检测技术与海洋智能仪器：光电式传感器

1、 光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领域中。光电式传感器 基于光电效应原理工作的光电转换元件称为光电器件或光敏元件。 光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏特效应三类。相对应的光电器件也有以下三种类型：光电发射型、光导型和光伏型。后两类又称为内光电效应，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(或称光敏元件)。 是无源传感器光电器件 在光线照射下，物体内的电子逸出物体表

2、面的现象称为外光电效应，也叫光电发射，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。 光子 光子的能量其大小等于普朗克常数h乘以光的频率。光的频率越高，其光子能量就越大。 光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体。根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能传递给一个电子，因此单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电子。使自由电子的能量增加h。这些能量一部分用作电子逸出物体表面的逸出功A，另一部分变为电子的初动能。即光电发射型光电器件 1当光子能量大于逸出功时，才会有光电子发射出来，才会产生外光电效应；当光子能量小于逸出功时，不能产生外光电效应；当光子的能量恰好等于逸出

3、功时，光电子的初速度0，可以产生此光电子的单色光频率为0，则式中0为该物质产生光电效应的最低频率，称其为红限频率。显然，如果入射光的频率低于红限频率，不论入射光的强度有多大，也不会使物质发射光电子。而对于高于红限频率入射光，即使是光线很弱也会产生光电子。 2当入射光的频谱成分不变时，光电流与入射光的强度成正比。 3由于电子逸出时具有一定的初动能可以形成光电流，为使光电流为零需加反向电压才能使其截止。几点总结 基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管。1光电管 根据外光电效应制成的光电管类型很多，最典型的是真空光电管。也有充气光电管，但由于线性不好在传感器中用得较少。真空光电管的结构

4、如图所示 ，它由一个阴极K和一个阳极A构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴极K和电源负极相联，一个阳极A 通过负载电阻同电源正极相接，因此管内形成电场。当光照射阴极时、电子便从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成电流I，该电流及负载RL上的电压将随光照强弱而变化，从而实现了光信号转换为电传号的目的。光电管光电管的结构真空光电管的伏安特性 真空光电管的伏安特性曲线如右下图所示，其饱和光电流与入射光的强度成正比（已在物理实验课中获得验证）。阳极饱和光电流入射光的强度阳极饱和光电流与入射光强度的关系 当入射光很微弱时，光电管产生的光电流很小，不易检测，这时常用光电倍增管对光电流放大以提高灵敏度。如

5、图 所示。在光电管的阴极与阳极之间安装若干个倍增极D1、D2、Dn，就构成了光电倍增管。 光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础之上。工作时倍增极电位是逐级增高的，当入射光照射光电阴极K时，立刻有电子逸出，逸出的电子受到第一倍增极D1正电位作用，使之加速打在D1倍增极上，产生二次电子发射。同理D1发射的电子在D2更高正电位作用下，再次被加速打在D2极上，D2又会产生二次电子发射，这样逐级前进，直到电子被阳极A收集为止。通常光电倍增管的阳极与阴极间的电压为10002500V，两个相邻倍增电极的电位差为50100V，其灵敏度比普通真空光电管高几万到几百万倍，因此在很微弱的光照下也能产生

6、很大的光电流。光电倍增管光电倍增管的外形和工作原理CR131/CR114外形图和接线图 物体受光照射后，其内部的原子释放出电子并不逸出物体表面，而仍留在内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。前者称为光电导效应，后者称为光生伏特效应。半导体材料在光线作用下电导率增加的现象就是光电导效应。光电导效应和光生伏特效应光 敏 电 阻光敏二极管光敏三极管光 电 池光 耦 器 件光敏电阻 光敏电阻是一种用光电导材料制成的没有极性的光电元件，也称光导管。它基于半导体光电导效应工作。由于光敏电阻没有极性，工作时可加直流偏压或交流电压。 暗电阻：光敏电阻未受光照时的阻值称为暗电阻； 亮电

7、阻：受光照时的电阻值称为亮电阻； 我们总是希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，这样光敏电阻的灵敏度就高。实际的光敏电阻的暗阻一般在兆欧数量级，亮阻在几千欧以下，暗阻和亮阻之比，一般在102106之间。 这样，当无光照时，光敏电阻的暗电阻很大。电路中电流很小。当它受到一定波长范围的光照射时，其阻值(亮电阻)急剧减小，电路中电流迅速增加，用电流表可以测量出电流。根据电流值的变化，即可推算出照射光强的大小光敏电阻的伏安特性 如右图所示。在一定光照下，所加的电压越高，电流越大；在一定的电压作用下，入射光的照度越强，电流越大，但并不一定是线性关系。 光敏电阻的光谱特性对于不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是

8、不同的。在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。光敏电阻的响应时间和频率特性 光电器件的响应时间反映它的动态特性。响应时间越短，表示动态特性越好。 光敏电阻的频率特性较差，当入射光强上升时，被俘获的自由载流子到相应的数值需要一定时间，同样入射光强降低时，被俘获的电荷释放出来也是比较慢的。 多数光敏电阻时延都较大，这是光敏电阻的缺陷。 右图所示表示不同材料的光敏电阻其频率特性是不同的。硫化铅的应用比硫化镉的要广泛，因其频率特性要好一些。光敏电阻的温度特性 随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。硫化铅光敏电阻等光电器件随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波

9、方向移动，所以红外探测器往往采取制冷措施。光敏电阻结构图光敏电阻工作示意图光敏二极管 半导体光敏二极管与普通二极管相比，有许多共同之处，它们都有一个PN结，均属单向导电性的非线性元件。光敏二极管一般在负偏压情况下使用，它的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。 光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流(暗电流)很小(处于载止状态)。受光照射时，结区产生电子空穴对，在结电场的作用下，电子向N区运动、空穴向P区运动而形成光电流，光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系。光敏二极管参数及外形图外形图光敏二极管光控应用电路光敏三极管结构和原理（1） 光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之

10、间接有光电二极管的普通三极管。在正常工作情况下，此二极管应反向偏置。因此，不管是P-N-P还是N-P-N型光敏三极管，一般用基极 集电极结作为受光结。 光敏三极管是一种相当于将基极集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。光敏三极管结构和原理（2）光敏三极管光谱特性与光敏电阻类似，光敏三极管也存在最佳灵敏度的峰值波长。硅管的峰值波长约为900nm，锗管的峰值波长约为1500nm。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都选用硅管；但对红外线进行探测时，则采用锗管较合适。光敏三极管的伏安特性 光敏三极管在不同的照度下的伏安特性与一般晶体管在不同的

11、基极电流时的输出特性类似。因此，只要将入射的强度看作是三极管的基极电流ib，就可将光敏三极管看成一般的晶体管。光敏三极管不仅能把光信号变成电信号、而且输出的电信号较大。光敏三极管的光照特性 光敏三极管的光照特性如右图所示。它给出了光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。它们之间呈近似线性关系。当光照足够大(几千勒克斯)时，会出现饱和现象。因而在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。光敏三极管的温度特性 温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从曲线看，温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。所以精密测量时，电子线路中应采取温度补偿措施，否则将

12、会导致输出误差。光敏三极管的（调制）频率特性 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说。光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5000Hz以下，硅管的频率响应要比锗管好。实验证明，光敏三极管的截止频率和它的基区厚度成反比关系。如果要求截比频率高，那么基区就要薄；但基区变薄，光电灵敏度将降低，在制造时要适当兼顾两者。光敏三极管的典型应用电路当无光照射光敏三极管VT1时，光敏三极管内阻很大，使VT2处于截止状态。输出端无电压信号。当有光照射光敏三极管VT1时，光敏三极管产生光电流，使VT2导通，在R

13、2上获得输出信号光电池（1） 光生伏特效应：光照射引起PN结两端产生电动势的现象。 光电池，又叫太阳电池，是根据光生伏特效应制成的将光能直接转变成电能的一种器件。光电池可以组成大面积的光电池组，作为人造卫星、宇宙飞船、星际站、太空实验室、航标灯、气象观测、无线电通信以及边远山区的永久性电源。特点：轻便、无噪音、无污染等。应用：随着光电池成本的降低，应用正日益广泛，目前已用于收音机、电视机、计算机、铁路信号灯、电动车辆灯方面。另外利用光电池能将光信号变为电信号的特点，它可以作为光传感器使用，广泛应用于机械、化工、纺织、印刷等工业部门。 分类：光电池按材料分，有硅光电池、硒光电池、砷化镓光电池及硫

14、化镉光电池。目前使用较多的是硒光电池和硅光电池。光电池（2） 硒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。 硅光电池与其它半导体光电池相比，不仅性能稳定，还是目前转换效率最高(达到17)的几乎接近理论极限的一种光电池。此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池等。 光电池核心部分是一个PN结，一般做成面积较大的薄片状，来接收更多的入射光。硒光电池结构下图所示的是硒光电池的结构。制造工艺是：先在铝片上覆盖一层P型硒，然后蒸发一层镉，加热后生成N型硒化镉，与原来P型硒形成一个大面积PN结，最后涂上半透明保护层，焊上电极，铝片为正极，硒化镉为正极。硅光电池

15、结构 硅光电池是用单晶硅组成的（目前也有非晶硅的产品）。 在一块N型硅片上扩散P型杂质(如硼)，形成一个扩散PN（P+N）结；或在P型硅片扩散N型杂质(如磷)，形成N+P的PN结，然后焊上两个电极。 P端为光电池正极，N端为负极，一般在地面上应用作光电探测器的多为P+N型。如国产2CR型。N+P型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，可作为航天的太阳能电池，如国产2DR型。 光电池的光谱特性 硒光电池和硅光电他的光谱特性曲线如图所示。从曲线上可以看出，不同的光电池，光谱峰值的位置不同。例如硅光电池在800nm附近，硒光电池在540nm附近。硅光电池的光谱范围广，在4501100nm之间，

16、硒光电池的光谱范围在340750nm之间。因此硒光电池适用于可见光，常用于照度计测定光的强度。光电池的光照持性光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。从曲线可以看出，短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx（单位：LUX,勒克斯,1Lux1lumens/m2 ）时就趋于饱和了。因此把光电池作为测量元件时，应把它当做电流源的形式来使用，不宜用作电压。光电池的频率特性 光电池在作为测量、计数、接收元件时，常用交变光照射。光电池的频率特性就是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系，硅光电池有很高的频率响应，可用在高速计数、有声电影等

17、方面。这是硅光电池在所有光电元件中最为突出的优点。光电池的温度特性光电池的温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等主要指标，因此它是光电池的重要特性之一。开路电压随温度升高而下降，而短路电流随温度升高而增加。因此当光电池作测量元件时，在设计中应该考虑到温度的漂移，采取相应的措施来进行补偿。光耦器件光耦器件是由发光元件和光敏器件组合在一起的四端器件。它的输入端通常配置砷化镓发光二极管，实现电光的转换。在它的输出端通常采用光敏二极管、光敏三极管，实现光电的转换。光耦器件的输入和输出之间在电气上是绝缘的，只能由光来传

18、输信号。光耦器件按使用目的不同，可分为光耦合器和光断续器。光耦合器主要用电路间的隔离，而光断续器则作为一个非接触式传感器，在许多场合应用。光电耦合器光电耦合器是将发光元件与受光器件组合封装在同一个密封体内的器件，发光元件和受光元件以及信号处理电路可集成在一块芯片上。工作时，将电信号加到输入端，使发光元件发光，而受光器件在发光元件光辐射的作用下输出光电流，从而实现电光电两次转换，通过光进行了输入端和输出端的耦合。常见光电耦合器的结构及特性光电耦合器结构及特性光断续器光断续器是一种光电子器件，是专门用来检测物体的光传感器。它在结构组成上和光耦器件相似，也有一个发光元件和一个受光器件，将电信号转换为光信号，然后再将光信号变为电信号输出。光断续器大致可分为两类，一类是透过型；另一类为反光型。透