石大机械工程测试技术讲义13光电式传感器

光电式传感器(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室目录一、概述1、什么是光电式传感器？2、光电效应的种类1）外光电效应；2）内光电效应；3）光生伏特效应。二、光电管1、结构2、工作原理3、爱因斯坦光电效应方程式4、特点及应用三、光敏电阻1、光敏电阻的简单结构2、光敏电阻检测光的原理3、光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电流4、光敏电阻的基本特性5、光敏电阻的特点及应用四、光敏晶体管1、光敏二极管2、光敏三极管3、基本特性五、光电池1、结构特点2、工作原理3、基本特性六、光纤传感器七、光电传感器的特点及应用1、光电传感器的两种类型2、模拟式光电传感器的作用形式3、光电式传感器的特点及应用补充问题1、半导体内光电效应与光强和光频率的关系如何？一、概述1、什么是光电式传感器？利用光电器件将光信号转换为电信号的一种传感器称为光电式传感器。若使用这种传感器测量其它非电量时，只要将这些非电量的变化转换成光信号的变化即可。光电式传感器的理论基础是基于光电效应。所谓光电效应就是由于物体吸收了能量为的光子能量后而产生的电效应。2、光电效应的种类1）外光电效应光线照射在某些物体上，引起电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应。也称光电发射，逸出来的电子通称光电子。基于外光电效应的光电元件有：光电管、光电倍增管等。2）内光电效应。物体受光照射后，其内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部，使物体的电阻率发生变化的现象称为内光电效应，又叫光电导效应。基于内光电效应的光电元件有：光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管等。3）光生伏特效应。在光的作用下使物体内部产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应（或称为阻档层光电效应）。基于内光电效应的光电元件有：光电池、光电晶体管等。二、光电管1、结构最简单的真空光电管有阳极、阴极、玻璃外壳以及电极引线等几部分组成。玻璃壳里的空气已经抽出，有的管里充有少量的惰性气体（如氩、氖、氦等）；管的内表面涂有感光层（阴极K），感光层采用不同红限的物质（如钾、银、锌等），可制成用于不同光谱范围的光电管。阳极A一般作成圆环形。2、工作原理光电管是应用最普遍的一种基于外光电效应的光电器件。使用时将光电管连在电路里，用电池使阳极和阴极间保持一恒定电势差。当光照射到光电管的阴极K时，阴极发射电子，电路里就有电流产生。3、爱因斯坦光电效应方程式光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体，物体中的电子吸收光子能量后，光子能量的一部分用于电子逸出物体表面的逸出功，另一部分变成电子的动能，根据能量守恒定律，该光子的能量等于逸出功加上电子增加的能量，即式中：——普朗克常数；——入射光的频率——电子的质量；——电子逸出物体表面时的初速度——某物体的逸出功该式称为爱因斯坦光电效应方程式，它描述了外光电效应的基本规律。由爱因斯坦光电效应方程式可得出几个基本结论：1）当入射光频谱成份不变时，被照射物体在单位时间内发射的光电子数与入射光的强度（光强）成正比。3）光电子脱出物体时的初速度（初动能）和照射光的频率有关，而和发光强度无关，它随入射光的频率增大而增大2）低于某物体红限的入射光线，不论它有多强，也不会使该物体发射光电子；反之，不论入射光多弱，只要它的频率高于被照射物体的红限，该物体就能发射光电子。注：某种材料在入射光的照射下，产生光电效应有一个最低频率单色光的限制，这个最低频率称为该材料的红限。不同物质的红限是不同的。原因：当入射光频率低于红限时，光子的能量传递给一个电子时，仅能够溢出的功，光电子飞离物体表面的初速度为零，即物体此时无法发射光电子。4、特点及应用1）特点：1）光电管不能受强光照射，否则容易老化失效；2）光电管产生的电流很弱，应用时需用放大器把它放大；3）光电管的灵敏度很高，具有良好的短期工作稳定性，但当长时间连续工作后，性能逐渐变坏，灵敏度降低。2）应用：可用于记录和测量光的强度，在光信号检测、有声电影制作、自动控制等领域得到应用。三、光敏电阻1、光敏电阻的简单结构光敏电阻由掺杂的半导体薄膜沉积在绝缘基片上而成，纯粹是个电阻，没有极性。光敏电阻的种类较多，除用硅、锗制造外，尚可用硫化镉、硫化铅、硫化铊、硒化钢、硒化镉、镑化铅等材料制造。将光敏电阻封装起来并引出二个电极即构成光导管。2、光敏电阻检测光的原理将光敏电阻作为一个电阻接入含有电源的电路中，当无光照时，由于光敏电阻值太大使电路中电流很小；当有适当波长范围内的光线照射时，因它的阻值急剧变小，电路中电流也就急剧增加。根据电流表测出电流的变化值，即可推知照射光强的大小。由于光敏电阻的光电特性具有非线性，因此，光敏电阻不适宜作测量元件，一般作开关元件。3、光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电流1）将光敏电阻置于室温、无光照射的全暗条件下，经过一定稳定时间之后，测得的阻值称暗电阻（或称暗阻）。这时，在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流值称暗电流。2）光敏电阻在光照射下，测得的电阻值称亮电阻（或称亮阻）。这时，给定工作电压下的电流称亮电流。3）亮电流与暗电流之差称为光敏电阻的光电流。实用中光敏电阻的暗电阻值在1—100范围，亮电阻在几千欧以下。暗电阻值与亮电阻值之差越大，光敏电阻性能越好，灵敏度也越高。一般，暗阻越大，亮阻越小越好。4、光敏电阻的基本特性光敏电阻的特性主要有：光电特性、光谱特性、伏安特性、频率特性等。1）光电特性具有非线性，而且光照强度较大时有饱和趋向，因此，光敏电阻不适宜作测量元件，在自动控制中它常用作开关量的光电传感器（开关元件）。2）光谱特性各光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度，而且对应最大灵敏度的光波长也不相同。因此，在选用光敏电阻时，就应当把元件和光源结合起来考虑，才能获得满意的结果。3）伏安特性光敏电阻是一个线性电阻，服从欧姆定律；在给定的光照下，电阻值与外加电压无关；在给定的电压下，光敏电阻的阻值随光照度而变（或光电流的数值将随光照的增强而增加）。4）频率特性光敏电阻中光电流随光强度的变化具有一定的惯性。随着入射光强度变化的加快，即频率的增加，光敏电阻灵敏度随着降低。5）温度特性温度升高将导致光敏电阻暗电阻值变小，灵敏度下降。5、光敏电阻的特点及应用光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以从紫外区域到红外区域，而且体积小，性能稳定，价格较低。所以被广泛应用在自动检测系统、路灯的自动启闭、冲床、切纸机的光电自动保护装置、红外光电报警器等各种光电自动控制系统。四、光敏晶体管1、光敏二极管1）结构特点光敏二极管的材料和结构与普通半导体二极管类似，它的管芯是一个具有光敏特性的结，封装在透明的玻璃壳内。结装在管顶部，在上面有一个透镜制成的窗口，以便入射光集中在结的敏感面上。2）工作原理光敏二极管接在有电源的电路中，但处于反向工作状态（承受反压）。当无光照射时，像普通二极管一样，电阻很大，电路中仅有很小的反向饱和漏电流，此时相当于光敏二极管截止；当有光照射时，结附近受光照射产生光生电子空穴对，这使少数载流子浓度大大地提高，因而反向饱和漏电流大大地增加，形成光电流，这时相当于光敏二极管导通。根据光电流的大小即可知光的有无和光强的大小。由于硅光敏二极和的光电特性的线性度较好，多用它作检测元件。2、光敏三极管1）结构特点光敏三极管与反向电压下使用的光敏二极管外形结构上很相似，通常也只有两个引出极，但光敏三极管管芯跟普通晶体三极管一样有两个结，管芯封装在有窗口的管壳内。光敏三极管可以看成是集电结用光敏二极管代替的普通三极管。2）工作原理将光敏三极管接入含有电源的电路中，其中电源极性的接法与普通三极管相同。这时管基极开路，集电结反偏，发射结正偏。当无光照射时，管集电结因反偏，集电极与基极间有反向饱和电流，该电流经发射结放大，使集电极与发射极之间有穿透电流，此即光敏三极管的暗电流；当有光照射光敏三极管集电结附近的基区时，激发产生的电子空穴对增加了少数载流子的浓度，使集电结反向饱和电流大大增加，该电流经发射结放大成为管集电极与发射极间电流，此即为光敏三极管的光电流。根据光电流的大小可知右光的有无和光强的大小。光敏三极管中的集电结是光敏二极管，所以可以看成光敏三极管利用类似普通三极管的放大作用，将光敏二极管的光电流放大了（）倍。故它比光敏二极管具有更高的光电灵敏度，也正因为光敏三极管中对光敏感的部分是二极管，所以它们的特性也基本一样，只是反应程度差（）倍。3、基本特性光敏晶体管的基本特性有：光谱特性、伏安特性、光电特性、温度特性、频率特性等。1）光谱特性光敏晶体管对于不同波长的入射光，其相对灵敏度是不同的（光电流的大小与光的波长有关）。实际中需要根据光谱特性选择光电元件和光源：一种是根据被测光的光谱，选择光谱合适的光电元件；另一种是光电元件的光谱特性与光源相配合，提高光电传感器的灵敏度和效率。2）伏安特性具有非线性，和普通晶体管类似。3）光电特性无光照时，它们的暗电流都很小；有光照射时，光电流很大，且随着光强的增加而增加。硅光敏二极管光电持性的线性度较小，适合作检测元件；硅光敏三极管的光电特性在弱光时，光电流增长缓慢，不利于弱光的检测。4）温度特性温度变化对输出电流的影响较小，主要由光照度所决定。而暗电流随温度变化很大，所以在应用时应在线路上采取措施进行温度补偿。5）频率特性光电流的大小（或相对灵敏度）与入射光强度变化的频率有关，即光敏晶体管对不同变化的光强的响应速度不同。五、光电池1、结构特点硒光电池是半透明金属薄膜与硒半导体接触的组合体，其分界面形成类似半导体结的阻档层。2、工作原理当光照射硒半导体时，半导体中价电子受激发产生光生电子、空穴对，阻档层将这些光生电子空穴对分离，使金属薄膜集结电子，硒半导体集结空穴而产生电位差，即光生电势。硅光电池由N型硅上渗入型杂质形成一个大面积结而成。当结附近受光照射激发出光生电子、空穴对后，由结阻档层的内电场将这些光生电子、空穴对进行分离，使结两边的半导体建立电位差，即产生光生电势。3、基本特性光电池的基本特性有：光谱特性、光电特性、频率特性、温度特性等。1）光谱特性不同材料的光电池的光谱峰值位置是不同的。在实际使用中，应根据光源性质来选择光电池。2）光电特性短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，开路电压与光照度的关系是非线性的。所以应用硅光电池作测量变换元件时，最好使其工作在接近和短路工作状态。（负载电阻小于100欧姆）。3）频率特性硅光电池具有较好的频率响应特性，而硒光电池较差。4）温度特性开路电压随温度增加而下降的速度较快，而短路电流随温度上升而增加的速度却很缓慢。六、光电传感器的特点及应用1、光电传感器的两种类型光电式传感器用来测量非电量的种类很多，从光通量对光电元件的作用所确定的光学装置来看，基本上可以分成两类：第一类：模拟量光电传感器检测系统。把被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值对应关系。第二类：开关量光电传感器检测系统。把被测量转换成断续变化的光电流，自动检测系统输出的为开关量或数字的电信号。属于这一类的大多是用在光机电相结合的检测装置中。如电子计算机的光电输入机，扩散炉的炉温控制、光电转速表等。2、模拟式光电传感器的作用形式详见《检测与转换技术》P106。3、光电式传感器的特点及应用1）特点结构简单、可靠性高、响应速度快