《智能传感器与智能仪表》课件-项目6：光电式与光纤传感器

外光电效应及典型元件从爱因斯坦理论到国之重器项目六

光电式传感器电气工程学院目录CONTENTS外光电效应基本原理Smartsensorsandsmartmeters01典型元件Smartsensorsandsmartmeters02知识导入光电发射效应爱因斯坦1905年用光照射某一物体，可看作物体受到一连串能量为hf（或hν）的光子的轰击组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应外光电效应内光电效应知识导入手机自动调节亮度扫地机器人辨别方向天文望远镜捕捉星光外光电效应基本原理光电效应外光电效应光线作用下，物体内部电子获得光子能量从表面释放出来的现象，称为外光电效应又称为光电发射效应已知每个光子具有的能量为：h=6.626×10-34J∙s普朗克常数f光频率，HzE=hf外光电效应基本原理能量守恒W0——电子逸出物体表面所需的功（逸出功）

me=9.109×10-31kg——电子的质量v0——电子逸出物体表面时的初速度入射光子能量=逸出功+光电子初动能

光电效应方程外光电效应光子“踢出”电子内光电效应光子“激发”电子在材料内部形成导电性变化外光电效应基本原理截止频率红限频率f0=w0/h电子要想逸出金属表面，光子能量必须足够大0102只有入射光的频率大于某一频率f0时，电子才会从金属表面逸出外光电效应基本原理例题波长为4000的单色光照射在逸出功为2.0eV的金属材料上，求：光电子的初动能和红限频率。解：由能量守恒公式hf=w0+EkEk=hf-w0金属逸出功1eV=1.6×10-19J

典型元件单个光子把全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，使自由电子能量增加当入射光照射在阴极上时电子可以克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射当电子获得的能量足够大时结构半圆筒形金属片制成得阴极K和位于阴极轴心得金属丝制成得阳极A封装在抽成真空得玻璃壳内。光电管典型元件工作原理光电管

光电管基本测量电路光电管正常工作时，阳极电位高于阴极入射光频率大于红线频率时，阴极表面逸出的“光电子”被阳极吸引，在光电管内形成空间电子流光强增大，轰击阴极的光子数增多单位时间发射光电子数增多，光电流变大，电流IΦ和电阻RL上的电压U0和光强成函数关系，实现光电转换典型元件光电倍增管结构阴极阳极第一倍增电极第二倍增电极倍增电极通常为通常为10~15级典型元件工作原理光电倍增管工作时，相邻电极之间保持一定电位差，其中阴极电位最低，各倍增电极电位逐级升高，阳极电位最高。光电倍增管光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发光电子光电子按聚焦极电场进入倍增系统，二次电子释放效应倍增放大电子，阳极收集输出典型元件主要性能若倍增电极有n级，各级的倍增率为δ，则光电倍增管的倍增系数为δn，令倍增系数为M，则有以下关系式：光电倍增管倍增系数MI=iM=iδnI为阳极电流i为光电阴极发出的初始光电流n为倍增极个数δ为各级的倍增率电流放大倍数ß=M=I/i=δn一般M在105-108之间阳极和阴极之间的电压为1000~2500V两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V“放大能力”让它能捕捉到极微弱光信号思考一下为什么在激光雷达中，选择光电倍增管而非普通光电二极管除灵敏度，还需考虑哪些因素课程小结基础科学驱动技术革新|技术革新服务国家需求1905年爱因斯坦的理论突破如今光电倍增管支撑我国各项领域课程小结都要怀揣对科学的敬畏、对国家的责任每一次技术的突破都可能藏着改变世界的力量每一个物理公式的背后内光电效应及典型元件从原理到生活应用项目六

光电式传感器电气工程学院目录CONTENTS内光电效应基本原理Smartsensorsandsmartmeters01基于光导效应的元件Smartsensorsandsmartmeters02基于光生伏特效应的元件Smartsensorsandsmartmeters03知识导入没有太阳能电池的光伏效应，就没有绿色能源的革命光伏效应没有光敏电阻的导率变化，就没有自动亮起的路灯电阻导率内光电效应基本原理内光电效应指物质吸收光子后，其内部电学性质发生变化，但光电子并不逸出物质表面的物理现象这主要发生在半导体材料中光导效应光生伏特效应内光电效应基本原理主要特点需要外部电源供电，属于电阻控制型器件输出的是电阻或电流的变化关键公式产生条件为hv≥Eg光导效应过程产生电子-空穴对，材料中载流子浓度增加，电导率增大。光照越强，光生电子-空穴对越多，阻值就越低。机理入射光子能量（hv）大于半导体材料的禁带宽度（Eg）时，价带电子被激发跃迁到导带，同时在价带留下空穴。内光电效应基本原理光生伏特效应机理

|当光子能量大于禁带宽度，在半导体PN结的内建电场作用下，电子-空穴对被分离：电子漂移到N区，空穴漂移到P区在PN结两端产生光生电动势，如果接通外电路，会形成光生电流特点

|无需外部电源，自身发电，属于电源型器件输出的是电压或电流典型元件：基于光导效应的元件光敏电阻光敏电阻（photocell）光敏电阻器|光导管是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器

光敏电阻结构图（a）

光敏电阻外形图（b）元件符号光敏电阻器一般用于光的测量、控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）光敏电阻器对光的敏感性与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化常用制作材料为硫化镉、硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等，这些材料在特定波长的光照射下，阻值会迅速减小典型元件：基于光导效应的元件光敏电阻工作原理

|光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能光敏电阻原理演示

在特定波长的光照射下材料的阻值会迅速减小光照越强，光生电子-空穴对越多，阻值越低半导体片内光敏电阻就激发出电子-空穴对参与导电在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源正极，空穴奔向电源的负极，使电路中电流增强当光敏电阻制作材料受到光的照射时：入射光消失，电子-空穴对复合，电阻恢复原值典型元件：基于光导效应的元件光敏电阻2）亮电阻

光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流4）光谱响应又称光谱灵敏度，指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度主要参数1）暗电阻光敏电阻不受光的阻值，大于1MΩ，温度上升暗电阻减小，暗电流增大灵敏度下降5）温度系数部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，在高温下的灵敏度较低3）光电流

亮电流与暗电流之差称为光电流典型元件：基于光导效应的元件光敏电阻光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小，则说明其性能越好0102暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻灵敏度高典型元件：基于光导效应的元件光敏电阻光电特性在光敏电阻两极电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性不宜作检测元件是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用作开关式光电传感器典型元件：基于光导效应的元件光敏电阻光敏电阻上升和下降响应时间约10–2～10–3s光敏电阻不能用在要求快速响应的场合光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间（上升时间）才能达到其稳定值在停止光照后，光电流也需要经过一段时间，才能恢复到其暗电流值（时延特性）典型元件：基于光导效应的元件光敏电阻光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关选用时要把元件和光源结合起来考虑伏安特性所加电压越高，光电流越大，没有饱和现象给定电压下，光电流数值随光照增强而增大1、2分别为照度为零及照度为某值时的伏安特性典型元件：基于光导效应的元件光敏电阻频率特性硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大硫化铅不能用在要求快速响应的场合伏安特性温度变化影响暗电阻和灵敏度，也影响光敏电阻的光谱响应峰值随温度上升向波长短的方向移动光敏电阻的频率特性随所用材料的不同而有所区别典型元件：基于光导效应的元件光敏晶体管光敏二极管光电二极管（photodiode）是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器，外形和元件符号如图所示：光敏二极管结构图（a）

光敏二极管外形图（b）元件符号光敏二极管的结构电子电路中广泛采用的光敏器件相同点：光敏二极管和普通二极管一样具有一个PN结不同点：在光敏二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射典型元件：基于光导效应的元件光敏晶体管无光照时有很小的饱和反向漏电流（暗电流），此时光敏二极管截止受光照时饱和反向漏电流大大增加，形成光电流该电流随入射光强度的变化而变化光敏二极管工作原理PN结具备单向导电性，工作时需加上反向电压可以利用光照强弱来改变电路中的电流典型元件：基于光导效应的元件光敏晶体管最高工作电压光敏二极管最高工作电压是指无光照时，光敏二极管允许的最高反向工作电压暗电流光敏二极管在无光照情况下并加一定反向电压时的漏电流，暗电流越小，二极管性能越稳定光谱响应特性不同类型的光电二极管，其光谱特性和峰值波长不同。通常，锗管的光谱范围要比硅管宽光电流受到一定光照及最高工作电压下流过二极管的反向电流，一般几十微安，与照度呈线性关系主要参数典型元件：基于光导效应的元件光敏晶体管光敏三极管光电三极管有两个PN结与普通晶体管相似有电流增益，灵敏度比光敏二极管高常见光敏三极管外形图多数光敏晶体管的基极没有引出线，只有正负（C、E）两个引脚所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别有一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用典型元件：基于光导效应的元件光敏晶体管内部结构（a）结构简化图（b）基本电路（c）结构为适应光电转换的要求，它的基区做得较大，以扩大光的照射面积发射区面做得较小，并在基区边缘，以避免发射极阴线遮住基区影响灵敏度典型元件：基于光导效应的元件光敏晶体管光敏晶体管的基本特性光谱特性光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长入射光波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样，只需把光电流看作基极电流即可。伏安特性典型元件：基于光导效应的元件光敏晶体管光敏晶体管的基本特性温度特性（a）暗电流与温度关系（b）亮电流与温度关系温度变化对亮电流的影响较小，对暗电流的影响十分显著，电子线路中应对暗电流进行温度补偿典型元件：基于光导效应的元件光敏晶体管光敏晶体管的基本特性频率特性

|01减小负载电阻可以提高响应频率02将使输出降低03使用时要根据频率选择最佳的负载电阻典型元件：基于光生伏特效应的元件光电池外形图光电池工作原理

光电池太阳能电池利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的器件，可把太阳能变成电能是发电式有源元件，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把光电池的半导体材料的名称冠于光电池（或太阳能电池）之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前应用最广、最有发展前途的是硅光电池。命名方式典型元件：基于光生伏特效应的元件结构（a）内部结构（b）基本电路01在电阻率约为0.1Ω·cm～1Ω·cm的N型硅片上，扩散硼形成P型层；02分别用电极引线把P型和N型层引出，形成正、负电极；03如果在两电极间接上负载电阻RL，则受光照后就会有电流流过；04为防止表面反射光，在器件受光面进行氧化以形成SiO2保护膜。典型元件：基于光生伏特效应的元件工作原理当光照射P区表面时，若光子能量（hv）大于硅的禁带宽度，则在P区内每吸收一个光子便产生一个电子-空穴对PN结内电场的方向由N区指向P区，使扩散到PN结附近的电子-空穴对分离，光生电子被推向N区，光生空穴被留在P区使N区带负电，P区带正电，形成光生电动势。若用导线连接P区和N区，电路中有光电流流过典型元件：基于光生伏特效应的元件基本特性硅光电池的频率特性较好，工作频率的上限约为数万赫兹，可用于高速记数、有声电影等方面，而硒光电池的频率特性较差；频率特性温度特性开路电压随温度升高而下降的速度较快。短路电流随温度升高而缓慢增加。因此作测量元件时应考虑进行温补。典型元件：基于光生伏特效应的元件基本特性光谱特性光电特性光谱峰值约800nm，可在很宽范围内应用硅光电池光谱峰值约540nm，在可见光谱范围内有较高的灵敏度，适宜测可见光硒光电池在很大范围内与光强成线性关系短路电流与光强是非线性的，在2000lx时趋于饱和开路电压典型元件：基于光生伏特效应的元件光电池的应用光敏二极管结构图太阳能供电不受季节、天气、白昼等因素影响，可在晴天储备能量每家每户都可以使用，可形成一个大的供电系统网络机械仪表远程遥控自动化遥测家庭生活应用领域课程小结内光电效应让我们看到物理原理，隐藏着改变世界的力量02-内光电效应支撑了智能传感和绿色能源的发展01-比如更高效的太阳能电池、更灵敏的生物传感器等04-随着半导体技术的进步，内光电效应还会有更多新应用03-用科技解决实际问题光导效应和光生伏特效应光纤传感器“光丝”织就感知网项目六

光电式传感器电气工程学院目录CONTENTS光纤传感器概述Smartsensorsandsmartmeters01光纤传感器结构与工作原理Smartsensorsandsmartmeters02光纤传感器的分类与特点Smartsensorsandsmartmeters03光纤传感器的调制形式Smartsensorsandsmartmeters04知识导入光纤传感器不仅能传输信息，还能感知世界光纤传感器能让光在千米长的光纤中奔跑，还能敏锐地捕捉到温度、压力、振动等物理量的微小变化在高压、强磁、易燃易爆等极端环境下大显身手光纤传感器概述光纤传感器光探测器一般均为半导体光敏元件光导纤维光纤传感器的核心部件利用光的完全内反射原理传输光波的一种媒质光纤：光导纤维

|是20世纪70年代发展起来的一种新兴的光电技术材料近年随着光纤技术的发展，光纤传感器技术和光纤传感器获得了广泛的应用光导纤维光源光探测器光纤传感器结构与工作原理结构位于光纤的中心，是由玻璃或塑料制成的圆桂体，具有较大折射率n1，光主要在纤芯中传输纤芯包层围绕着纤芯的圆筒形部分为包层，用比纤芯折射率小的玻璃或塑料制成，折射率n2，n2＞n1保护层为了增强机械强度，最外面为保护层，一般为尼龙料光纤结构示意图光纤是种多层介质结构的同心圆柱体光纤传感器结构与工作原理工作原理包层2.光导纤维低折射率高折射率1.光源3.光探测器光纤的传播基于光的全反射当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；

光线在光纤端面入射角θ增大到某一角度θc时，光线全部反射。光纤传感器结构与工作原理工作原理斯奈尔(Snell)定律实现全反射的临界入射角θC

包层2.光导纤维低折射率高折射率1.光源3.光探测器光纤传感器结构与工作原理外界温度、压力、电场、磁场、振动等因素作用于光纤，将会引起光纤中传输的光波特征参量发生变化测出这些参量随外界因素的变化关系，即可确定对应物理量的变化大小，因而实现对应参量的测量工作原理依靠一次次的全反射：光被巧妙地约束在纤芯中，向前传播光纤传感器的分类与特点分类（1）物性型光纤传感器

|物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号，其工作原理基于光纤的光调制效应。温度压力电场磁场传光特性会发生变化光相位光强被测物理量的变化敏感元件型/功能型光纤传感器光纤传感器的分类与特点分类（2）结构型光纤传感器结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统传光型光纤传感器非功能型光纤传感器光纤传感器的分类与特点特点绝缘无感应02）电气性能抗电磁和原子辐射径细质软、重量轻01）机械性能耐水、耐高温耐腐蚀03）化学性能04)灵敏度较高07)可制造传感不同物理信息的器件05)光纤几何形状具有多方面的适应性08)可用多种恶劣环境06)可以制成任意形状的光纤传感器09)具有与光纤遥测技术的内在相容性光纤传感器的调制形式强度调制型结构简单