传感与检测技术3-4-光电式传感器.ppt

3-4光电式传感器,3.4.1光电效应,3.4.2光电式传感器器件,3.4.3光电式传感器的分类,3.4.4光电式传感器的应用,概述,光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化转换成电量的传感器，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件参数的变化将光信号转换成电信号，它的物理基础是光电效应。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。在检测时，被测量使光源发射出的光通量变化，因而使接收光通量的光电元件的输出电量也作相应的变化，最后用电量来表示被测量的大小。其输出的电量可以是模拟量，也可以是数字量。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，有多种参数都可测量，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。,3.4.1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。向外发射的电子则称为光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。因为光的波长越短，即频率越高，其光子的能量越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。根据能量守恒定理有,上式为爱因斯坦光电效应方程式，由此可知，光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此对于外光电效应元件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。,光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。,内光电效应,受光照物体电阻率发生改变，或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：,光电导效应,3.4.1光电效应,在光线作用下，半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，如图1所示，就激发出电子空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这就是光电导效应。,图1电子能级示意图,在光线的作用下物体产生一定方向的电动势的现象，称为光生伏特效应。根据其产生电势的机理可分为：侧向光生伏特效应和PN结光生伏特效应，其中PN结光生伏特效应应用较广。当光照射到PN结上时，如果光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，电子就能够从价带激发到导带成为自由电子，价带成为自由空穴。从而在PN结内产生电子空穴对。这些电子空穴对在PN结的内部电场作用下，电子移向N区，空穴移向P区，电子在N区积累，空穴在P区积累，从而使PN结两端形成电位差，PN结两端便产生了光生电动势。基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。,光生伏特效应,3.4.1光电效应,图2PN结产生光生伏特,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.1基于外光电效应的光电器件,光电管由一个涂有光电材料的阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空的或充气的玻璃管内。阴极通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡内壁上做成，阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形置于玻璃管的中央。,光电管,当光电管的阴极受到适当波长的光线照射时，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流。如果在外电路中串入一适当阻值的电阻，则在光电管组成的回路中形成光电流I，并在负载电阻RL上产生输出电压Uo。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压Uo与入射光通量成正比。,图3真空光电管,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.1基于外光电效应的光电器件,光电管,（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。真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如图4（a）和（b）所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。,图4光电管的伏安特性,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.1基于外光电效应的光电器件,光电管,（2）光电管的光照特性通常指当光电管的阳极和阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间的关系为光电管的光照特性。光电管阴极材料不同，其光照特性也不同。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比）称为光电管的灵敏度。（3）光电管光谱特性一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率v0，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v0，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。,光电倍增管由光阴极、次阴极（倍增电极）以及阳极三部分组成，如图4所示。光阴极是由半导体光电材料锑化铯做成，次阴极是在镍或铜铍的衬底上涂上锑化铯材料而形成，次阴极多的可达30级，通常为12级14级。最后阳极用来收集电子，输出电压脉冲。一般收集的阳极电子流比阴极发射的电子流大105108倍。,光电倍增管,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.1基于外光电效应的光电器件,图5光电倍增管的结构,光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电流在管内部进行放大。所谓的二次电子是指当电子或光子以足够大的速度轰击金属表面而使金属内部的电子再次逸出金属表面，这种再次逸出金属表面的电子叫做二次电子。光电倍增管的光电转换过程为：当入射光的光子打在光电阴极上时，光电阴极发射出电子，该电子流又打在电位较高的第一倍增极上，于是又产生新的二次电子；第一倍增极产生的二次电子又打在比第一倍增极电位高的第二倍增极上，该倍增极同样也会产生二次电子发射，如此连续进行下去，直到最后一级的倍增极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，从而在回路中形成比较大的光电流I。（1）倍增系数M倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射电子i的乘积。如果n个倍增电极的i都一样，则M=in，因此，阳极电流I为：,光电倍增管,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.1基于外光电效应的光电器件,M与所加电压有关，一般在105-108之间。如果电压有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极的电压为1000V2500V，两个相邻的倍增电极的电压差为50V100V。（2）阴极灵敏度和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阴极的灵敏度。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,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.1基于外光电效应的光电器件,图6光电倍增管的特性曲线,光电倍增管的放大倍数或总灵敏度如图6所示。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。,（3）光谱特性光电倍增管的光谱特性与相同材料光电管的光谱特性很相似。（4）暗电流及本底电流当管子不受光照，但极间加入电压时在阳极上会收集到电子，这时的电流称为暗电流，。如果光电倍增管与闪烁体放在一起，在完全避光情况下，出现的电流称本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的。本底电流具有脉冲形式，因此也成为本底脉冲。,光电倍增管,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.1基于外光电效应的光电器件,光敏电阻又称为光导管，由半导体材料制成。光敏电阻的结构较简单，如图7所示，在玻璃底板上均匀涂上薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，使金属电极与半导体层可靠电接触，然后将其压入塑料封装体内，为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内投射率最大。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻元件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。,光敏电阻,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,图7光敏电阻的结构示意图,光敏电阻的基本参数暗电阻置于室温、全暗条件下测得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。亮电阻光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。光敏电阻的特性伏安特性光照特性光谱特性频率特性温度特性,光敏电阻,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。,光敏电阻,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,图8硫化镉光敏电阻的伏安特性,图8为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关，而与电压、电流无关。,光照特性光敏电阻的光照特性是光敏电阻的光电流与光强之间的关系，如图7所示。由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。,光敏电阻,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,图9光敏电阻的光照特性,光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。,光敏电阻,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,图10光敏电阻的光谱特性,图10为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的。,频率特性实验证明，光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，通常用时间常数t来描述，这叫做光电导的弛豫现象。所谓时间常数即为光敏电阻自停止光照起到电流下降到原来的63%所需的时间，因此，t越小，响应越迅速，但大多数光敏电阻的时间常数都较大，这是它的缺点之一。图11所示为硫化镉和硫化铅的光敏电阻的频率特性。,光敏电阻,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,图11光敏电阻的频率特性,温度特性光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。温度变化影响光敏电阻的光谱响应，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图12为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。,光敏电阻,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,图12硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线,光电池是一种在光线照射下，基于光生伏特效应能直接产生电动势，即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，电路中有了它可不需外加电源。,硅光电池（太阳能电池）是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质形成PN结，其原理结构如图11所示，当入射光照射在PN结上时，若光子能量h大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在PN结内产生电子空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P型区，电子移向N型区，使P型区带正电，N型区带负电，因而形成光生电动势。,光电池,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,图13硅光电池的原理图,主要特性光谱特性光照特性,光电池,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,图14硅光电池的光谱特性,图15硅光电池的光照特性,主要特性温度特性频率特性,光电池,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,图16硅光电池的温度特性,图17硅光电池的频率特性,由于半导体材料对光的敏感性，使得PN结受到光照时，将产生电流增大的现象。因此，常规晶体管都用金属罐或其他壳体密封，以防光照。而光敏晶体管则必须使PN结能受到最大的光照射。光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等统称为光敏晶体管。光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差，暗电流也较大。而光敏晶闸管的导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，输出功率也较大。,光敏晶体管,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,1）光敏二极管的结构及工作原理光敏二极管在光耦合隔离器、光学数据传输装置和测试技术中应用广泛。光敏二极管结构的如图18所示，它的PN结设置在玻璃透镜的正下方，可以直接受到光的照射。光敏二极管在电路中处于反向偏置状态，其等效工作电路如图19所示。,光敏晶体管,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,图18光敏二极管结构示意图,图19光敏二极管的等效电路图,2）光敏三极管结构及工作原理NPN型光敏三极管的基本电路如图20（b）所示，大多数光敏三极管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏三极管有放大作用。,光敏晶体管,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,图20NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路,图21达林顿光敏管的等效电路,3）光敏晶体管的基本特性光谱特性,光敏晶体管,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,图22光敏晶体管的光敏特性,3）光敏晶体管的基本特性伏安特性,光敏晶体管,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,图23光敏晶体管的伏安特性,3）光敏晶体管的基本特性温度特性,光敏晶体管,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.2基于外光电效应的光电器件,图24光敏晶体管的温度特性,光电耦合器,光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管（LED），光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光敏晶闸管等。光电耦合器件根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。,一般光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内，有金属封装和塑料封装两种。耦合器常见的组合形式如图25所示。,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.3光电耦合器件,图25光电耦合器的组合形式,光电开关,光电开关利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号。光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中应用于物体检测，产品计数，料位检测，尺寸控制，安全报警及计算机输入接口等方面。,3.4.2光电式传感器器件,3.4.2.3光电耦合器件,图26开关的结构图,3.4.3光电式传感器分类,光电传感器在工业应用中可归纳为直射式、透射式、反射式和遮蔽式等四种基本形式。,(a)直射式;(b)透射式;(c)反射式;(d)遮蔽式图27光敏器件基本形式,3.4.3光电式传感器分类,(1)直射式如图27(a)所示,光源本身就是被测物体。被测物体的光通量指向光敏器件，产生光电流输出。这种形式常用于光电比色高温计中作光电器件。(2)透射式如图27(b)所示，光源的光通量一部分由被测物体吸收，另一部分则穿过被测物体投射到光敏器件上。该形式常用于测量混合气体、液体的透明度、浓度等。(3)反射式如图27(c)所示，光源发射出的光通量投射到被测物体上，被测物体又将部分光通量反射到光敏器件上。反射的光通量取决于被测物体的反射条件，该形式一般用于测量工件表面的粗糙度及测量转速等。(4)遮蔽式如图27(d)所示，光源发射出的光通量投射到被测物体上,被测物体遮蔽光通量改变，则投影到光敏器件上的光通量也随着改变。这种形式常用于测量位置、位移、振动、频率等，在自动控制中用作自控开关。,本章小结,1光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，将光信号转换为电信号。它的转换原理是基于物质的外光电效应和内光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。2基于外光电效应工作原理制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电