自动检测与转换技术-第六章

自动检测与转换技术物理及电子工程学院

杨恒Tel-mail:shanksyoung@2023/2/22第六章光电式传感器内容：光电器件CCD传感器

以光电器件作为转换元件的传感器优点：响应快、性能稳、非接触。2023/2/23物质受到光照会发生某些电学特性的变化，这一现象称为光电效应。光电效应：光电子发射效应（外光电效应）光电导效应（内光电效应）光生伏特效应三种类型发生在物体内部发生在物体表面半导体金属光电器件2023/2/24

当物质受到光照射时，电子得到了足够的光能会从物质表面上放射出来的现象，称为光电子发射。普通光电管和光电倍增管就是利用这种原理制成的。

光电子发射效应（外光电效应）

当物质受到光的照射时，载流子的浓度增加，电导率增大的现象，称为光电导效应。光敏电阻就是利用这种效应制成的。光电导效应（内外光电效应）光电式传感器2023/2/25

当物质受到光的照射时，两种材料的界面上产生电动势的效应，称为光生伏特效应。光电池就是利用这种效应制成的。光生伏特效应（内外光电效应）

光电发射型器件非电量转换光亮变化光子光电器件光电效应电流（电子）光电式传感器6.1.2光电管一概念:

光电管：

将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电管通常用于自动控制、光度学测量和强度调制光的检测。如用于保安与警报系统、计数与分类装置、影片音膜复制与还音、彩色胶片密度测量以及色度学测量等。二结构和工作原理:

图8-15甲是一种真空光电管，玻璃泡里的空气已经抽出，有的光电管的玻璃泡里充有少量的惰性气体(如氩、氖、氦等)．泡的内半壁涂有碱金属，例如钠、锂、铯，作为阴极K．泡内另有一阳极A．使用时像图8-15乙那样把它连在电路里，当光照射到光电管的阴极K时，电路里就产生电流，电流的强度取决于照射光的强度．光电管不能用强光照射，否则容易老化失效．光电管产生的电流很弱，应用时可以用放大器把它放大．

光电管的类型

基于外光电效应的基本光电转换器件真空光电管和充气光电管两类。

真空光电管:真空光电管（又称电子光电管）由封装于真空管内的光电阴极和阳极构成。当入射光线穿过光窗照到光阴极上时，由于外光电效应（见光电式传感器），光电子就从极层内发射至真空。在电场的作用下，光电子在极间作加速运动,最后被高电位的阳极接收,在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光阴极的灵敏度等因素。

按照光阴极和阳极的形状和设置的不同，光电管一般可分为5种类型。①中心阴极型：这种类型由于阴极面积很小，受照光通量不大，仅适用于低照度探测和光子初速度分布的测量。②中心阳极型：这种类型由于阴极面积大，对入射聚焦光斑的大小限制不大；又由于光电子从光阴极飞向阳极的路程相同，电子渡越时间的一致性好;其缺点是光电子接收特性差,需要较高的阳极电压（图a）。③半圆柱面阴极型：这种结构有利于增加极间绝缘性能和减少漏电流（图b）。④平行平板极型：这种类型的特点是光电子从阴极飞向阳极基本上保持平行直线的轨迹，电极对于光线入射的一致性好。⑤带圆筒平板阴极型：它的特点是结构紧凑、体积小、工作稳定。

充气光电管:

充气光电管（又称离子光电管）由封装于充气管内的光阴极和阳极构成。它不同于真空光电管的是，光电子在电场作用下向阳极运动时与管中气体原子碰撞而发生电离现象。由电离产生的电子和光电子一起都被阳极接收，正离子却反向运动被阴极接收。因此在阳极电路内形成数倍于真空光电管的光电流。

充气光电管的电极结构也不同于真空光电管。常用的电极结构有中心阴极型、半圆柱阴极型和平板阴极型。充气光电管最大缺点是在工作过程中灵敏度衰退很快，其原因是正离子轰击阴极而使发射层的结构破坏。充气光电管按管内充气不同可分为单纯气体型和混合气体型。①单纯气体型：这种类型的光电管多数充氩气，优点是氩原子量小，电离电位低，管子的工作电压不高。有些管内充纯氦或纯氖，使工作电压提高。②混合气体型：这种类型的管子常选氩氖混合气体，其中氩占10％左右。由于氩原子的存在使处于亚稳态的氖原子碰撞后即能恢复常态，因此减少惰性。

光电管的特性

(1).光电管的光谱特性

光电管的光谱特性是指光电管在工作电压不便的条件下，入射光的波长与其绝对灵敏度（即量子效率）的关系。光电管的光谱特性主要取决于阴极材料，常用的阴极材料有银氧铯光电阴极、锑铯光电阴极、铋银氧铯光电阴极及多硷光电阴极等，前两种阴极使用比较广泛。

由光电管的光谱特性曲线可以看出，不同阴极材料制成的光电管有着不同的灵敏度较高的区域，应用时应根据所测光谱的波长选用相应的光电管。例如被测光的成分是红光，选用银氧铯阴极光电管就可以得到较高的灵敏度。(2).光电管的伏安特性

光电管的伏安特性是指在一定光通量照射下，光电管阳极与阴极之间的电压UA与光电流IΦ之间的关系。5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压/VIA/μA光电管的伏安特性

光电管在一定光通量照射下，光电管阴极在单位时间内发射一定量的光电子，这些光电子分散在阳极与阴极之间的空间，若在光电管阳极上施加电压UA，则光电子被阳极吸引收集，形成回路中的光电流IΦ。当阳极电压升高，阳极发射的光电子指引一部分被阳极收集，其余部分仍返回阴极。随着阳极电压的升高，阳极在单位时间内收集到的光电子数增多，光电流IΦ也增加。如果阳极电压升高到一定数值时，阴极在单位时间内发射的光电子全部被阳极收集，称为饱和状态，以后阳极电压升高，光电流IΦ也不会增加。（3）

光电管的光照特性

通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。

(4).光电管的光电特性

光电管的光电特性是指光电管阳极电压和入射光频谱不便的条件下，入射光的光通量Φ与光电流IΦ之间的关系，在光电管阳极电压足够大，使光电管工作在饱和状态条件下，入射光通量和光电流线性关系，参见图6所示。

(5).暗电流

如果将光电管置于无光的黑暗条件下，当光电管施加正常的使用电压时，光电管产生微弱的电流，此时电流称为暗电流。暗电流的产生主要是由漏电流引起的。

6.1.3光敏电阻光敏电阻是由具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻器件。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小，重量轻，性能稳定，机械强度高，耐冲击和振动，寿命长，价格低。1．光敏电阻的基本特性（1）光电流。光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻（暗阻），此时的电流称为暗电流；光敏电阻在受光照射时的阻值称为亮电阻（亮阻），此时的电流称为亮电流；亮电流与暗电流之差称为光电流。暗阻越大越好，亮阻越小越好，也就是光电流要尽可能大，这样光敏电阻的灵敏度就越高。（2）伏安特性。在一定的照度下，加在光敏电阻两端的电压与光电流之间的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性曲线。在外加电压一定时，光电流的大小随光照的增强而增加；外加电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。（3）光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量的关系曲线，称为光敏电阻的光照特性。光敏电阻的光照特性曲线是非线性的，所以光敏电阻不宜做定量检测元件，而常用作光电开关。（4）光谱特性。光敏电阻对于不同波长l的入射光，其相对灵敏度是不同的。（5）频率特性。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，这是光敏电阻的时延特性。（6）光谱温度特性。光敏电阻受温度影响较大，随着温度的升高，暗阻和灵敏度都下降。2．光敏电阻质量的测试将万用表置于R×1kW挡，把光敏电阻放在距离25W白炽灯50cm远处（其照度约为100lx），可测得光敏电阻的亮阻；再在完全黑暗的条件下直接测量其暗阻值。如果亮阻值为几千到几十千欧姆，暗阻值为几兆到几十兆欧姆，则说明光敏电阻质量良好。6.1.4光敏晶体管1．光敏二极管（1）工作原理。光敏二极管是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光敏元件。在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。（2）光敏二极管的检测方法。用欧姆表检测时，先让光照射在光敏二极管管芯上，测出其正向电阻，其阻值与光照强度有关，光照越强，正向阻值越小；然后用一块遮光黑布挡住照射在光敏二极管上的光线，测量其阻值，这时正向电阻应立即变得很大。2．光敏三极管（1）工作原理。光敏三极管也是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光敏元件，分为PNP型和NPN型两种。当光照射在PN结附近，PN结产生光生电子-空穴对，在PN结处内电场作用下，做定向运动，形成光电流，因此PN结的反向电流大大增加，由于光照射发射结产生的光电流相当于三极管的基极电流，因此集电极电流是光电流的b倍。（2）基本特性。①光谱特性。②伏安特性。③光照特性。④温度特性。⑤时间常数。（3）光敏三极管的检测方法。用一块黑布遮住照射在光敏三极管的光，选用万用表的R×kW挡，测量其两引脚间的正、反向电阻，若均为无限大时则为光敏三极管；拿走黑布，则万用表指针向右偏转到15～30kW处，偏转角越大，说明其灵敏度越高。6.1.5光电池光电池也是基于半导体光生伏特效应的原理制成的，是自发电式有源器件。应用最多的是硅光电池、硒光电池、砷化钾光电池和锗光电池等。1．光谱特性光电池的相对灵敏度Kr与入射光波长l之间的关系称为光谱特性。不同材料光电池的光谱峰值位置是不同的。2．光照特性光生电动势U与照度Ee之间的特性曲线称为开路电压曲线；光电流密度Je与照度Ee之间的特性曲线称为短路电流曲线。短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，这是光电池的主要优点之一；开路电压与光照度之间的关系是非线性的，并且在照度为2000lx的照射下就趋于饱和了。3．频率特性光电池的频率特性是光的调制频率f与光电池的相对输出电流Ir之间的关系曲线。4．温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压U、短路电流I随温度t变化的曲线。开路电压随温度增加而下降得较快，而短路电流随温度上升而增加得却很缓慢。红外传感器

6.2.1红外辐射红外辐射的物理本质是热辐射。一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。而且红外线被物体吸收时，可以显著地转变为热能。

6.2.2红外探测器红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。1．热探测器热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定探测器所吸收的红外辐射。2．光子探测器光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电子的相互作用，改变电子的能量状态，引起各种电学现象（这一过程也称为光子效应）。通过测量材料电子性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。光电式传感器应用举例6.3.1光敏电阻传感器的应用如图6.19所示为带材跑偏检测装置的工作原理和测量电路图。6.3.2光敏晶体管的应用1．光电耦合器光电耦合器是将一个发光器件和一个光敏元件同时封装在一个壳体内组合而成的转换元件。当有电流流过发光二极管时便产生一个光源，此光照射到封装在一起的光敏元件后产生一个与发光二极管正向电流成比例的集电极电流。

2．脉冲编码器

3．光电转速传感器6.3.3光电池的应用光电池主要有两大类型的应用：一是将其作为光生伏特器件使用，直接将太阳能转换为电能，即太阳能电池；另一类是将光电池作为光电转换器应用，需要它具有灵敏度高，响应时间短等特性，主要应用于光电检测和自动控制系统。1．太阳能电池电源太阳能电池电源系统主要由太阳能电池方阵、蓄电池组、调节控制器和阻塞二极管组成。若要向交流负载供电，则加一个直流-交流变换器（逆变器）。图6.24太阳能电池电源系统方框图2．光电报警电路当太阳光照射光电池时，SCR有了门极触发电压，此时SCR导通，负载接通。电位器R调节光电平使报警器发出声响。6.3.4红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，故可用红外探测器检测温度。如采用分离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。光电开关光电开关器件是以光电元件、三极管为核心，配以继电器组成的一种电子开关。当开关中的光敏元件受到一定强度的光照射时就会产生开关动作。基本光电开关电路光电断续器光电断续器的工作原理与光电开关的相同，但其光电发射器、接收器放置于一个体积很小的塑料壳体中，所以两者能可靠地对准。光电断续器也可分为遮断型和反射型两种。CCD图像传感器及应用电耦合器件（ChargeCoupledDevice,CCD）是20世纪70年代在MOS集成电路技术基础上发展起来的新型半导体器件。它具有光电转换、信息存储和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。1．CCD的光敏元结构及存储电荷的原理当在金属电极上施加一正偏压、在没有光照的情况下，光敏元中的电子数目很少。光敏元受到从衬底方向射来的光照后，产生光生电子—空穴对。电子被栅极上的正电压所吸引，存储在光敏元中，称为“电子包”。光照越强，光敏元收集到的电子越多，所俘获的电子数目与入射到势阱附近的光强成正比，从而实现了光与电子之间的转换。图6.30MOS电容器组成的光敏元半导体硅片上制有几百万个相互独立、排列规则的光敏元，称为光敏元阵列。若照射到阵列上的是一幅明暗起伏的图像，那么光敏元会产生一幅与光照强度对应的“光生电荷图像”，这就是CCD摄像器件的光电转换原