流也越大 在一定的光照度下 所加的电压越大 光电流越大 而且无饱和现象 电压不能无限地增大 因为任何光敏电阻都受额定功率 最高工作电压和额定电流的限制 超过最高工作电压和最大额定电流 可能导致光敏电阻永久性损坏 4 3内光电效应 3 光照特性在一定外加电压下 光敏电阻的光电流和光通量之间的关系 不同类型光敏电阻光照特性不同 但光照特性曲线均呈非线性 因此它不宜作定量检测元件 这是光敏电阻的不足之处 一般在自动控制系统中用作光电开关 4 3内光电效应 4 光谱特性光敏电阻对不同波长的光 其灵敏度是不同的 硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度 峰值在红外区域 硫化镉 硒化镉的峰值在可见光区域 在选用光敏电阻时 应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑 才能获得满意的效果 4 3内光电效应 5 响应时间和频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时 光电流要经过一段时间才能达到稳定值 而在停止光照后 光电流也不立刻为零 这就是光敏电阻的时延特性 响应时间分为上升时间和下降时间 4 3内光电效应 6 温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线 它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动 硫化铅光敏电阻要在低温 恒温的条件下使用 4 3内光电效应 主要内容4 1概述4 2外光电效应4 3内光电效应4 4阻挡层光电效应 第四章光电式传感器原理 阻挡层光电效应 在光线的作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象 常见的阻挡层光电效应器件有光电池 光敏二极管 光电池光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件 光电池在有光线作用下实质就是电源 电路中有了这种器件就不需要外加电源 4 4阻挡层光电效应 1 光电池的结构和工作原理它是在一块N型硅片上掺入一些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 I 光 b 光电池的工作原理示意图 P N 4 4阻挡层光电效应 2 光电池的基本特性 1 光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的 不同材料的光电池 光谱响应峰值所对应的入射光波是不同的 硅光电池为0 8um 硒光电池为0 5um 硅光电池的光谱响应波长为0 4 1 2um 硒光的电池光谱响应波长为0 38 0 75um 可见硅光电池可以在很宽的波长范围内应用 4 4阻挡层光电效应 2 光照特性开路电压 负载电阻RL无限大时 曲线 光生电动势与照度之间的特性曲线 当照度为200lx时趋向饱和 短路电流曲线 光电流与照度之间的特性曲线 电流源 不当做电压源 4 4阻挡层光电效应 2 光照特性短路电流 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 4 4阻挡层光电效应 3 频率特性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 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 4 4阻挡层光电效应 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 4 4阻挡层光电效应 光敏二极管 1 工作原理与结构光敏二极管的结构与普通二极管一样 都有一个PN结 两根电极引线 而且都是非线性器件 具有单向导电性 不同之处在于光敏二极管的PN结状在管壳的顶部 可直接受到光的照射 4 4阻挡层光电效应 没有光照射时 处于反向偏置的光敏二极管 工作于截止状态 这时只有少数载流子在反向偏压的作用下 渡越阻挡层 形成微小的反向电流即暗电流 这时反向电阻很大 当光照射在PN结上时 光子打在PN结附近 PN结附近产生光生电子和光生空穴对 从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加 因此在反向外加电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 形成光电流 这时二极管处于导通状态 光的照度越大 光电流越大 2 光敏二极管的基本特性 1 光谱特性在入