《机械工程测试技术》-第７ 章

第７章光电式传感器７.１光电效应７.２光电管及光电倍增管７.３光敏电阻７.４光电池７.５光电二极管和光电三极管７.６光电式传感器及其应用返回７.１光电效应光电式传感器是将光信号转换成电量的一种变换器,光电式传感器工作的理论基础是光电效应。光可以看成是由具有一定能量的光子所组成,而每个光子所具有的能量Ｅ正比于其频率。光射到物体上就可看成是一连串具有能量Ｅ的光子轰击在物体上,所谓光电效应是指由于物体吸收了能量为Ｅ的光子后产生的电效应。从传感器本身来看,光电效应可分为三类。７.１.１外光电效应在光线作用下,使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应,或称为光电发射效应。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。下一页返回７.１光电效应根据爱因斯坦假说,一个光子的能量只能给一个电子。因此,如果一个电子要从物体中逸出表面,必须使光子能量Ｅ＝ｈν大于表面逸出功Ａ,这时,逸出表面的电子就具有动能,即式(７－１)称为爱因斯坦光电效应方程。根据式(７－１)可以得出以下结论。(１)光电子逸出物体表面时,具有初始动能,它与光的频率有关,频率越高则动能越大;而不同的材料具有不同的逸出功Ａ,因此对某种特定的材料而言将有一个频率限。上一页下一页返回７.１光电效应当入射光的频率低于此频率限时,无论它有多强,也不能激发电子;当入射光的频率高于此频率限时,不论它有多微弱,也会使被照射的物质激发出电子。此频率限称为“红限”,红限的波长为(２)在入射光的频谱成分不变时,发射的光电子数正比于光强。即光强越大,意味着入射光子数目越多,逸出的电子数也就越多。７.１.２内光电效应在光的照射下材料的电阻率发生改变的现象称为内光电效应,或称为光电导效应。上一页下一页返回７.１光电效应基于这种效应的光电元件有光敏电阻等。内光电效应的物理过程:光照射到半导体材料上时,价带(价电子所占能带)中的电子受到能量大于或等于禁带(不存在电子所占能带)宽度的光子轰击,使其由价带越过禁带跃入导带(自由电子所占能带),使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增大,从而使电导率增大。显然,材料的光电导性能决定于禁带宽度,光子能量ｈυ应大于禁带宽度Ｅｇ(单位为ｅＶ),由此可得产生光导效应的临界波长为上一页下一页返回７.１光电效应７.１.３光生伏特效应光照射半导体ＰＮ结后,能使ＰＮ结产生电动势,或使ＰＮ结的光电流增加的现象称为光生伏特效应,或称为ＰＮ结的光电效应。基于光生伏特效应的元件有光电池、光敏二极管和光敏三极管等。上一页返回７.２光电管及光电倍增管７.２.１光电管１.光电管的结构原理光电管的典型结构如图７－１所示,它由阴极和阳极组成,并装在一个抽成真空的玻璃管内。阴极可以做成多种形式,最简单的是在玻璃管内壁上涂以阴极材料,或在玻璃管内装入涂有阴极材料的柱面形金属板。阳极为置于光电管中心的环形金属丝或是置于柱面中心轴位置上的金属丝柱。当光电管的阴极受到适当的光线照射后便发射电子,这些电子被具有一定电位的阳极吸引,在光电管内形成空间电子流。下一页返回７.２光电管及光电倍增管如果在外电路中串联一个适当阻值的电阻,则在此电阻上将有一个正比于光电管中空间电流的电压降,其电压值与阴极上的光照强度成一定的关系。另外还有充气式光电管,其结构与真空式光电管相同,只是管内充以少量的惰性气体,如氩、氖气等。当阴极被光照射产生电子后,在向阳极运动过程中,由于电子对气体分子的撞击,使惰性气体分子电离,从而得到正离子和更多的自由电子,使电流增加,提高了光电管的灵敏度。但由于充气光电管的频率特性较差、伏安特性为非线性、温度影响大等,所以不适宜做精密测量用。上一页下一页返回７.２光电管及光电倍增管２.光电管的基本特性１)光照特性光电管的光照特性是指光电管两端所加电压不变时,光通量Φ与光电流Ｉ间的关系。如图７－２所示,对于氧铯阴极的光电管,Ｉ与Φ呈线性关系,但对于锑铯阴极的光电管,当光通量较大时,Ｉ与Φ呈非线性关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。２)光谱特性光电管的光谱特性主要取决于光电阴极的材料。上一页下一页返回７.２光电管及光电倍增管不同的阴极材料对同一种波长的光有不同的灵敏度;同一种阴极材料对不同波长的光也具有不同的灵敏度,可用光谱特性描述。光谱特性又称频谱特性,如图７－３所示的光电管的光谱特性,特性曲线峰值对应的波长称为峰值波长,特性曲线占据的波长范围称为光谱响应范围。由图７－３可知,对不同波长区域的光应选用不同材料的光电管,使其最大灵敏度处于需要检测的光谱范围内。例如,被检测的光主要成分在红外区时,应选用氧铯阴极光电管。３)伏安特性上一页下一页返回７.２光电管及光电倍增管光电管的伏安特性是指在一定的光通量照射下光电流与光电管两端的电压关系。如图７－４所示,在不同的光通量照射下,伏安特性是几条相似的曲线。当极间电压高于５０Ｖ时,光电流开始饱和,所有的光电子都达到了阳极。真空光电管一般工作于饱和部分,内阻高达几百兆欧。对于充气光电管,极间电压超过５０Ｖ时,随着电压的提高,光电流成正比增加,因此,在使用充气光电管时,极间电压可适当提高,但超过极限值时,阴极会很快被破坏。上一页下一页返回７.２光电管及光电倍增管４)暗电流光电管在全暗条件下,极间加上工作电压,光电流并不等于零,该电流称为暗电流。它对测量微弱光强及精密测量的影响很大,因此在特定的应用场合下应尽量选用暗电流小的光电管。５)温度特性光电管输出信号、特性与温度的关系称为温度特性。工作环境温度变化会影响光电管的灵敏度,因此应严格在各种阴极材料规定的温度下使用。６)频率特性上一页下一页返回７.２光电管及光电倍增管在同样的极间电压和同样幅值的光强度下,当入射光强度以不同的正弦交变频率调制时,光电管输出的光电流Ｉ(或灵敏度)与频率ｆ的关系,称为频率特性。由于光电发射几乎具有瞬时性,所以真空光电管的调制频率可高达１ＭＨｚ以上。７)稳定性和衰老光电管有良好的短期稳定性,随着工作时间的增加,尤其是在强光照射下,其灵敏度将逐渐降低。实践证明,入射光越强或波长越短,其衰老速度越快。如果把已降低了灵敏度的光电管停止使用,放在黑暗的地方,可部分或全部恢复其灵敏度。上一页下一页返回７.２光电管及光电倍增管７.２.２光电倍增管１.光电倍增管的结构原理在光照很弱时,光电管所产生的光电流很小,为了提高灵敏度,常应用光电倍增管,其积分灵敏度可达几安每流明。光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础上,光电倍增管的结构原理如图７－５所示。

光电倍增极上涂有在电子轰击下可发射更多次级电子的材料,倍增极的形状和位置正好能使轰击进行下去,在每个倍增极间均应依次增大电压。上一页下一页返回７.２光电管及光电倍增管光电倍增管的倍增极有许多形式,它的基本结构应把光电阴极和各光电倍增极及阳极隔开,防止光电子散射和在阳极附近形成的正离子向阴极返回,产生不稳定现象;另外,应使电子从一个倍增极发射出来无损失地到达下一级倍增极。设每极的倍增率为δ,若有ｎ级,则光电倍增管的光电流倍增率将为δｎ。２.光电倍增管的基本特性１)光照特性上一页下一页返回７.２光电管及光电倍增管在光通量不大时,阳极电流Ｉ和光通量Φ之间有良好的线性关系,如图７－６所示,但当光通量很大(Φ>０.１ｌｍ)时,光电特性出现严重的非线性,这是由于在强光照射下,大的光电流将使后几级倍增极疲劳,造成二次发射系数降低;产生非线性的另一个原因是当光通量大时,阳极和最后几级倍增级将会受到附近空间电荷的影响。２)光谱特性光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光谱特性相似。在较长波长的范围时,光谱特性取决于光电阴极的材料性能,而在较短波长的范围时,光谱特性则取决于窗口材料的透射特性。锑钾铯光电阴极的光电倍增管的光谱特性如图７－７所示。上一页下一页返回７.２光电管及光电倍增管３)伏安特性光电倍增管的阳极电流Ｉ与最后一级倍增极和阳极间的电压Ｕ的关系称为光电倍增管的伏安特性,如图７－８所示。此时,其余各级电压保持恒定。在使用时,应使其工作在饱和区。４)暗电流当光电倍增管不受光照,但极间加入电压时在阳极上会收到电子,这时产生的电流称为暗电流。产生暗电流的原因是热电子发射、极间漏电流、场致发射等。光电倍增管的暗电流对于测量微弱光强和精确测量的影响很大。上一页返回７.３光敏电阻７.３.１结构原理光敏电阻又称为光导管,其工作原理是基于内光电效应。由于内光电效应仅限于光线照射的表面层,所以光电半导体材料一般都做成薄片并封装在带有透明窗的外壳中。光敏电阻的典型结构和梳状电极如图７－９所示,电极一般做成梳状,以增加其灵敏度。光敏电阻没有极性,使用时在电阻两端加直流或交流电压,在光线的照射下可改变电路中电流的大小。光敏电阻的种类很多,一般由金属的硫化物、硒化物和碲化物等制成,如硫化镉、硫化铅、硒化铟、碲化铅等。由于材料不同,相应的光敏电阻的特性有很大不同。下一页返回７.３光敏电阻７.３.２基本特征１.暗电阻、亮电阻及光电流光敏电阻在不受光照射时测得的阻值称为暗电阻,此时流过电阻的电流称为暗电流;受光照时的阻值称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流;亮电流与暗电流之差称为光电流。光敏电阻的暗电阻一般为兆欧级,而亮电阻一般为千欧级。光敏电阻的暗电阻越大,亮电阻越小,则性能越好,即光电流要尽可能大,此时光敏电阻的灵敏度就高。２.伏安特性上一页下一页返回７.３光敏电阻在一定的光照下,光电流与光敏电阻两端所加电压的关系称为光敏电阻的伏安特性,硫化镉光敏电阻的伏安特性如图７－１０所示。由图可见,在一定的光照下,所加的电压越大,光电流越大,且没有饱和现象,但在使用时不允许超过功耗限。３.光照特性光敏电阻的光电流Ｉ与光通量Φ之间的关系称为光照特性,如图７－１１所示。大多数光敏电阻的光照特性是非线性的,这是光敏电阻的一大缺点。４.光谱特性上一页下一页返回７.３光敏电阻光敏电阻的光谱特性表示照射光的波长与光电流的关系。图７－１２所示为光敏电阻的光谱特性,由图可见,不同的材料在不同波长的光的照射下具有不同的灵敏度,因此在选择光敏电阻时,应与所使用的光源相适应。５.频率特性流过光敏电阻的光电流并不是随着光照强度的变化而立刻做出相应的变化,而是存在一定的滞后,滞后时间一般用上升响应时间ｔＬ(从开始受光照到光电流上升到饱和电流值的６３％时为止的时间)和下降响应时间ｔｈ(稳定的光照从突然消失到光电流从饱和值下降到３７％为止的时间)表示。上一页下一页返回７.３光敏电阻光敏电阻的响应时间ｔＬ和ｔｈ一般都为毫秒级,比较大,这也是它的缺点之一。６.温度特性与其他半导体器件一样,光敏电阻的特性受温度影响很大。随着温度的升高,光敏电阻的暗电阻和灵敏度都将下降、光谱响应峰值将向左移。硫化镉光敏电阻的主要技术参数见表７－１。上一页返回７.４光电池７.４.１硅光电池的结构原理光电池是基于光生伏特效应制成的,是一种可直接将光能转换为电能的光电元件。制造光电池的材料很多,主要有硅、锗、硒、硫化镉、砷化镓和氧化亚铜等。硅光电池是在一块Ｎ型硅片上,用扩散的方法掺入一些Ｐ型杂质,形成一个大面积的ＰＮ结,再在硅片的上、下两面制成两个电极,然后在受光照的表面上蒸发一层抗反射层,构成一个电池单体。如图７－１３所示,光敏面采用梳状电极以减少光生载流子的复合,从而提高转换效率,减小表面接触电阻。下一页返回７.４光电池当光照射到电池上时,一部分被反射;另一部分被光电池吸收。被吸收的光能一部分变成热能;另一部分以光子形式与半导体中的电子相碰撞,在ＰＮ结处产生电子—空穴对。在ＰＮ结内电场的作用下,空穴移向Ｐ区,电子移向Ｎ区,从而使Ｐ区带正电,Ｎ区带负电,于是Ｐ区和Ｎ区之间产生光电流或光生电动势。受光面积越大,接收的光能越多,输出的光电流越大。７.４.２光电池的基本特性１.光照特性光照特性是指光电池的开路电压ＵＯＣ、短路电流ＩＳＣ与光照度ＥＶ之间的关系。硅光电池的光照特性曲线如图７－１４所示。上一页下一页返回７.４光电池由图可见,短路电流与照度呈线性关系;开路电压与照度之间呈非线性关系,当照度大于２０００ｌｘ时趋于饱和。因此,光电池作为测量元件使用时,应注意使其工作在接近短路状态为宜,即负载电阻应尽量小,在不同负载下光电流与照度间的关系如图７－１５所示。因此,使用时应把光电池作为电流源来使用,并且根据具体应用情况选择合适的负载电阻,充分利用其线性关系。２.光谱特性光电池的光谱特性取决于所用材料,硅光电池和硒光电池的光谱特性如图７－１６所示。上一页下一页返回７.４光电池硒光电池响应区段在３００~７００ｎｍ波长间,峰值出现在５００ｎｍ左右;硅光电池响应区段在４００~１２００ｎｍ波长间,峰值出现在８００ｎｍ左右。硒光电池在可见光范围内有较高的灵敏度,常用于照度计测定光的强度。实际使用中,应根据光源性质选择光电池,也可以根据现有光电池选择光源。还应注意,与光敏电阻一样,光电池的光谱峰值也会随着使用温度而变化。３.频率特性上一页下一页返回７.４光电池在实际应用中,如果光电池作为测量元件、计数元件及接收元件,则采用调制光输入。光电池的频率特性就是指调制光的频率与光电流的关系,频率特性与光电池的材料、结构、尺寸和使用条件有关。光电池的ＰＮ结面积大,极间电容大,因此频率特性差。硅光电池和硒光电池的频率特性曲线如图７－１７所示。由图可见,相比之下,硅光电池有较好的频率特性。４.温度特性光电池的温度特性是指光电池的开路电压ＵＯＣ和短路电流ＩＳＣ随温度变化的关系,如图７－１８所示。上一页下一页返回７.４光电池光电池的温度特性关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移,是影响测量精度的主要性能指标之一,在光电池作为测量元件时,最好能保证温度恒定,或采取温度补偿措施。硅光电池的主要技术参数见表７－２。上一页返回７.５光电二极管和光电三极管７.５.１结构原理光电二极管也称为光敏二极管,其结构与普通二极管相似,但其ＰＮ结位于管子顶部,可以直接受到光照射。使用时光电二极管一般处于反向工作状态,如图７－１９所示。

在没有光照射时,光电二极管的反向电阻很大,反向电流即暗电流很小。当光线照射ＰＮ结时,在ＰＮ结附近激发出光生电子—空穴对,它们在外加反向偏压和内电场的作用下做定向运动,形成光电流。光照度越大,光电流越大。光电二极管有三种类型,即普通ＰＮ结型光电二极管(ＰＤ)、ＰＩＮ结型光电二极管(ＰＩＮ)和雪崩型光电二极管(ＡＰＤ)。下一页返回７.５光电二极管和光电三极管相比之下,ＰＩＮ二极管具有很高的频率响应速度和灵敏度,而ＡＰＤ二极管除了响应时间短、灵敏度高外,还具有电流增益作用。有关这几种光电二极管的具体结构与工作原理可参考有关资料。光电三极管的工作原理与反向偏置的光电二极管类似,不过它有两个ＰＮ结,像普通三极管一样能得到电流增益,其结构与普通三极管相似,只是它的基区做得很大,以扩大光的照射面积。基极一般不接引线,但也可以同时加上电信号和光信号进行双重控制。光电三极管有ＮＰＮ和ＰＮＰ两种类型,ＮＰＮ型光电三极管的电路连接如图７－２０所示。

当集电极加上相对于发射极为正的电压而基极开路时,集电结处于反向偏置状态。上一页下一页返回７.５光电二极管和光电三极管当光线照射到集电结的基区,会产生光生电子—空穴对,光生电子被拉到集电极,基区留下了带正电的空穴,使基极与发射极间的电压升高。这样,发射极(Ｎ型材料)便有大量电子经基极流向集电极,形成光电三极管的输出电流,从而使光电三极管具有电流增益作用。７.５.２基本特性１.光照特性外加偏置电压一定时,光电流Ｉ与照度ＥＶ的关系称为光照特性,如图７－２１所示。上一页下一页返回７.５光电二极管和光电三极管由图可见,相比之下光电二极管光照特性的线性度要好,但光电流由于没有增益而比光电三极管小很多,且当光照足够大时均会出现饱和,饱和值的大小和材料、掺杂浓度及外加偏压有关。２.光谱特性在照度一定时,光电流与入射光频率之间的关系称为光谱特性。光电二极管和光电三极管的入射光的频率(波长)决定光生载流子的产生与否及其能量大小。光电晶体管的光谱特性如图７－２２所示,锗管的响应频段在５００~１７００ｎｍ波长范围内,最高灵敏度在１４００ｎｍ附近;硅管的响应频段在４００~１０００ｎｍ波长范围内,最高灵敏度在８００ｎｍ附近。上一页下一页返回７.５光电二极管和光电三极管所以在探测红外光时,采用锗管;探测可见光和炽热状态物体时,都采用硅管。３.伏安特性光电二极管和光电三极管的光电流与外加偏压的关系称为其伏安特性,如图７－２３所示。由图可见,其特性与普通二极管和三极管的特性相似。光电二极管的光电流与所加偏压几乎无关,在入射照度一定时,它相当于一个恒流源。对光电三极管来说,偏压对光电流有明显的影响。当照度保持一定,偏压较小时,曲线陡峭,光电流随着偏压的增大而增大,偏压增大到一定程度时,光电流处于近似饱和状态。上一页下一页返回７.５光电二极管和光电三极管４.频率特性频率特性是指光电流与光照度调制频率的关系,光电晶体管的频率特性如图７－２４所示。一般来说,光电三极管的频率响应比光电二极管小很多。而在光电三极管中,锗管的频率响应要比硅管小一个数量级,实际使用时应根据具体情况进行选择。另外,通过减小负载电阻值可提高频率响应,但同时也减小了输出光电信号。５.温度特性光电晶体管的亮电流对温度不是很敏感,但其暗电流受温度影响严重,而且是非线性的,这是因为热源会发出红外光。照度越强,温度影响越小。上一页下一页返回７.５光电二极管和光电三极管使用光电晶体管时,应根据有关器件手册上的数据进行选择,同时注意不要超过光电流、极间偏压、耗散功率和环境温度的允许值;保持光的入射方向不变,否则将影响光照效应。７.５.３结构及技术参数１.光电二极管根据半导体器件命名规定,国内普通光电二极管型号可分为硅ＰＮ型结构和２ＣＵ型。其中２ＣＵ型光电二极管采用金属密封顶端玻璃透镜管座,其外形尺寸为ϕ２ｍｍ左右的管形,适合于程序控制中的线带光电读取。顶端入射窗口也有采用平面玻璃形式的,其结构如图７－２５所示。上一页下一页返回７.５光电二极管和光电三极管对于２ＣＵ型光电二极管,使用温度一般为－５５℃~１２５℃,相对湿度为９５％~９８％ＲＨ,冲击１００ｇ,振动(１１±１)ｇ(５０Ｈｚ)。可广泛应用于光计数器、自动计数、测量、自动报警、光电耦合、编码器等场合。２.光电晶体管光电晶体管的分类及结构如图７－２６所示,光电晶体管的技术指标见表７－３。上一页返回７.６光电式传感器及其应用７.６.１光电式传感器的类型光电式传感器是非接触式传感器,在非电量测量中应用十分广泛,根据其实际应用中输出量的性质可以将光电式传感器的应用分为两类:模拟量光电检测系统和开关量光电检测系统。１.模拟量光电检测系统这种系统可将被测量转换为连续变化的光电流,该检测系统有下列几种形式。(１)用光电元件测量物体温度,如光电比色高温计就是采用光电元件作为敏感元件,将被测物在高温下辐射的能量转换为光电流。下一页返回７.６光电式传感器及其应用(２)用光电元件测量物体的透光能力。(３)用光电元件测量物体表面的反射能力。光线投射到被测物体上后又反射到光电元件上,而反射光的强度取决于被测物体表面的性质和状态,如测量表面粗糙度等。(４)用光电元件检测位移。光源发出的光线被被测物体遮挡了一部分,使照射到光电元件上光的强度变化,光电流的大小与遮光多少有关。２.开关量光电检测系统这种系统是将被测量转换为断续变化的光电流。利用光电元件在有光照和无光照时的输出特性来制作开关式光电转换元件。属于这种类型的有计算机中的光电输入装置、光电测速传感器等。上一页下一页返回７.６光电式传感器及其应用７.６.２应用实例１.光电比色计光电比色计是用于化学分析的仪器,其工作原理如图７－２７所示。光束分为两束强度相等的光线,其中一路光线通过标准样品;另一路光线通过被分析的样品溶液;左右两路光程的终点分别装有两个相同的光电元件,如光电池等。光电元件给出的电信号同时送给检测放大器,放大器后边接指示仪表,其指示值正比于被分析样品的某个指标,如颜色、浓度或浊度等。２.光电转速计上一页下一页返回７.６光电式传感器及其应用光电转速计分为反射式和透射式两大类,它们都是由光源、光路系统、调制器和光电元件组成,其工作原理如图７－２８所示。调制器的作用是把连续光调制成光脉冲信号,它可以是一个带有均匀分布的多个小孔(缝隙)的圆盘,也可以是一个涂上黑白相间条纹的圆盘。当安装在被测轴上的调制器随被测轴一起旋转时,利用圆盘的透光性或反射性把被测转速调制成相应的光脉冲。光脉冲照射到光电元件上时,即产生相应的电脉冲信号,从而把转速转换成电脉冲信号。上一页下一页返回７.６光电式传感器及其应用透射式光电转速计的工作原理如图７－２８(ａ)所示,当被测轴旋转时,其上的圆盘调制器将光信号透射至光电元件,转换成相应的电脉冲信号,经放大整形电路输出ＴＴＬ电平的脉冲信号,转速可由该脉冲信号的频率来决定。反射式光电转速计的工作原理如图７－２８(ｂ)所示,当被测轴转动时,反光与不反光交替出现,光电元件接收光的反射信号,并转换成电脉冲信号。频率可用一般的频率表或数字频率计测量。光电元件多采用光电池、光敏二极管或光敏三极管,以提高寿命、减小体积、减小功耗和提高可靠性。被测转轴转速与脉冲频率的关系为上一页下一页返回７.６光电式传感器及其应用３.光电耦合器和光电开关１)光电耦合器光电耦合器有金属封装和塑料封装两种结构形式,如图７－２９所示。发光部分一般采用砷化镓红外发光二极管,如图７－３０所示。

由于受光元件不同,因而产生了不同类型的光电耦合器。光电耦合器的一个重要特性参数是电流传输比(ＣＴＲ),是指输出管的工作电压为额定值时,输出电流Ｉｃ和发光二极管正向电流ＩＦ之比,用百分比表示。上一页下一页返回７.６光电式传感器及其应用使用光电耦合器的触发电路如图７－３１