光电传感器解析

1、光电传感器解析3.5.1 光电测量原理 光电传感器的工作根底是光电效应。每个光子具有的能量为h为光的频率，h=6.6262010-34J.s为普朗克常数。用光照射某一物体，即为光子与物体的能量交换过程，这一过程中产生的电效应称为光电效应。光电效应按其作用原理又分为外光电效应、内光电效应和光生伏打效应。 1外光电效应 在光照作用下，物体内的电子从物体外表逸出的现象称为外光电效应，亦称光电子发射效应。在这一过程中光子所携带的电磁能转换为光电子的动能。 金属中存在大量的自由电子，通常，它们在金属内部作无规那么的热运动，不能分开金属外表。但当电子从外界获取到等于或大于电子逸出功的能量时，便可分开金属外

2、表。为使电子在逸出时具有一定的速度，就必须使电子具有大于逸出功的能量。这一过程的定量分析如下。一个光子具有的能量 E=h 3-45当物体受到光辐射时，其中的电子吸收了一个光子的能量h，该能量的一局部用于使电子由物体内部逸出所作的逸出功A，另一局部那么为逸出电子的动能 ，即 h= +A 3-46式中 m电子质量； v电子逸出速度； A物体的逸出功。式3-46称为爱因斯坦光电效应方程式，它说明了光电效应的根本规律。由上式可知：1光电子逸出外表的必要条件是hA。因此，对每一种光电阴极材料，均有一个确定的光频率阈值。当入射光频率低于该值时，无论入射光的强度多大，均不能引起光电子发射。反之，入射光频率高

3、于阈值频率，即使光强极小，也会有光电子发射，且无时间延迟。对应于此阈值频率的波长0，称为某种光电器件或光电阴极的“红限，其值为 3-47式中 c光速，c=3108-1。2当入射光频率成分不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光光强成正比。光强愈大，意味着入射光子数多，逸出的光电子数亦愈多。 3对于外光电效应器件来说，只要光照射在器件阴极上，即使阴极电压为零，也会产生光电流，这是因为光电子逸出时具有初始动能。要使光电流为零，必须使光电子逸出物体外表时的初速度为零。为此要在阳极加一反向截止电压U0，使外加电场对光电子所作的功等于光电子逸出时的动能，即 3-48式中 e电子的电荷，e=1.60210

4、-19C。 反向截止电压U0仅与入射光频率成正比，与入射光光强无关。 外光电效应器件有光电管和光电倍增管等。2内光电效应 在光照作用下，物体的导电性能如电阻率发生改变的现象称内光电效应，又称光导效应。内光电效应与外光电效应不同，外光电效应产生于物体外表层，在光辐射作用下，物体内部的自由电子逸出到物体外部，而内光电效应那么不发生电子逸出。这时，物体内部的原子吸收光能量，获得能量的电子摆脱原子束缚成为物体内部的自由电子，从而使物体的导电性发生改变。 内光电效应器件主要为光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管。3光生伏打效应 在光线照射下能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏打效应。基于光生伏打效

5、应的器件有光电池，可见光电池也是一种有源器件。它广泛用于把太阳能直接转换成电能，亦称为太阳能电池。光电池种类很多，有硅、硒、砷化镓、硫化镉、硫化铊光电池等。其中硅光电池由于其转换效率高、寿命长、价格廉价而应用最为广泛。硅光电池较适宜于接收红外光。硒光电池适宜于接收可见光，但其转换效率低仅有002%、寿命低。它的最大优点是制造工艺成熟、价格廉价，因此仍被用来制作照度计。砷化镓光电池的光电转换效率稍高于硅光电池，其光谱响应特性与太阳光谱接近，且其工作温度最高，耐受宇宙射线的辐射，因此可作为宇航电源。 常用的硅光电池构造如图3-44所示。在电阻率为0.11cm的N型硅片上进展硼扩散以形成P型层，再用

6、引线将P型和N型层引出形成正、负极，便形成了一个光电池。承受光辐射时，在两极间接上负载便会有电流通过。图3-44 硅光电池构造 光电池的作用原理：当光辐射至PN结的P型面上时，假设光子能量h大于半导体材料的禁带宽度，那么在P型区每吸收一个光子便激发一个电子-空穴对。在PN结电场作用下，N区的光生空穴将被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区。结果，在N区便会积聚负电荷，在P区那么积聚正电荷。这样，在P区和N区之间形成电势差，假设将PN结两端以导线连接起来，电路中就会有电流流过。m，比硅光电池的范围窄得多，它在500 左右有一个峰值。此外，硅光电池的灵敏度为68nAmm-21x-1，响应时间为数微秒

7、至数十微秒。3.5.2 光电元件1真空光电管或光电管光电管主要两种构造形式见图3-45，图a中光电管的光电阴极K由半圆筒形金属片制成。用于在光照射下发射电子。阳极A为位于阴极轴心的一根金属丝，用于接收阴极发射电子。阴极和阳极被封装于一个抽真空的玻璃罩内。 光电管的特性主要取决于光电阴极材料，不同的阴极材料对不同波长的光辐射有不同的灵敏度。表征光电阴极材料特性的主要参数是它的频谱灵敏度、红限和逸出功。如银氧铯Ag-Cs2O阴极在整个可见光区域均有一定的灵敏度，其频谱灵敏度曲线在近紫外光区4.5103 和近红外光区7.51038103 分别有两个峰值。因此常用来作为红外光传感器。它的红限约为710

8、3 ，逸出功为0.74eV，是所有光电阴极材料中最低的。图3-45 光电管的构造形式a金属底层光电阴极光电管 b光透明阴极光电管 真空光电管的光电特性是指在恒定工作电压和入射光频率成分条件下，光电管接收的入射光通量与其输出光电流I之间的比例关系见图3-46。图3-46a给出两种光电阴极的真空光电管的光电特性。其中氧铯光电阴极的光电管在很宽的入射光通量范围上都具有良好的线性度，因此氧铯光电管在光度测量中获得广泛的应用。光电管的伏安特性是光电管的另一个重要性能指标，指在恒定的入射光的频率成分和强度条件下，光电管的光电流I与阳极电压Ua之间的关系见图3-46b。由图可见，光通量一定时，当阳极电压Ua

9、增加时，管电流趋于饱和，光电管的工作点一般选在该区域中。图3-46 真空光电管特性a光电特性 b伏安特性1-锑铯光电阴极的光电管 2-氧铯光电阴极的光电管光电倍增管在光电阴极和阳极之间装了假设干个“倍增极，或叫“次阴极。倍增极上涂有在电子轰击下能反射更多电子的材料，倍增极的形状和位置设计成正好使前一级倍增极反射的电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间依次增大加速电压，如图3-47a所示。设每极的倍增率为一个电子能轰击产生出个次级电子，假设有n次阴极，那么总的光电流倍增系数M=CnC为各次阴极电子搜集率，即光电倍增管阳极电流I与阴极电流I0之间满足关系I=I0M= I0Cn，倍增系数与所加电压

10、有关。常用的光电倍增管的根本电路如图3-47b所示，各倍增极电压由电阻分压获得，流经负载电阻RA的放大电流造成的压降，给出输出电压。一般阳极与阴极之间的电压为10002000V，两个相邻倍增电极的电位差为50100V。电压越稳定越好，以减少由倍增系数的波动引起的测量误差。由于光电倍增管的灵敏度高，所以适宜在微弱光下使用，但不能承受强光刺激，否那么易于损坏。3光敏电阻某些半导体材料如硫化镉等受到光照时，假设光子能量h大于本征半导体材料的禁带宽度，价带中的电子吸收一个光子后便可跃迁到导带，从而激发出电子-空穴对，于是降低了材料的电阻率，增强了导电性能。阻值的大小随光照的增强而降低，且光照停顿后，自

11、由电子与空穴重新复合，电阻恢复原来的值。光敏电阻的特点是灵敏度高、光谱响应范围宽，可从紫外一直到红外，且体积小、性能稳定，因此广泛用于测试技术。光敏电阻的材料种类很多，适用的波长范围也不同。如硫化镉CdS、硒化镉CdSe适用于可见光0.40.75m的范围；氧化锌ZnO、硫化锌ZnS适用于紫外光范围；而硫化铅PbS、硒化铅PbSe、碲化铅PbTe那么适用于红外光范围。图3-47 光电倍增管的构造及电路a构造 b电路1-入射光 2-第一倍增极 3-第三倍增极 4-阳极A 5-第四倍增极 6-第二倍增极 7-阴极K 光敏电阻的主要特征参数有以下几种： 1光电流、暗电阻、亮电阻 光敏电阻在未受到光照条

12、件下呈现的阻值称为“暗电阻，此时通过的电流称为“暗电流。光敏电阻在特定光照条件下呈现的阻值称为“亮电阻，此时通过的电流称为“亮电流。亮电流与暗电流之差称为“光电流。光电流的大小表征了光敏电阻的灵敏度大小。一般希望暗电阻大，亮电阻小，这样暗电流小，亮电流大，相应的光电流大。光敏电阻的暗电阻大多很高，为兆欧量级，而亮电阻那么在千欧以下。 2光照特性 光敏电阻的光电流I与光通量F的关系曲线称为光敏电阻的光照特性。一般说来光敏电阻的光照特性曲线呈非线性，且不同材料的光照特性不同。3伏安特性 在一定光照下，光敏电阻两端所施加的电压与光电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性。当给定偏压时，光照度越大，光电流

13、也越大。而在一定的照度下，所加电压越大，光电流也就越大，且无饱和现象。但电压实际上受到光敏电阻额定功率、额定电流的限制，因此不可能无限制地增加。 4光谱特性 对不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不一样的。光敏电阻的光谱与材料性质、制造工艺有关。如硫化镉光敏电阻随着掺铜浓度的增加其光谱峰值从500nm移至640nm；而硫化铅光敏电阻那么随材料薄层的厚度减小其峰值也朝短波方向挪动。因此在选用光敏电阻时，应当把元件与光源结合起来考虑，才能获得所希望的效果。 5响应时间特性 光敏电阻的光电流对光照强度的变化有一定的响应时间，通常用时间常数来描绘这种响应特性。光敏电阻自光照停顿到光电流下降至原值的

14、63%时所经过的时间称为光敏电阻的时间常数。不同的光敏电阻的时间常数不同，因此其响应时间特性也不一样。 6光谱温度特性 与其他半导体材料一样，光敏电阻的光学与化学性质也受温度影响。温度升高时，暗电流和灵敏度下降。温度的变化也影响到光敏电阻的光谱特性。因此有时为进步光敏电阻对较长波长光照如远红外光的灵敏度，要采用降温措施。 4光敏晶体管 光敏晶体管分光敏二极管和光敏晶体管，其构造原理分别如图3-48、图3-49所示。光敏二极管的PN结安装在管子顶部，可直接承受光照，在电路中一般处于反向工作状态见图3-48b。在无光照时，暗电流很小。当有光照时，光子打在PN结附近，从而在PN结附件产生电子-空穴对

15、。它们在内电场作用下作定向运动，形成光电流。光电流随光照度的增加而增加。因此在无光照时，光敏二极管处于截止状态，当有光照时，二极管导通。图3-48光敏二极管 a光敏二极管符号 b光敏二极管的连接 图3-49光敏晶体管 a光敏晶体管符号 b光敏晶体管的连接 光敏晶体管有NPN型和PNP型两种，构造与一般晶体三极管相似。由于光敏晶体管是由光致导通的，因此它的发射极通常做得很小，以扩大光的照射面积。当光照到三极管的PN结附近时，在PN结附件有电子-空穴对产生，它们在内电场作用下作定向运动，形成光电流。这样使PN结的反向电流大大增加。由于光照发射极所产生的光电流相对于晶体管的基极电流，因此集电极的电流

16、为光电流的倍，因此光敏晶体管的灵敏度比光敏二极管的灵敏度高。光敏晶体管的根本特性有：1光照特性 光敏二极管特性曲线的线性度要好于光敏晶体管，这与三极管的放大特性有关。2伏安特性 在不同照度下，光敏二极管和光敏晶体管的伏安特性曲线跟一般晶体管在不同基极电流时的输出特性一样。并且光敏晶体管的光电流比一样管型的二极管的光电流大数百倍。由于光敏二极管的光生伏打效应使得光敏二极管即使在零偏压时仍有光电流输出。3光谱特性 当入射波长增加时，光敏晶体管的相对灵敏度均下降，这是由于光子能量太小，缺乏以激发电子-空穴对。而当入射波长太短时，灵敏度也会下降，这是由于光子在半导体外表附近激发的电子-空穴对不能到达P

17、N结的缘故。 4温度特性 光敏晶体管的暗电流受温度变化的影响较大，而输出电流受温度变化的影响较小。使用应考虑温度因素的影响，采取补偿措施。 5响应时间 光敏管的输出与光照之间有一定的响应时间，一般锗管的响应时间为210-4s左右，硅管为110-5s左右。 3.5.3 光电传感器的应用光电传感器可应用于检测多种非电量。由于光通量对光电元件作用方式的不同所涉及的光学装置是多种多样的，按其输出性质可分为两类： 1模拟量光电传感器 把被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值对应关系。属于这一类的光电元件有以下几种形式： 1光源本身是被测物见图3-50a其能量辐射到光电元件上。这种形式的光电传感

18、器可用于光电比色高温计中，它的光辐射的强度和光谱的强度分布都是被测温度的函数。2恒光源所辐射的光穿过被测物，局部被吸收，而后到达光电元件上见图3-50b。吸收量取决于被测物质的被测参数。例如，测液体、气体的透明度、混浊度的光电比色计、混浊度计的传感器等。 3恒光源所辐射的光照到被测物见图3-50c，由被测物反射到达光电元件上。外表反射状态取决于该外表的性质，因此成为被测非电量的函数。如测量外表粗糙度等仪器的传感器。4恒光源所辐射的光遇到被测物，局部被遮挡，而后到达光电元件上见图3-50d，由此改变了照射到光电元件上的光通量。在某些检测尺寸或振动的仪器中，常采用这类传感器。图3-50应用光电元件

19、的几种形式a被测量是光源 b被测量吸收光能量 c被测量反射光能量 d被测量阻挡光能量1-被测物 2-光电元件 3-恒光源 2开关量光电传感器 把被测量转换成断续变化的光电流，而自动检测系统输出的为开关量或数字电信号。属于这一类的传感器大多用在光机电结合的检测装置中。如电子计算机的光电输入机、转速表的光电传感器与用于准确角度测量的光电式编码器。这类传感器为数字传感器，具有以下优点： 1能借助于微电子技术，到达足够高的精度，防止了人为的读数误差； 2易于实现系统的快速、自动和数字化； 3测量系统量程大，长度可达数米甚至更长，可在360范围内进展角度测量； 4测量系统安装方便、使用维护简单、工作性能

20、可靠。由于上述优点，已在机床业的数控、自动化以及计量业中广泛应用。本节着重介绍角度-数字编码器。 角度-数字编码器构造最为简单，广泛用于简易数控机械系统中。按工作原理加以区分，可分为脉冲盘式和码盘式两种。 1脉冲盘式角度-数字编码器 脉冲盘式角度-数字编码器的构造如图3-51所示。在个圆盘的边缘上开有相等角距的狭缝分成透明及不透明的局部，在开缝圆盘的两边分别安装光源及光敏元件。使圆盘随工作轴一起转动。每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，经过光敏元件，就产生一次电信号的变化，再经整形放大，可以得到一定幅值和功率的电脉冲输出信号。脉冲数等于转过的缝隙数。假设将得到的脉冲信号送到计数器中，那么计

21、数码即可反映圆盘转过的角度。图3-51 脉冲盘式角度-数字编码器的构造示意图 假设采用两套光电转换装置，使其相对位置有一定的关系，以保证它们产生的信号在相位上相差1/4周期，这样可以判断轴的旋转方向。如图3-52所示。正转光阴敏元件2比光敏元件1先感光，此时与门DA1有输出，将加减控制触发器置“1，使可逆计数器的加法母线为高电位。同时DA1的输出脉冲又经或门送到可逆计数器的计数输入端，计数器进展加法计数。反转光阴敏元件1比光敏元件2先感光，计数器进展减法计数。这样就可以区别旋转方向，自动进展加法或减法计数。图3-52 辨向环节的逻辑电路图2码盘式角度-数字编码器 码盘式角度-数字编码器是按角度

22、直接进展编码的传感器，通常把它装在检测轴上。按其构造可把它分为接触式、光电式和电磁式。码盘构造如图3-53所示。 图3-53a为一个接触式四位二进制码盘，涂黑局部为导电区。所有导电局部连接在一起接高电位。空白局部为绝缘区。在每圈码道上都有一个电刷，电刷经电阻接地。当码盘与轴一起转动时，电刷上将出现相应的电位，对应一定的数码。 假设采用n位码盘，那么能分辨的角度为 位数n越大，能分辩的角度越小，测量精度越高。二进制码盘很简单，但实际应用中对码盘的制作和电刷或光电元件的安装要求非常严格，否那么就会出错。例如，当电刷0111向1000位过渡时，假设电刷位置安装不准，可能出现815之间的任一十进制数，

23、这是不允许的。这种误差属于非单值误差。图3-53 码盘构造见图a二进制码盘 b四位循环码盘为了消除非单值误差，通常用循环码代替二进制码见图3-53b。循环码的特点是相邻的两个数码只有一位是变化的，因此即使制作和安装不准，产生的误差最大也只是一位数。接触式码盘的优点是简单、体积小、输出信号功率大；缺点是有磨损、寿命短、转速不能太高。3光电式角度-数字编码器 近年来，大局部编码器采用光电式构造。通常它的码盘是用玻璃制成的，码盘上有代表编码的透明和不透明的图形。这些图形是采用照相制板真空镀膜工艺形成的，相当于接触式编码器码盘上的导电区和非导电区。 一个完好的光电式角度-数字编码器包括：光源、光学系统、码盘、读数系统和电路系统。构造如图3-54所示。编码器的精度主要由码盘的精度决定，目前的分辨率可以到达0.15，径向线条宽度为0.06rads。为了保证精度，码盘的透明和不透明的图形边缘必须明晰、锐利，以减少光电元件在电平转换时产生的过渡噪声。光学系统的边缘效应是限制编码器精度的重要因素之一。图3