第7章 光电传感器

1第7章光电传感器2

第7章光电传感器与光纤传感器

以光为媒介，以光电效应为基础的传感器，把光信号转换成电信号的一种传感器。从而实现非电量的光信号电测量。光电传感器具有反应速度快、检测灵敏度高、可实现非接触测量、可靠性好、抗干扰能力强、结构简单等一系列优点，因此在生物医学测量系统中得到了广泛的应用

3§7—1光电传感器的基本原理与基本特性光电效应——光照射到物质上引起其电特性（电子发射、电导率、电位、电流等）发生变化的现象。7.1.1光电传感器基本原理（1）外光电效应受光照射，物体内的电子吸收光能逸出物体表面，向外发射的现象。如：光电管、光电倍增管。爱因斯坦光电效应方程:光电子的最大动能与入射光的频率成线性关系，而与入射光强无关。4

光电子的最大动能与入射光的频率成线性关系，而与入射光强无关。

h—普朗克常量

—入射光频率

—产生光电发射的极限频率;

光子能量恰好等于逸出功A0波长阈值:

5①光子的能量必须大于逸出功时，才产生光电效应，当入射光的频率<，入射光强再大，也不会产生光电效应。②当入射光的频率不变，产生的光电流与光强成正比。光强越强，逸出的电子数越越多，产生的光电流也越大。

斯托列夫定律:当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和光电流与入射光强成正比。③光电子逸出物体表面具有初始动量；加负的截止电压可使光电流为零。基于外光电效应的光电转换器件有：

光电管、光电倍增管等。6

（2）内光电效应：受光照射，物体电导率发生变化或产生光电动势的现象。

1）光电导效应：在光照射下，电子吸收光能过渡到自由状态，而引起材料电阻率的变化。如光敏电阻。

2）光生伏特效应：在光照射下，使物体产生一定方向的电动势。

如：光电池、光电二极管、光电三极管。77.1.2光电器件基本特性（1）光谱灵敏度—光电器件对单色辐射通量的反应，是波长的函数。在处的为最大值时，对应的为峰值波长。单色辐射通量—单位时间内发射的辐射能。（2）积分灵敏度S—光电器件对连续辐射通量的反应程度。（3）频率特性：灵敏度随射光强调制频率f变化。（4）光照（光电）特性：光电流（或电压）与入射光通量之间的关系。（5）伏安特性：入射光频谱及光通量一定时，光电流和电压之间的关系。8§7

.2光电器件与光电传感器类型7.2.1光电器件一、光电管与光电倍增管

1、光电管光电管(phototube)的种类很多，其基本结构如图所示。在真空玻璃泡内有两个电极：阴极K和阳极A。阴极是在半圆形的金属片上涂上感光材料，不同的感光材料对光波长敏感程度不同，即光谱特性不同。常用的感光材料有银、钙、锑等。在阴极前面的阳极是由环状的单根金属丝构成。

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光电管工作电路如图所示。在阴极和阳极之间供给直流电压E，阳极接电源正极，阴极接电源负极。在没有受到光照时电路无电流。如果阴极受到光照，将发射电子，电子在阳极正电动势吸引下形成电子流，并在输出负载RL中形成电压降，这个输出电压反映光强度的变化。光电管在很宽的光强度范围内稳定性好，但是灵敏度较低。为获得更高的灵敏度，可采用光电倍增管。102、光电倍增管(1)光电倍增管(photomultiplier，PMT)的结构和原理为了提高探测灵敏度，光电倍增管在高真空管中装入一个光电阴极和多个倍增电极，使用时在各个倍增电极均加上电压，而且电压依次升高，形成电子流的不断倍增，可使极其微弱的入射光转换成放大电子流，因此具备更灵敏的光检测能力。在无热生电子状态，光电倍增管甚至可检测到单个光电子。

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光电倍增管的结构原理如图所示。图中K为阴极，A为阳极。在阴极和阳极之间的Dl、

D2、…、Dn为倍增极。在阴极和阳极之间加入1000～2500V的高压。通过电压分配器使各电极的电位从阴极到阳极逐级升高，一般每相邻倍增电极间电位相差为100V左右。12倍增极用次极发射材料制成，在受到一个电子轰击后能释放出数个电子。当有微弱光线射入时，若光子打在阴极上发射出一个电子，极间的电压差使此电子加速飞向第一倍增极.引起倍增极二次电子发射，在第一倍增极上有个次极电子打出(>1)，个次极电子经聚焦、加速后轰击第二倍增极，打出2个电子……依次类推，经过n个倍增极之后，一个电子则变成了n个电子，所有电子最后被阳极收集，形成较强的输出电流。阴阳极间电压力：1000~2500V，相邻电极电位相差100V。电流放大倍数，可达106~10813假设某一光电倍增管的＝4，n＝10，则放大倍数n，约为100万倍。可见，光电倍增管对很微弱的光能产生很大的电流。光电倍增管的倍增极的数目多在4～14之间，值一般为3—6.光电倍增管灵敏度高，不能受强光照射，否则容易损坏。14(2)光电倍增管的主要特征参数

光电倍增管的主要特征参数有电流放大倍数、灵敏度和暗电流等。①电流放大倍数M(电流增益)。

电流放大倍数是指在一定工作电压下，光电倍增管阳极信号电流IA与阴极电流IK的比值。

即M＝IA／IK。

在一般正常条件下，M值为104～106，与加在光电倍增管上的总电压(阴极—阳极之间的电压)成正比，稳定性为1％左右。

15②灵敏度光电倍增管的灵敏度：是指照射单位光通量时,

阳极产生的饱和光电流值。它是描述光电倍增管将光信号转变为电信号的能力，其大小与极间所加的电压有关。图所示为光电倍增管的特征参数灵敏度、电流放大倍数与所加电压的关系曲线。16

③暗电流。当光电倍增管加有一定的工作电压，但完全没有光照时，仍有阳极电流输出，此电流的直流分量(平均量)称为暗电流。

暗电流的值与工作电压和温度有关，但是主要取决于光电倍增管材料本身的特性，例如漏电、热发射等。暗电流决定了光电倍增管可检测光通量的阈值。173、光电管、光电倍增管的应用在生物医学工程领域，光电管、光电倍增管常用于探测光学信号。这些探测仪器包括生化仪器、医用射线仪器等。光电管：

成本较低，要求直流电压低，但是灵敏度也低，多用于光信号较强的光学分析仪器。光电倍增管：

灵敏度高，放大倍数高，性能稳定，因此广泛用于弱光线的测量，尤其是对各种射线的探测。例如，光电管、光电倍增管在分光光度计中得到应用。分光光度计是根据比尔定律，测定物质对不同波长光吸收的大小，进而测出物质在溶液中的浓度和得到其光谱特性，在生化实验分析中是必不可少的仪器。18

从光源发出的光经单色光器色散后变为单色光，此单色光透过比色皿内的待测溶液，照射到光电管上。

光电管把随溶液浓度不同而变化的光信号转换成电信号，再经放大器放大后，由微安表将透光度或吸光度显示出来。

如测量较弱的光线，可将光电管换成光电倍增管，使测量灵敏度增加。分光光度计的原理框图19

二、光敏电阻

光照射光敏电阻时，导电性增加，电阻值下降，此时称为亮阻，不受光照射时电阻为暗阻。暗、亮阻之比，可达102～106。工作在可见光～红外区，弱光下工作灵敏度高于其它器件，频率特性差，光电特性非线性。光敏电阻利用的是光电导效应。20

三、光电池与光敏管

1、光电池特点：结构象二极管，工作面大，受光面为正极。有源器件，不需外接电压。频率特性好，光电转换效率高。光谱范围宽：0.45~1.1。硒光电池：，人眼视觉灵敏度最大点。21

光电池(photocell)是一种光生伏特效应元件，属于内光电效应的器件。

当它受到光照时不需外加任何形式的能量就会产生电流输出，其输出电流与接受的光照有一定的关系，反映了光照强度的大小。光电池按结构可分为两类：一是利用PN结的光生伏特效应制成的光电池；常用的有:硅光电池,锗光电池。另一类是用半导体与金属接触产生光生伏特效应制成的光电池；常见的有:硒光电池,氧化亚铜光电池。22

以硅光电池和硒光电池为例，介绍光电池的基本性能。

(1)光谱特性:

硅光电池适用的光波长在0.4～1.2范围，最大灵敏峰在0.8左右；硒光电池适用的光波长在0.3～0.7范围，最大灵敏峰在0.5左右。

(2)频率特性:硅光电池比硒光电池的频率响应高得多，而且负载电阻越小，频率响应越好，因而需要快速响应的场合可采用硅光电池。硅光电池性能稳定、光谱范围宽、频率特性好，因此使用最广泛。光电池仅与电阻连接，当光照增加(减少)时，负载RL中的电流随之增加(减少)。23

(3)光电池的伏安特性曲线伏安特性曲线中最佳负载线为Rj，把光电池特性曲线分成两个区。

1）线性区：RL<Rj，在这个区域内光电流I与光照度E正成正比，基本保持线性关系。该区域称为光电流区，一般用于线性测量中。

2）对数区：RL>Rj，在这个区域内，光电池的输出电压与光照度E的对数成正比，称为光电压区。

光电流与光照度E不存在线性关系，不能用于光探测电路，即不能用于线性测量中。24

(4)光电池的光电特性

光电池作传感器时，应利用短路电流ISC的线性特性，采用较小的负载电阻，以满足近似短路。光电池作电源时，负载电阻应适当，使输出电压与电流的乘积最大。25

应用举例：光电比色计光电比色计属于光学分析仪器，其原理图如图所示。

从光源发出的光束分成左右两路，其中右边一路光程中放有标准样品，左边一路光程中放有被测溶液。两路测量装置采用两个特性完全相同的光电池完成光电转换，两光电池的信号经输入放大器放大后送到计算机进行计算处理，然后输出在表头上显示。显示值正比于被分析样品的某项指标，如颜色、浓度、浑浊度等。262、光敏二极管光敏二极管(photodiode)亦称光电二极管，是一种半导体光电转换器件，结构与PN结二极管相似，工作要加反向偏压。其基本工作原理是当光照射半导体的PN结时，在反向电压的作用下，其反向电流随光照度变化而变化，实现将光信号转换成电信号的功能。无光照时，反向电阻达4MΩ，有光照时，反向电阻1KΩ~几百欧。频率特性好，弱光灵敏度低。光照特性线性好。27

光敏二极管响应速度快，体积小，价格低，坚实耐用，所以目前已得到广泛的应用。光敏二极管的结构与普通二极管相似，由一个PN结组成，封装在透明外壳中，引出两个电极。光敏二极管的顶部有受光窗口和透镜，以便接受光的照射。与普通二极管相比，光敏二极管的特点是结面积较大。28

光敏二极管在无光照时，电路中只有很小的反向漏电流，称为光敏二极管的暗电流。暗电流主要是由PN结中少数载流子运动形成。当光照射光敏二极管时，光子打在PN结附近，使PN结空间电荷区产生电子—空穴对，它们在外电场的作用下，与P区和N区的少数载流子做定向运动而形成电流，此时的电流要比无光照时的漏电流大得多。这种因光照而大大增加的反向电流称为光敏二极管的光电流。光电流随入射光光照度而做相应变化，光照度越强则光电流越大。

使用中，光敏二极管的正极与电源的负极相连，负极通过负载电阻接电源的正极。29

光敏二极管结构和引脚图如图所示。

普通的PN结型光敏二极管的暗电流较大，响应速度也不快，在要求响应速度快，线性度好和微弱信号检测的测量系统中常采用雪崩光敏二极管（APD）.30

光敏二极管的伏安特性曲线如图所示。1）无光照时，光敏二极管的电压—电流特性与一般二极管一样，如图中无光照曲线所示.

2）对光敏二极管施加正向电压时，正向电流将几乎随电压升高而按指数规律上升，如图中第Ⅰ象限虚线所示。如图导通的二极管，不可用于光电测量。

3）特性曲线在第Ⅳ象限时，表示光敏二极管呈“发电”特性，此时光敏二极管在光照下相当于光电池的特性。159～16331

4）特性曲线在第Ⅲ象限时，光敏二极管反向偏置，反向电流随入射光光照度的增强而增大，在一定的反向电压范围内，反向电流的大小几乎与反向电压的高低无关，但是与光照度成正比例。这正是光敏二极管用作光电探测器时的工作区域。正确使用:

对光敏二极管加反向电压，工作在第III象限。选择合适的工作点(I0，U0)和输出的负载RL，如图所示，保证光敏二极管工作在线性区。负载电阻过大和过小都会使光敏二极管偏离线性工作区。在入射光光照度一定的条件下，反向偏置的光敏二极管相当于一个恒流源159～16332

光敏二极管的测量电路图3所示

光敏二极管加反向电压，选择合适的负载电阻使其工作在线性区，光电流在负载电阻RL上产生成比例的电压，对于交流信号采用电容耦合后接交流放大器。(a)和(b)中输出信号电压与负载RL的信号电压成正比。若输入光信号是正脉冲，(a)接法在RL上也得到正脉冲电压；而在(b)接法在RL上得到负脉冲电压。

(c)用于直流信号的测量，电路由于不受电容影响，适合于高频脉冲状态。33

3、光敏晶体管(光电三极管)

光敏晶体管(phototransistor)也是一种半导体光电转换器件，兼有晶体管的放大特点，光敏感性比光敏二极管更好。光敏晶体管由两个PN结组成，有NPN型，也有PNP型，其中以NPN型为常见。与普通晶体管相比，在内部结构上，光敏晶体管的集电结面积较大，发射结面积较小，目的是扩大光照面积；在外形上多数只有集电极c、发射极e引线，基极b作为光敏感极无引线接出。光照射发射结产生的光电流相当于基极电流，集电极电流是光电流的倍。基极与集电极之间相当于反向偏置的光敏二极管；光敏晶体管的顶部有受光窗口和透镜，以便接受光的照射。34光敏晶体管的灵敏度比二极管要高；暗电流和噪声较大的，稳定性比光电二极管差；

响应速度慢于光敏二极管。

光敏晶体管的输出特性如图所示。常见的光敏晶体管有硅光敏晶体管和锗光敏晶体管。

硅光敏晶体管稳定性较好，最高使用温度为125℃左右。锗光敏晶体管一般暗电流较大，最高使用温度约50℃

。35光电二极管与光电三极管外壳形状基本相同，其判定方法:遮住窗口，用万用表R*1K挡，测两管脚引线间正、反向电阻；

均为无穷大的为光电三极管。正、反向阻值一大一小者为光电二极管。

光电二极管与光电三极管的判别36光敏三极管的基本应用电路

(a)电流控制电路(b)电压控制电路37光敏器件的主要特性曲线38各种光电元件，峰值波长相差较大，应选用与之匹配的光源。39404、雪崩二极管（APD）在PN结的P型区再设置一层掺杂浓度很高的P+层，工作电压接近击穿的反向偏压，光子激发的电子在P+区受强大的内部电场作用，加速轰向P区。通过反向电压击穿，引起电流增益，类似光电倍增管的工作原理，功率比一般二极管大104倍，工作电压比光电倍增管低。（约几百伏）一个入射光子激发出一个电子，通过碰撞电离产生更多的二次电子空穴对，频响100GHz以上，灵敏度极高，。41四、半导体位置传感器（PSD）PSD(PositionSensitiveDetector)

基于侧向光电效应，A、B间产生的侧向光电势的大小、方向与光斑相对灵敏面中心位置有关。可将光敏面上的光点位置转化为电信号。当一束光射到PSD的光敏面上时，在同一面上的不同电极之间将会有电流流过，这种电压或电流随着光点位置变化而变化的现象就是半导体的横向光电效应。利用PSD的pn结上的横向光电效应，可以检测入射光点的照射位置。它不像传统的硅光电探测器只能作为光电转换、光电耦合、光接收和光强测量等方面的应用；能直接用来测量位置、距离、高度、角度和运动轨迹等。42PSD的结构和工作原理：

由三层构成，最上层是P层，下层是N层，中间是较厚的高阻Ⅰ层，形成P-I-N结构，当PSD表面受到光照射时，在光斑位置处产生比例于光能量的电子—空穴对,流过P层电阻，分别从两个电极上输出光电流I1和I2。由于P层电阻是均匀的，电极输出的光电流反比于入射光斑位置到电极间的距离，光电流I1和I2用下面两种方式表示：(1)当坐标原点选在PSD中心时：I1=I0(L－XA)/2L，I2=I0(L＋XA)/2L(2)当坐标原点选在PSD一端时：I1=I0(2L-XB)/2L，I2=I0XB/2L43由上式可知I1、I2是光能量(I0)与位置的函数，实际应用中，由于光源光功率的波动及光源与PSD间距离的变化，I0并不是一个恒定值，为了消除I0的影响，通常把输出电流的差与和相除作为位置检测信号，即:当坐标原点选在PSD中心时：

当坐标原点选在PSD一端时：

只要检测出I1和I2的大小，即可以算出光点所在的位置。44

五、CCD固态图像传感器

CCD固态图像传感器—集光电转换，电荷存贮，电荷转移为一体。光信号→CCD（电荷耦合器件）→①一个脉冲反映1个光敏元受光情况电脉冲信号②幅度—受光强弱③顺序—光能元位置光生电荷与入射光成正比。常用线阵CCD、面阵CCD器件、摄像头。45TCD1703的驱动时序

转移脉冲SH、驱动脉冲

Φ1E,Φ1O,Φ2E,Φ2O,Φ2B、复位脉冲RS和钳位脉冲CP等。46TCD1703的驱动时序

CCD传感器必需在一组时序脉冲的驱动下才能正常工作。

TCD1703的时序脉冲共有：

转移脉冲SH，复位脉冲RS和钳位脉冲CP

驱动脉冲Φ1E,Φ1O,Φ2E,Φ2O,Φ2B等。

各路脉冲的时序关系如图所示，两个SH脉冲之间的时间即为一个积分周期。

Φ1E,Φ1O的时序相同，Φ2E,Φ2O,Φ2B的时序相同，

且与Φ1E,Φ1O的时序相反。

所以，只需把握SH、Φ1、RS、CP之间的时序关系即可。

总共12路驱动脉冲信号，只需产生SH,Φ1，RS这3路脉冲。

将Φ1反向后可得到Φ2和Φ2B；

将RS经过一个触发器延时可得到CP。477.2.2光电传感器的计算一、光通量的计算单色点光源的辐射光通量：

—波长为的光源的发光强度。∵球面面积整个球面立体度：光学元件（透镜）对点光源所张的立体角，接收的光通量。

A—光学元件面积R—光源与光学元件之间的距离∴若考虑光学元件的吸收和反射损耗：

—反射系数—光谱透射比l—光学元件内路径长k—吸收系数

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二、光电流的计算单色光源：—光谱灵敏度非单色光源：三、电路分析计算按晶体管电路理论分析计算输入光通量或光照度E代替晶体管输入电流Ib，以灵敏度代替晶体管电流放大倍数。49

减小暗电流（噪声电流—随温度升高而增大）的措施。(如图)1、桥式补偿电路：二个相同的光电元件，一个接收信号，一个在暗盒中。2、负温度系数的热敏电阻：T↑，I暗↑，RT↓，Ub基本稳定。3、光电三极管有基极引线，基射之间接入Rb，Ube↓,趋于稳定4、二极管电压负温度特性：T↑，I暗↑，URb↑，但UD2↓，∴Ub基本不变。507.2.3光电传感器的类型一、基本类型（如下页图所示）1、透射式：由测→吸收→被测量2、反射式：由测=反射→被测量3、辐射式：光源=被测对象，测→被测量4、遮挡式：5、开关式51

二、双光路光电传感器目的：减少电源波动，光路干扰等引起的测量误差。工作原理：初始时，调整光楔6→改变→两个光电元件输出相等→电桥平衡测量中：外界干扰→两光路同时变化→在电桥中抵消52机械光电鼠标:利用LED与光敏晶体管来测量位移机械光电鼠标:利用LED与光敏晶体管来测量位移54§8—6光电传感器在生物医学中的应用一、光电式脉博波检测

1、光电式脉博波传感器原理:利用近红外单色光在一般组织中的穿透性比血液中大几十倍的现象，被测部位的透光率随血管博动而变化。用光电信号测量脉搏容积变化。血管内血容量变化,使组织对光吸收量发生变化，利用光电传感器可测血液脉动基本参数情况（包括频率，幅度，形状改变）。

552、光电脉博波测量血压当P袖>P动脉，动脉被阻断，脉博波消失→最高血压(收缩压）脉博振幅最大点P袖=P动脉→平均血压光源→手指（透射法）→当V血管容积变化→V吸光物质变化→

透射变化56Geddes固定比率法由脉搏波包络线特征点获取血压值。包络线顶点Om对应袖带压Pm，即平均压；包络线上升沿一点Os对应袖带压Ps，即收缩压；包络线下降沿一点Od对应袖带压Pd，即舒张压。Os和Od的大小可由经验公式求得：Os/Om=0.55，取值范围：0.45~0.57Od/Om=0.82，取值范围：0.69~0.8957

二、生物化学光谱分析仪测量原理可见光分光光度计、紫外光分光光度计、红外光、荧光分光光度计（框图）。测量原理：不同物质吸收光波长不同，物质本身具有自己的吸收光谱。测出吸收光谱曲线，就可以对物质进行定位、定量分析。吸收曲线与物质浓度成正比。

朗伯-比尔定律：

I—透射光强度C——溶液浓度

I0—入射光强度

L——溶液厚度

K——消光系数（吸收系数）58

当I0、K、L不变时，浓度C越大，I越小，光被吸收越多。要满足使用条件，溶液浓度太大，比尔定律不成立。朗伯定律：A∝L

比尔定律：A∝CA—光的吸收程度（吸光度）单色器可由滤光片、棱镜、光栅等得到波长的单色光。棱镜色散——波长越短，色散程度越好。紫外区分辨率可达

0.2nm，长波段只能达5nm。衍射光栅——较长的光波偏折角大，较短的光波偏折的角度小，因而形成光谱。棱镜色散后起分光作用，只允许待测溶液所能吸收的单色光射出。

59光的吸收曲线：吸收系数k不仅与物质的种类有关,而且还与入射光的波长有关。正确选择入射光的波长对于测量十分重要。可见光分光光度计系统框图

60基于ARM的测量系统总体框图光学系统数据采集模块微处理器模块人机交互模块通讯接口模块6162基于ARM的测量系统电路板图63测量软件界面

64比较法求浓度C实际测量溶液的浓度常采用比较法或者比色法，用两个同样比色杯，厚度L相等和透明度均相等。

一个盛待测溶液,另一个盛浓度已知的标准溶液,由于两者为同品种溶液,用同一波长测量时吸收系数k相等。

分别测量两者的吸光度值A,其大小与浓度的关系为：65待测溶液：标准溶液：两式相比较有：A0，C0是己知的值,所以测出吸光度A，可求出待测的浓度C。66

三、光电法测