传感器技术 课件 第9章 光电式传感器

第9章

光电式传感器光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。特点：光电传感器一般情况下，非接触测量、高精度、高分辨率、高可靠性、反应快。

9.1光电效应由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击在物体上。光电效应：由于物体吸收了能量为E的光后产生的电效应。

光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。1、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。爱因斯坦光电效应方程：式中：

h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；f—入射光频率；m—电子质量；v—电子逸出速度；A—物体的逸出功。

①光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。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。③光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2

，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。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。光电效应方程表明：

当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：（1）光电导效应在光线作用，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、内光电效应过程：

当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg（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特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。①势垒效应（结光电效应）接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。②侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。9.2光电器件及其特性9.2.1光电管

一构造与工作原理

1光电管

光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。它们结构相似，由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上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。光电管的结构示意图光阳极光电阴极光窗1光电特性表示当光电管的阳级电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上光通量φ之间的关系。二特性

光电管的伏安特性5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压/VIA/μA2伏安特性当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同光电流的关系叫伏安特性。3光谱特性由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。4其他特性光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯性特性、暗电流和衰老特性等。光电倍增管其他主要参数：倍增系数M

，光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度，暗电流和本底电流，飞行时间及其涨落等使用时应根据产品说明书和有关手册合理选用。光电倍增管由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105~106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。9.2.2光电倍增管

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μA，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大。9.2.3光敏电阻光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻优点：灵敏度高，体积小、重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高、耐冲击和振动，寿命长。光敏电阻的结构及表示符号A

金属封装的硫化镉光敏电阻结构图。当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流越小越好。光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体

光敏电阻的基本应用电路a）UＯ与光照变化趋势相同的电路b）UＯ与光照变化趋势相反的电路

光敏电阻开关电路9.2.4光敏二极管和光敏晶体管当二极管和三极管的PN结接受到光照射时，通过PN结的电流将增大。光敏二极管和光敏晶体（光敏三极管）则必须使PN结能受到最大的光照射。PN光光敏二极管符号RL

光PN光敏二极管接线

光敏晶体管（光敏三极管）光敏二极管和光敏三极管实物图半导体光电元件的特性一、光电特性光电特性是指这些半导体光电元件产生的光电流与光照之间的关系。二、伏安特性伏安特性是指光照一定时，这些光电元件的端电压U与电流I之间的关系。三、光谱特性

半导体光电元件对不同波长的光，其灵敏度是不同的，因为只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子--空穴对。而光子能量的大小与光的波长有关。9.2.5光电池

光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。+光PN－SiO2RL(a)光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图

P

N光电池的示意图光电池外形光敏面其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池

9.3电荷耦合器件CCD

电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器，它是1970年贝尔实验室的W·S·Boyle和G·E·Smith发明的，它与光敏二极管阵列集成为一体，构成具有自扫描功能的CCD图象传感器。它不仅作为高质量固体化的摄象器件成功地应用于广播电视、可视电话和无线电传真，而且在生产过程自动检测和控制等领域已显示出广阔的前景和巨大的潜力。CCD的工作原理CCD是一种半导体器件，在N型或P型硅衬底上生长一层很薄的SiO2，再在SiO2薄层上依次序沉积金属电极，这种规则排列的MOS电容阵列再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。CCD可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到图象传感器的作用。

CCD有线阵和面阵两种。线阵64位CCD结构示意图二相驱动视频输出

行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区沟阻P1

P2P3P1

P2P3P1

P2P3感光区存储区析像单元视频输出输出栅串行读出面型CCD图像传感器结构(a)(b)电荷转移过程：

三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3，次在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3。随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。电荷输出的顺序可表示光敏元的位置，电荷的多少可以表示光敏元的受光强弱。光导纤维(简称光纤)是用比头发丝还细的石英玻璃丝制成的，每一根光导纤维由一个圆柱形纤芯和色层组成，而且纤芯的折射率n1略大于色层的折射率n2，它们的相对折射率差用Δ表示，Δ=1-n2/n1通常Δ为0.005～0.14。

当光的入射角大于纤芯与包层间的临界角时，光就会在光纤的界面上产生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。一、光导纤维的结构和传输原理9.4光纤传感器二、光导纤维的种类

1光导纤维按其折射变化情况分为：阶跃型：光导纤维的纤芯与包层之间的折射率是突变的。渐变型：光导纤维的纤芯的中心处折射率最大，由中心向外逐渐减小。2按其传输模式多少来分类，则有单模和多模两种单模：通常指跃变形光纤中纤芯尺寸很小、传输模式很少，原则上只能传送一种模式的光纤；多模：通常指跃变形光纤中纤芯尺寸较大、传输模式很多的光纤。阶跃型

渐变型三、光纤传感器结构原理及应用实例

由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。光纤信号处理光发送器敏感元件光接收器光纤传感器光纤由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。

光纤传感器按其工作原理来分：1、功能型(或称物性型、传感型)其光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。功能型光纤传感器分为振幅调制型、相位调制型及偏振态调制型。光是一种电磁波，其波长从极远红外的1mm到极远紫外线的10nm。式中

A——振幅矢量；ω——光波的振动频率；φ——光相位；t——光的传播时间。

可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。

马赫·琴特干涉仪原理图（光相位调制型）2、非功能型（或称结构型、传光型）其光纤只是作为传光的媒介，还需加上其他敏感元件才能组成传感器。例：光纤位移传感器光纤测温传感器光频率调制型光纤传感器光纤位移传感器原理图综合应用：激光多普勒光纤流速测量系统

9.5光电传感器及其应用（1）光源本身是被