第8章-光电式传感器

第八章光电式传感器

总课时:6学时讲授课时:4学时试验课时:2学时第一节、光电传感器基本原理与组成目录第二节、常用光电器件第三节、光纤传感器第四节、光电传感器的应用一、具有外光电效应的光电器件（光电管）二、光电倍增管三、内光电效应器件四、光电耦合器件第一节、光电传感器基本原理与组成

光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应。在现代检测与控制系统中、应用非常广泛。优点：（1）光电元件响应快．（2）结构简单，而且有较高的可靠性。（3）抗干扰能力强等特点等优点，在自动检测中得到广泛的应用。被测量光信号的变化电信号光电器件或光电元件—

能够将光量转换为电量的一种器件。光电传感器一般由辐射源、光学通路和光电器件三部分组成。一、光电传感器定义、组成1、光电器件按探测原理分类

热探测型首先将光信号的能量变为自身的温度变化，然后再依赖于器件某种温度敏感特性将温度变化转变为相应的电信号。探测器对波长没有选择性，只与接收到的总能量有关。光子探测型基于光电效应原理，即利用光子本身能量激发载流子。这类探测器有一定的截止波长，只能探测短于这一波长的光线，但它们响应速度快，灵敏度高，使用最为广泛。二、分类外光电效应

在光线作用下能使物体的电子逸出表面的现象，

如：光电管、光电倍增管内光电效应

在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如：光敏电阻、光敏二极管阻挡层光电效应

在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象，也称光生伏特效应。如：光电池2、按光电原理分类三、外光电效应

在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

众所周知，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量可由下式确定：h—普朗克常数，—光的频率。

物体中的电子吸收了入射光子的能量，当足以克服逸出功A。时、电子就逸出物体表面，产生光电子发射。如果一个电子要想逸出，光子能量必须超过逸出功A。·超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理：图8-2光电效应原理图

该方程称为爱因斯坦光电效应方程。由上式可知：(1)、光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。(2)当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大．意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。(3)光电子选出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件、如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。

二、内光电效应

当光照射在物体上，使物体的电阻率会发生变化．或产生光生电动势的效应叫做内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：

1．光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。

2．光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏持效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。一、具有外光电效应的光电器件（光电管）第二节常用光电器件1、结构与工作原理

光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似．如图7—2所示。它们内一个阴极和一个阳极构成．并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁．其上涂上光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。当光照在阴极上时．中央阳极可以收集从阴极上逸出的电子。在外电场作用下形成电流I，如图8-3所示。图8-3光电管的结构原理图

充气光电管内充有少量的惰性气体如组氩或氖，当充气光电管的阴极放光照射后，光电子在飞向阳极的途中，和气体的原子发生碰撞而使气体电离，因此增大了光电流，从而使光电管的灵敏度增加；

但导致充气光电管的光电流与入射光强度不成比例关系，因而充气光电管稳定性较差、惰性大、温度影响大、容易衰老等一系列缺点。目前由于放大技术的提高，对于光电管的灵敏度不再要求那样严格，况且真空式光电管的灵敏度也正在不断提高，在自动检测仪表中，由于要求温度影响小和灵敏度稳定，所以一般都采用真空式光电管。2、光电管的主要特性(1)光电管的伏安持性在一定的光照射下、对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安持性，真空光电管和充气光电管的伏安持性分别如图8—4(a)和(b)所示：图8—4真空光电管和充气光电管的伏安特性(2)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8—5所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性．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，它呈非线性关系。光照特性曲线的斜率(光电流与入射光光通量之比)称为光电管的灵敏度。

图8-5光电管的光照特性二、光电倍增管1、结构及工作原理：当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几个微安，很不容易探测。时常用光电倍增管对电流进行放大、图75是光电倍增管的外形和工作原理图。图8-6光电倍增管的工作原理光电阴极半导体光电材料锑-铯制造若干倍增极

414个不等，并加上一定的电压阳极收集电子，外电路形成电流输出。聚焦极——引导电子进入倍增级。组成

光阴极发射出来的光电子被聚焦极电场加速后撞击到第一倍增极，以便发生二次电子发射，产生多于光电子数目的电子流。这些二次电子发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极产生又一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集，从而达到了电流放大的作用。这时光电倍增管的阴极产生的很小的光电子电流，已经被放大成较大的阳极输出电流。如此不断倍增，阳极最后收集到的电子数将达到阴极发射电子数的倍。工作原理：2、光电倍增管的优点：

今天我们使用的光电器件中，光电倍增管（PMT）是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件，光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。3．主要参数（1）倍增系数M：倍增系数M等于各倍增电圾的二次电子发射系数的乘积。因此，阳极电流I为：式中i—光电阴极的光电流。

一般的光电倍增管有9～12个倍增极，所以阳极灵敏度与所加电压可以有106～1010的变化。光电倍增管的输出信号也特别地容易受到所加电压的波动的影响，所以供电电压一定要有很好的稳定性、较小的纹波、漂移和温度系数。为了降低空间电荷效应影响，在电荷密度较高的后几个倍增极和阳极上所加的电压应适当地提高，增强后几个光电倍增极和阳极的电压梯度。

(2)光电阴极灵敏度和光电信增管总灵敏度

一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。

光电倍增管的实际放大倍数或灵敏度如图7—6所示。极间电压越高，灵敏度越高；但极问电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳，另外．由于光电倍增管的灵敏度很高。所以不能受强光照射．否则将会损坏。图8-7光电倍增管的特性曲线（3）阳极暗电流

在光电倍增管的使用过程中必须考虑阳极暗电流的影响。光电倍增管在完全黑暗的环境中仍会有微小的电流输出，这个微小的电流叫做阳极暗电流。若光电倍增管存在较大的暗电流这必然影响系统的信噪比。阳极暗电流主要由于电子热发射、残留气体电离（离子反馈）、玻璃发光、光电倍增管的芯柱和管基、管座等的漏电所引起，这些影响因素不可能完全消除，所以系统在选用探测器必须考虑暗电流的影响同时要考虑到通过电路设计或采用数字滤波来消除暗电流的影响从而提高系统的精度。（4）光谱响应特性光电倍增管的阴极将入射光的能量转换为光电子。其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。光谱响应特性的长波端取决于光阴极材料，短波端则取决于入射窗材料。

稳定性是指探测器在一定光照条件中，随时间的变化阳极输出电流变化的性能。长时间连续使用光电倍增管，尽管使用条件没有任何改变，其输出电流随时间也会出现轻微的变化。这个变化叫做漂移，或者，当时间长至103到104小时的时候，叫做寿命特性。漂移主要是由于最末倍增极受到大电流轰击造成的。所以，稍低的工作电压有利于减小漂移。在强调稳定性的场合，平均阳极电流最好在1μA或更低的水平。（5）时间稳定性及寿命：闪烁探测器参数表(CH126)型号CH126管直径MMΦ51最大外形φ69*250低压供电电源-12V高压电源+520V用途闪烁计数与能谱分析该产品由日本滨松光电子生产具体资料请访问日本滨松光电子（中国公司）网站：:三、内光电效应器件1、光敏电阻具有内光电效应

图8-8光敏电阻结构结构：光敏电阻又称为光导管。光敏电阻几乎都是用半导体材料制成。光敏电阻的结构较简单、如图8-8(a)所示。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极。使电极与半导体层可靠地电接触，然后．将它们压入塑料封装体内。原理：光敏电阻是利用半导体材料的光导效应即由于光照强弱而导致半导体阻值变化的现象而工作的，这种具有光导效应的半导体材料就称为光敏电阻。

光敏电阻就像一个电阻元件，只是阻值随光照变化。

无光照时，暗电阻很大，电流很小。受一定范围的光照时，电阻急剧减小，电流迅速增加。

优点：具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应从紫外区到红外区，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜。

为了防止周围介质的污染,在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。图8-9缺点：实验证明，光敏电阻的光电流不能立刻随着光照量的改变而立即改变，即光敏电阻产生的光电流有一定的情性，这个惰性通常用时间常数t来描述。所谓时间常数即为光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63％所需要的时间，因此，时间常数越小，响应越迅速；但大多数光敏电阻的时间常数都较大，相对于光电管这是它的缺点。2、光敏二极管和光敏三极管

（1）光敏二极管

光敏二极管的符号如图8—10所示锗光敏二极管有A，B，C、D四类。硅光敏二极管2CU1A—D系列、1DU1—4系列。

图8—10光敏二极管符号图图8-11光敏二极管接线法

光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中—般是处于反向工作状态，如图8—11所示。光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流，当光照射时．当光不照射时、光敏二极管处于载止状态，受光照射时，光敏二极管处于导通状态。光敏二极管的光电流I与R之间呈线性关系。但传统的光敏二极管响应速度较慢。

随着高速光通信和信息处理技术的发展，提高光电传感器的响应速度变得越来越重要。新型光电二极管不断出现，比如高速光电二极管（PIN结光电二极管、雪崩光电二极管）。（2）光敏三极管

光敏三极管有PNP型和NPN型两种．如图8—12所示：光敏三极管的结构与一般三极管很相似，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积、且其基极往往不接引线。

图8-13光敏二极管的符号和基个工作电路原理：光敏三极管像普通三极管一样有两个PN结，因此具有电流增益。光敏三极管的基本工作线路如图8—13(b)所示。当集电极加上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时，会产生电子、空穴对。光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍。光敏三极管的主要特性(1)光敏三极管的光谱特性

光敏三极管的光谱特性曲线，如图8—14所示。从曲线可以看出。光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。图8-14光敏晶体管的光谱特性

当人射光的波长增加时，相对灵敏度要下降，这是容易理解的，因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而相对灵敏度下降。(2)光敏三极管的伏安特性

光敏三极管的伏安特性曲线如图8—14所示。光敏三极管在不同的照射下的伏安特性。就像一般晶体管在不同的基极电流的输出特性—样。图8-14光敏品体管的伏安特性(3)光敏三极管的温度特性

光敏三极管的温度特性曲线如图8—15所示，它反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影晌很小，而对暗电流的影响很大。所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿．否则将会导致输出误差。图8-15光敏品体管的温度特性(4)光敏三极管的频率特性

光敏三极管的频率特性曲线如图8—16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。如果要求截止频率高、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。图8-16光敏晶体管的频率特性四、光电耦合器件

光电耦合器件是由发光元件（比如发光二极管)和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。根据其结构和用途不同又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。1．光电耦合器

光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。耦合器的组合形式常见的有以下几种，如图8—15所示。

图(a)所示的组合形式结构简单、成本较低，且输出电流较大，可达100mA，响应时间为3-4微秒。图(b)形式结构简单，成本较低、响应时间快，约为1微秒，但输出电流小，在50一300微A之间。图(c)形式传输效率高，但只适用于较低频率的装置中。图(d)是一种高速、高传输效率的新颖器件。对图中所示无论何种形式，为保证其有较佳的灵敏度，都考虑了发光与接收波长的匹配。光电耦合器组合形式

光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器，它具有抗干扰性能和单向信号传输功能，广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合。

2．光电开关

光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。光电开关结构

上图为典型的光电开关结构图。图(a)是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样起到检测作用。图(b)是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与TTL、MOS等电路容易结合。用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高一低”(1-0)之分即可。其基本电路如下图所示：主要由发光二极管和光敏三极管和CMOS比较器组成：光电开关基本电路

光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中作物体检测，产品计数，料位检测，尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。第三节光纤传感器

光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列优点:如不受电磁干扰；体积小；重量轻；可挠曲，灵敏度高；耐腐蚀，电绝缘、防爆性能好，易与微机连接，便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前景。一、光纤传感器的发展和特点二、光纤传感器的分类

光纤传感器可以分为两大类，一类是功能型(传感型)传感器；另一类是非功能型(传光型)传感器。

1、功能型传感器是利用光纤本身的待性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等待性发生变化．再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。2、非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质。三、光纤的结构和传输原理1．光纤的结构光导纤维简称为光纤，目前基本上还是采用石英玻璃，其结构示于图8—27。中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层，纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成，纤芯的折射率略大于包层的折射率，在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，而光纤的机械强度由保护套维持。8-17光纤的结构图2．光纤的传输原理众所周知，光在空间是直线传播的。在光纤中光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。设有一段圆柱形光纤，如图8—18所示：图8-18光纤的传光原理它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成角时，根据斯乃尔光的折射定律，在光纤内折射成，然后以角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射，则纤芯与界面的光线入射角应大于临界角即>并在光纤内部以同样的角度反夏逐次反射，直至传播到另一端面。为满足光在光纤内的全内反射，光入射到光纤端面的临界入射角氏应满足下式:

实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。一般光纤所处环境为空气，则no＝1。这样在界面上产生全反射，在光纤端面上的光线入射角为:说明光纤集光本领的术语叫数值孔径NA，即:

数值孔径反映纤芯接收光量的多少。其意义是；无论光源发射功率有多大，只有入射光处于的光锥内，光纤才能导光。

如入射角过大，如图8—18中，经折射后不能满足全反射要求，光线便从包层选出而产生漏光。所以NA是光纤的一个重要参数。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸变，所以要适当选择数值孔径的数值。3、光纤传感器

光纤传感器由于它的独特的性能而受到广泛的重视，它的应用正在迅速地发展。下面我们介绍几种主要的光纤传感器:1．光纤加速度传感器:光纤加速度传感器的组成结构如图8—19所示。它是一种简谐振子的结构形式。

激光束通过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时，由于质量块M对光纤的作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。

图8-19光纤加速度传感器结构简图2．光纤温度传感器光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而广泛使用的光纤传感器。根据工作原理可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。这里仅介绍一种光强调制型的半导体光吸收型光纤温度传感器，图8—20为这种传感器的结构原理图:图8-20半导体光吸收型光纤温度传感器

它的敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信号。传感器是由半导体光吸收器、光纤、发射光源和包括光控制器在内的信号处理系统等组成。它体积小、灵敏度高、工作可靠，广泛应用于高压电力装置中的温度测量等待殊场合。这种传感器的基本原理是利用了多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性，如图8—21所示，材料的吸收光波长将随温度增加而向长波方向移动，如果适当地选定一种波长在该材料工作范围内的光源，那么就可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化，从而达到测量温度的目的。结构及原理

这种光纤温度传感器结构简单、制造容易、成本低、便于推广应用，可在一10一300度的温度范围内进行测量，响应时间约为2s。图8-21半导体的光透过率特性3、光纤旋涡流量传感器光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入流管，当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关系，测出频率便可知流速。这种流量传感器结构示意图如图8—23所示图8-23光纤旋涡流量传感器

当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时，根据流体力学原理，在某些条件下，在非流线体的下游两侧产生有规则的旋涡，其旋涡的频率近似与流体的流速成正比，即:v——流速；d——流体中物体的横向尺寸大小；s——斯持罗哈(strouhal)数，它是一个无量纲的常数;

在多模光纤中，光以多种模式进行传输，在光纤的输出端，各模式的光就形成了干涉花样，这就是光斑。一根没有外界扰动的光纤所产生的干涉图样是稳定的，当光纤受到外界扰动时，干涉图样的明暗相间的斑纹或斑点发生移动。

如果外界扰动是由于流体的涡流而引起时，干涉图样的斑纹或斑点就会随着振动的周期变化来回移动，那么测出斑纹或斑点移动频率，即可获得对应于振动频率的信号，根据式就可推算流体的流速。这种流量传感器可测量液体和气体的流量，因为传感器没有活动部件，测量可靠，而且对流体流动不产生阻碍作用，所以压力损耗非常小。这些特点是孔板、涡轮等许多传统流量计所无法比拟的。类型模拟式传感器—

其测量系统是光电流为被测光通量的函数。脉冲式传感器—

其测量系统是使其输出端工作在“通”与“断”的开关状态。第四节光电传感器