第8章 光电式传感器

1、第8章 光电式传感器一.本章主要内容8.1 光电效应8.2 光电器件及其特点8.3 光电式传感器的类型及应用二.教学要求及重点、难点教学要求：1、了解光电效应和光电元件；2、理解光电器件的基本特性和主要参数。3、熟悉光电式传感器的应用类型重点、难点：光电元件的主要特性和特点概 述光电式传感器就是将光信号转化成电信号的一种器件，简称光电器件。要将光信号转化成电信号，必须经过两个步骤：一是先将非电量的变化转化成光量的变化；二是通过光电器件的作用，将光量的变化转化成电量的变化。这样就实现了将非电量的变化转化成电量的变化。由于光电器件的物理基础是光电效应，光电器件是有响应速度快、可靠性较高、精度高、非

2、接触式、结构简单等特点，因此光电式传感器在现代测量与控制系统中，应用非常广泛。8.1 光电效应光电效应就是指一束光线照射到物质上时，物质的电子吸收了光子的能量而发生了相应的电效应现象。产生光电效应现象有：电阻率的变化、电子逸出、电动势的变化等。产生光电效应的物质叫光电材料。根据光电效应现象的不同特征，可将光电效应分为三类：1 外光电效应：在光线照射下，使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管等就是基于外光电效应。根据爱因斯坦光子学说，一个电子只能吸收一个光子的能量，有光子能量 h: 普朗克常数：入射光的频率m：电子质量：电子逸出表面时的初速度A：电子克服束缚而逸出物体表面所做的功；l

3、当光子能量大于逸出功时，才会产生外光电效应，才会有光电子逸出。l 当光子能量小于逸出功时，则不能产生外光电效应。l 当光子能量恰好等于逸出功时，光电子的初速度。此时光子相应的单色光频率为，有 ：物质产生光电效应的最低频率，该频率的光对应的波长也称临界波长。当入射光的频率低于时，光子能量不足于克服逸出功A的能量，无论光强度多大，也不会使物质发射光电子。反之，当入射光的频率高于时，光强再弱，该物质也能发射光电子，只是发射的光电子数较少，对于一定的物质逸出功A是一定的。2 内光电效应（光电导效应）：在光线照射下，物体的电阻率发生改变的现象。大多数半导体和绝缘材料都具有光电导效应，而半导体的光电导效应

4、尤为显著。如光敏电阻等基于光电导效应。半导体材料的导电能力取决于其内部多数载流子数目，在光线照射下半导体中的价电子受激发变为自由电子，因此参与导电的载流子数目增加，从而半导体的导电率也随之增加。3 光生伏特效应：物体表面在光线照射下，内部会激发出电子，而不逸出物体表面，仍留在物体内部，并按一定方向产生光生电动势的现象。如光敏二极管、光敏三极管、光电池等。8.2 光电器件及其特点一. 光电器件根据光电效应制作的器件称为光电器件，也称光敏器件。光电器件的种类很多，但其工作原理都是建立在光电效应这一物理基础上的。光电器件的种类主要有: 光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光

5、电耦合器件。下面就介绍这些光电器件的结构、工作原理、参数、基本特性。1. 光电管(外光电效应)光电管的典型结构如图5.34 所示。由玻璃壳、两个电极(光电阴极K和阳极A)、引出插脚等组成。是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂上一层光电材料作为阴极K，球心放置小球形或小环形金属作为阳极A。当阴极K受到光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极A吸引，朝阳极A方向移动，这样就在光电管内产生了电子流，从而在外电路中便产生了电流。2 光电倍增管(外光电效应)1) 光电倍增管的结构和工作原理光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，顾名思义是把微弱光信号转变成电信号且进行放大的器件，光电倍增管的典型

6、结构和工作原理如图5.37所示。光电倍增管主要由玻璃壳、光阴极K、阳极A、倍增极D、引出插脚等组成，并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。依据分装方法，可分成端窗式和侧窗式两大类。端窗式光电倍增管的阴极通常为透射式阴极，通过管壳的端面接受入射光，如图5.37(a)所示。侧窗式阴极则是通过管壳的侧面接收入射光，它的阴极通常为反射式阴极，其工作原理如图5.37(b)所示。3. 光敏电阻（光电导效应）1) 光敏电阻的工作原理与结构光敏电阻是一种基于内光电效应制成的光电器件，光敏电阻没有极性，相当于一个电阻器件，其工作原理如图5.39所示。在光敏电阻的两端加直流或交流工作电压的条件下，当无光照射

7、时，光敏电阻电阻率变大，从而光敏电阻值(RG)很大，在电路中电流很小；当有光照射时，由于光敏材料吸收了光能，光敏电阻率变小，从而(RG)呈低阻状态，在电路中电流很大。光照越强，阻值越小，电流越大。当光照射停止时，RG又逐渐恢复高电阻值状态，电路中只有微弱的电流。光敏电阻的外型与结构如图5.40所示。由一块两边带有金属电极的光电半导体组成，电极和半导体之间组成欧姆接触。由于半导体吸收光子而产生的光电效应，仅仅照射在光敏电阻表面层，因此光电导体一般都做成薄层。光敏电阻具有灵敏度高，可靠性好以及光谱特性好，精度高、体积小、性能稳定、价格低廉等特点。因此，广泛应用于光探测和光自控领域。如：照相机、验钞

8、机、石英钟、音乐杯、礼品盒、迷你小夜灯、光声控开关、路灯自动开关以及各种光控动物玩具，光控灯饰灯具等方面。2) 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数如表5-3 所示。(1) 暗电阻与暗电流。暗电阻是指光敏电阻在不受光照射时的电阻值，此时在给定工作电压下，流过光敏电阻的电流称为暗电流。(2) 亮电阻与亮电流。光敏电阻在有光照射时的阻值，称为该光照射下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。(3) 光电流。光电流是指亮电流与暗电流的差值。显然，亮电阻与暗电阻的差值越大，光电流越大，灵敏度也越高。3) 光敏电阻的基本特性(1) 伏安特性。伏安特性是指在一定的光照下，加在光敏电阻两端的电压和光电流之间的关

9、系。伏安特性曲线如图5.41所示。由图可以看出，在外加电压一定时，光电流的大小随光照的增强而增加。在使用时光敏电阻受耗散功率的限制，其两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线，由它可以确定光敏电阻的正常工作电压。(2) 光照特性。光照特性是指在外加一定的电压时，光敏电阻的光电流与光通量之间的关系。光照特性曲线如图5.42 所示。由图可见，该曲线是非线性的。因此光敏电阻不宜测量元件，而常在自动控制中用做光电开关。(3) 光谱特性。光谱特性是指在外加一定的电压时，输出电流与入射光波长之间的关系。光谱特性曲线如图5.43所示。由图可知，不同材料制造的光敏电阻其光谱特性差别很大，某种材料

10、制造的光敏电阻只对某一波长的入射光具有最高的灵敏度。因此，在选用光敏电阻时要考虑光源的波长，以得到满意的效果。(4) 响应时间与频率特性。响应时间是指当光敏电阻受到光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零。由于不同材料的光敏电阻的响应时间特性不同，所以它们的频率特性也不同。频率特性曲线如图5.44所示。由图可知，光敏电阻的响应时间比较大，所以它不能用在要求快速响应的场合。(5) 温度特性。温度特性是指在一定的光照下，光敏电阻的阻值、灵敏度或光电流受温度的影响。随着温度的升高，暗电阻和灵敏度都下降。温度特性曲线如图5.45所示。显然，光敏电阻的温度系数越小

11、越好，但不同材料的光敏电阻，温度系数是不同的。因此使用光敏电阻时应考虑采用降温措施，改善光敏电阻的温度系数。4) 光敏电阻的检测首先将万用表置Rl k挡，其次置光敏电阻于光源近处，可测得光敏电阻的亮电阻；最后用黑布遮住光敏电阻的表面，可测得光敏电阻的暗阻值。若亮阻值为几千欧到几十千欧，暗阻值为几兆欧至几十兆欧，则说明是好的光敏电阻。4. 光敏二极管和光敏三极管（半导体光生伏特效应）1) 工作原理与结构光敏二极管的结构与一般的二极管相似，其PN结对光敏感。将其 PN结装在管的顶部，上面有一个透镜制成的窗口，以便使光线集中在PN结上。光敏二极管是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光电器件。光敏二极

12、管的工作原理和结构如图5.46 所示。光敏二极管工作时外加反向工作电压，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，此时光敏二极管处于截止状态。当有光照射时，在PN结附近产生光生电子和空穴对，从而形成由N区指向P区的光电流，此时光敏二极管处于导通状态。当入射光的强度发生变化时，光生电子和空穴对的浓度也相应发生变化，因而通过光敏二极管的电流也随之发生变化，光敏二极管就实现了将光信号转变为电信号的输出。在家用电器、照相机中光敏二极管用来作自动测光器件。光敏三极管有NPN和PNP型两种，是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通晶体三极管，外形与光电二极管相似。光敏三极管工作原理与光敏二极管

13、很相似。光敏三极管的工作原理和结构如图5.47 所示，具有两个PN结。当光照射在基极-集电结上时，就会在集电结附近产生光生电子-空穴对，从而形成基极光电流。集电极电流是基极光电流的倍。这一过程与普通三极管放大基极电流的作用很相似。所以光敏三极管放大了基极光电流，它的灵敏度比光敏二极管高出许多。5) 光敏三极管的检测首先将万用表置R lk挡，其次用黑布遮住光敏三极管的窗口，测量两管脚间的正、反向电阻，均为无限大时，则为光敏三极管。置光敏三极管于光源近处，测量两管脚间的正、反向电阻为几千欧到几十千欧，则说明是好的光敏三极管。万用表指针向右偏转越大说明其灵敏度越高。5. 光电池（光生伏特效应的自发电

14、式有源光电器件）1) 工作原理与结构光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件，光电池的工作原理及符号如图5.52所示。硅光电池是在一块N型(或P)硅片上，用扩散的方法掺入一些P型(或N)杂质，而形成一个大面积的PN结。当入射光照在PN结上时，PN结附近激发出电子空穴对，在PN结势垒电场作用下，将光生电子拉向N区，光生空穴推向P区，形成P区为正、N区为负的光生电动势。若将PN结与负载相连接，则在电路上有电流通过。2) 光电池的基本特性(1) 光电池的光谱特性。光电池的光谱特性是指相对灵敏度和入射光波长之间的关系。如图5.53 所示为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线。从曲线上可以看出，不同材料的

15、光电池的光谱峰值位置是不同的，例如，硅光电池可在0.45m1.1m 范围内使用，而硒光电池只能在0.34m0.57m 范围内应用。(2) 光电池的光照特性。光电池的光照特性是指光生电动势与照度之间的特性曲线。如图5.54所示为硅光电池的光照特性曲线。从图中可以看出，短路电流在很大范围内与光照度成线性关系；开路电压与光照度的关系是非线性的。(3) 光电池的频率特性光电池的频率特性是指光的调制频率和输出电流之间的关系。图5.55 给出了光的调制频率和输出电流的关系曲线。可以看出，硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池较差。(4) 光电池的温度特性光电池的温度特性是指光电池的开路电压和短路电流随温度

16、变化的关系，如图5.56所示。从图5.56中可以看出，开路电压随温度增加而下降的速度较快，而短路电流随温度上升而增加的速度却很缓慢。因此，用光电池作为敏感元件时，在自动检测系统设计时就应考虑到温度的漂移，需采取相应的措施进行补偿。光电式传感器的工作原理是建立在光电效应的基础上，而要发生光电效应现象是需要有一定的光源照射在光电器件上。8.3 光电式传感器的类型及应用光电式传感器在自动化技术中应用十分广泛，如利用光电导元件制成光电探测器。它能探测到任何目标的存在，在工业自动化中起着“眼睛”作用。这种功能使它可以用于大量的自动监视、控制、警戒等场合。光电探测器另外一个重要应用是，它能“看”到目标的热

17、或温度特征，比较它们的冷热，测量其温度，进行无接触测量。光电探测技术在遥感中的应用也十分广泛，利用光电探测和扫描成像原理制成的行扫描仪在卫星和航空遥感技术中得到广泛应用。光电式传感器基本上可分为模拟式光电传感器和脉冲式光电传感器。一. 模拟式光电传感器的应用（模拟量的光电传感器的检测系统）模拟式光电传感器的作用原理是基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数。即对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数，这类传感器大都用于测量位移、表面粗糙度、振动等参数。根据被测物、光源、光电器件三者之间的关系，模

18、拟式光电传感器通常有图5.60所示的四种测量方式：(1)吸收式：光源发射的光量穿过被测物。一部分光量由被测物吸收，剩余的光量照射到光电器件上，被吸收的光量与被测物透明度有关，如图5.60(a)所示。典型应用如透明度计、浊度计等。(2)反射式：光源发射的光量照射到被测物上，被测物将部分光反射到光电器件上，反射的光通量与反射表面的性质、状态和光源间的距离有关，如图5.60(b)所示。典型应用传感器与检测技术如位移、振动测试、工件表面的粗糙度等。(3)遮光式：光源发射的光量被测物遮去一部分，使作用在光敏器件上的光减弱，减弱程度与被测物在光学通路中的位置有关，如图5.60(c)所示。典型应用如非接触式

19、测位置、工件尺寸测量等。(4)辐射式：光源本射是被测物，被测物发出的光量投射到光电器件上，光电器件的输出反映了光源的某些参数，如图5.60(d)所示。典型应用如非接触式高温测量、光照度计等。例如，采用硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路如图5.61所示。硫化铅光敏电阻的暗电阻为1M，亮电阻为0.2M(光照度0.01W/m2下测试的)，峰值响应波长为2.2m。硫化铅光敏电阻处于VT1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为6V，电流约为6A。VT1管集电极电阻两端并联68nF电容，可以抑制100Hz以上的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。VT2、VT3构成二级负反馈互补放大器，火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度，保证火焰报警器能长期稳定地工作。二. 脉冲式光电传感器的应用（开关量光电传感器的检测系统）脉冲式光电传感器的作用原理是光电器件的输出仅有两个稳定状态，即“通”与“断”的开关状态，即光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受