第六章 光电式传感

1、第六章 光电式传感器任振兴主要内容v光电器件（重点）v光纤传感器光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。成。光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。它光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。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，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号电元件进一步将光信号转换成电信号;光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多。且可测参数多。概念：组成：特点： 1 1、光电效应、光电效应 光

2、电元件是光电传感器中最重要的部件，它将光信号转换光电元件是光电传感器中最重要的部件，它将光信号转换为电信号。常见的有真空光电元件和为电信号。常见的有真空光电元件和半导体光电元件半导体光电元件两大类。两大类。它们的工作原理都基于不同形式的光电效应。根据光的波粒二它们的工作原理都基于不同形式的光电效应。根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子象性，我们可以认为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为称为光子。每个光子具有的能量为 E=h 式中， 为光波频率；h为普朗克常数，h6.63*10-34 J/Hz 6.1 光电器件 用光照射某一物体，可

3、以看做是一连串能量为A的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，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，我们把这种物理现象称为光电效应。 1)1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应；电效应； 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电信增管等。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电信增管等。 2)2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应；电效应； 基于内光电效应的光电元件有光

4、敏电阻、光敏晶体管基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。等。 3)3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应。 基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。 2 2、光电效应的分类、光电效应的分类v(一一)光电管光电管 光电管和光电倍增管是利用外光电效应制成的光电元件。光电管和光电倍增管是利用外光电效应制成的光电元件。半圆筒形金属片制成的阴极半圆筒形金属片制成的阴极K金属丝制成的阳极金属丝制成的阳极A真空封装在玻壳内真空封装在玻壳内原理：原理：当入射光照射在阴极上时，单个

5、光子就把它的全部能量传递当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加h。当。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射，从而形成电流面束缚而逸出，形成电子发射，从而形成电流。3、光电器件、光电器件结构组成：根据能量守恒定律有根据能量守恒定律有 式中，式中，m m为电子质量；为电子质量；V V为电子逸出的初速度。为电子逸出的初速度。 由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件由上式可知

6、，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是是hvhvAA。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为电子发射，此频率限称为“红限红限”。A-hm212vV逸出电子的初始能量： (12)m2 光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，在入射光频率大光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，在入射光频率大于于“红限红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的

7、前提下，从阴极表面逸出的光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，称为光电流。的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。 此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。电流和电阻上的电压就射的光电子数也就增多，光电流变大。电流和电阻上的电压就和光强成函数关系，从而实现光电转换。和光强成函数关系，从而实现光电转换。 注意的地方：注意的地方：1 1：阴极材料不同的光电管，具有不同的红限，因此适用于阴极材料不同的光电管，具有不同的红限，因此适用于不同的光谱范围。不同的光谱范围。2 2：即

8、使入射光的频率大于红限，并保持其强度不变，但阴即使入射光的频率大于红限，并保持其强度不变，但阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化而改变，即极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。3 3：光电管的这种光谱特性，需要根据检测对象是紫外光、光电管的这种光谱特性，需要根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获得满意的灵敏度。得满意的灵敏度。 2 2光电倍增管光电倍增管由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具由于真空

9、光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。下图光电倍增有放大光电流能力的光电倍增管。下图光电倍增管结构示意图。管结构示意图。在它的阴极和阳极间设置了若干个二次发射电极，在它的阴极和阳极间设置了若干个二次发射电极，D1、D2、D3它们称为第它们称为第1,2,3.倍增电极倍增电极光电倍增管工作时，相邻电极之间保持一定电位差，其中阴极光电倍增管工作时，相邻电极之间保持一定电位差，其中阴极电位最低，各倍增电极电位逐级升高，阳极电位最高。当入射电位最低，各倍增电极电位逐级升高，阳极电位最高。当入射光照射阴极光照射阴极K时，从阴极逸出的光电子被第一倍增电极时，从阴极逸出的光电子被第一

10、倍增电极D1加速，加速，以高速轰击以高速轰击D1 ，引起二次电子发射，一个入射的光电子可以，引起二次电子发射，一个入射的光电子可以产生多个二次电子，产生多个二次电子， D1发射出的二次电子又被发射出的二次电子又被D1、D2问的电问的电场加速，射向场加速，射向D2并再次产生二次电子发射并再次产生二次电子发射，这样逐级产，这样逐级产生的二次电子发射，使电子数量迅速增加，这些电子最后到达生的二次电子发射，使电子数量迅速增加，这些电子最后到达阳极，形成较大的阳极电流。阳极，形成较大的阳极电流。 若倍增电极有若倍增电极有n级，各级的倍增率为级，各级的倍增率为 ，则光电倍增，则光电倍增管的倍增率可以认为是

11、管的倍增率可以认为是N N ，因此，光电倍增管有极高的，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。它的光电特性在很宽的范围内具有良好的灵敏度。它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关线性关系系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。 3 3、光敏电阻光敏电阻 （1 1）工作原理工作原理 光敏电阻是采用半导体材料制做，利用内光电效应工作的光敏电阻是采用半导体材料制做，利用内光电效应工作的光电元件。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒光电元件。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。化物和碲化物等半导体。 在光敏电阻两端的金属

12、电极之间加上电压，其中便有电流在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。 （2 2）基本特性和参数基本特性和参数 1)1)暗电阻、亮电阻暗电阻、亮电阻 光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻暗电阻，或暗阻。此时流过的电流

13、称为，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流暗电流。 光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为称为亮电阻亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。 亮电流与暗电流之差称为亮电流与暗电流之差称为光电流光电流。 显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏也就是说暗电流要小，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏度就高。度就高。 （2 2）基本特性和参数基本特性和参数 2)2)伏安特性伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电

14、压与流过光敏在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系，称为伏安特性。电阻的电流之间的关系，称为伏安特性。 由下图可知，光敏电阻伏安特性近似直线，而且没有由下图可知，光敏电阻伏安特性近似直线，而且没有饱和现象。受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端饱和现象。受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻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，的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。由此可确定光敏电阻正常工作电压。 3)光电特性 光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性。因此不适宜做检测

15、元件，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。 4)光谱特性 对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。 5)频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。

16、多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合，相同。多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个缺陷。这是光敏电阻的一个缺陷。 6)6)温度特性温度特性 光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大，光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大，当温度升高时，它的暗电阻会下降。温度的变化对光谱特当温度升高时，它的暗电阻会下降。温度的变化对光谱特性也有很大影响。温度改变的时候，它的峰值随着温度的性也有很大影响。温度改变的时候，它的峰值随着温度的改变发生移动。改变发生移动。 4 4、光敏晶体管光敏晶体管 光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工光

17、敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体照射在半导体PNPN结上，结上，PNPN结参与了光电转换过程。结参与了光电转换过程。 1 1）结构与工作原理）结构与工作原理 光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，图结上，图a是其结构示意图。光敏二极管在电路中通常处于反是其结构示意图。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置

18、状态，如图向偏置状态，如图b所示。所示。 v当二极管两端加上反向电压时，若无光照射，当二极管两端加上反向电压时，若无光照射，则光敏二极管与普通二极管一样，只有很少则光敏二极管与普通二极管一样，只有很少的反向饱和漏电流流过，二极管处于截止状的反向饱和漏电流流过，二极管处于截止状态。态。v若光线照射到二极管的若光线照射到二极管的PN结上时，结上时，PN结内结内的价电子吸收能量后受到激发，称为自由电的价电子吸收能量后受到激发，称为自由电子，同时产生空穴，形成电子子，同时产生空穴，形成电子-空穴对，在电空穴对，在电场作用下定向移动形成光电流，其大小与光场作用下定向移动形成光电流，其大小与光强成正比。强

19、成正比。 2 2） 基本特性基本特性 (1)(1)光谱特性光谱特性 在入射光照度一定时，光敏晶体管的相对灵敏度随在入射光照度一定时，光敏晶体管的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光敏晶体管只对一定波长光波波长的变化而变化，一种光敏晶体管只对一定波长范围的入射光敏感，这就是光敏晶体管的光谱特性，见范围的入射光敏感，这就是光敏晶体管的光谱特性，见下图。下图。 由曲线可以看出，当入射光波长由曲线可以看出，当入射光波长增加增加时，相对灵敏时，相对灵敏度要下降，这是因为度要下降，这是因为光子能量太小光子能量太小，不足以激发电子，不足以激发电子空穴对。当入射光波长空穴对。当入射光波长太短太短时，光波时，光波穿透能力穿透能力下降，光下降，光子只在半导体表面附近激发电子子只在半导体表面附近激发电子空穴对，却不能达到空穴对，却不能达到PNPN结，因此相对灵敏度也下降。结，因此相对灵敏度也下降。从曲线还可以看出，不从曲线还可以看出，不同材料的光敏晶体管，光谱峰值波长不同。同材料的光敏晶体管，光谱峰值波长不同。 （2)伏安特性 光敏三极管在不同照度下的伏安特性，就象普通三极管在光敏三极管在不同照度下的伏安特性