传感器原理及工程应用(第三版)第8章光电式传感器上

1、第8章光电式传感器，8.1光电元件8.2光电传感器，8.1光电元件，1 .一束外光电效应光由以光速运动的粒子流构成，这些粒子被称为光子。 光子具有能量，光子具有的能量由下式决定： E=h，(8-1)，式中： h普朗克常数=6.62610-34(Js )光的频率(s-1 )。 在光的作用下物体内的电子从物体表面释放到外面的现象叫做外光电效应。 发射到外面的电子叫光电子。 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。 光电管、光电倍增管、光电倍增管、103、104、105、106、25、50、75、100， 125、极间电压/V、放大率、光电倍增管的特性曲线、光照射物体可以视为具有一定能量的光

2、子碰撞物体，当物体吸收电子的入射光子能量超过逃逸功率A0时，电子从物体表面飞出，发生光电子发射，超过一部分的能量根据能量守恒定理，公式中： m电子质量； v0电子发射速度。 (8-2)、内光电效果：物体的导电性能因光而变化，或产生光伏的效果。 内部光电效应可分为以下两种： (1)光电效应：通过光的作用，吸收入射到半导体材料上的光子能量，当光子能量大于半导体材料的禁带宽度时，激发电子-空穴对，增加载流子浓度，增加半导体的导电性，降低电阻值的现象称为光电效应。 光电阻是基于这种效果的光电元件。 (2)光产生螺栓效应利用光在物体上产生一定方向的电动势的现象称为光产生螺栓效应。 基于这个效果的光电元件

3、有光电池。 2 .内光电效应，1 .光电电阻的结构和工作原理光电电阻也称为光导，大部分是由半导体材料制成的光电元件，其常用材料有硫化镉(CdS )、硫化铅(PbS )、锑化铟(InSb )等。 感光电阻没有极性，只是一个电阻元件，使用时可以同时施加直流电压和交流电压。 在光照射不到的情况下，受光电阻值(暗电阻)大，电路中的电流(暗电流)小。 光电电阻接受一定波长范围的光后，其电阻值(明亮电阻)急剧减少，电路中的电流急剧增加。 一般来说，黑暗电阻越大越好，明亮电阻越小越好，此时的光电阻的灵敏度越高。 实际的光电电阻的暗电阻值一般在兆欧姆左右，明亮的电阻值在几千欧元以下。 8.1.1光电电阻、光电

4、电阻的结构简单，图8-2(a )是金属封装的硫化镉光电电阻的结构图。 在玻璃基板上均匀地涂布薄的半导体物质，称为光导层。 半导体两端有金属电极，金属电极与引线端子连接，受光电阻经由引线端子与电路连接。 光导层：1、2、3、4、5、7、1-光导层； 2-玻璃窗3-金属壳体4-电极5-陶瓷基座6-黑色绝缘玻璃； 7-电阻引线。 6、为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上复盖涂层，涂层的成分必须在光敏层最敏感的波长范围内使透射率最大。 为了提高灵敏度，感光电阻体的电极一般采用梳齿状的图案，如图8-1(b )所示。 图8-2(c )是光电电阻的接线图。 图8 a的光电阻结构(a )的光电电阻结构(b

5、 )光电电阻电极(c )光电电阻，2 .光电电阻的主要参数(1)暗电阻和暗电流光电阻不照射时的电阻值称为暗电阻，此时流过的电流成为暗电流。 (2)明电阻和明电流受光电阻受光时的电阻称为明电阻，此时流过的电流称为明电流。 (3)光电流的明电流和暗电流的差称为光电流。 光电电阻的暗电阻越大，亮度电阻越小，即暗电流越小，亮度电流越大，光电电阻的性能越好，灵敏度也越高。 光电阻器的暗电阻器的电阻值一般是兆欧姆级，明电阻器在几千欧元以下。3 .光电电阻的基本特性(1)伏安特性为一定的照度，流过光电电阻的电流和光电电阻两端的电压的关系称为光电电阻的伏安特性。 图8-3是硫化镉受光电阻的电压-电流特性曲线。

6、 从图中可以看到，光电电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线是直线。 说明其电阻值与电压、电流无关，与入射光量有关。 图8-3硫化镉光电阻器的电压-电流特性、图8-4光电阻器的光特性、(2)光的特性光电阻器的光特性描述了光电流I和光的强度的关系，不同材料的光特性不同，大部分光电阻器的光特性都是非线性的。 图8-4是硫化镉感光电阻体光照射特性. 图8-5光电电阻的分光特性，(3)分光特性光电电阻对入射光的光谱有选择作用，即光电电阻对波长不同的入射光具有不同的灵敏度。 受光电阻的相对受光灵敏度Sr和入射波长的关系也被称为受光电阻的分光特性，也称为分光响应。 图8-5是几种不同材料的光电电阻的光谱特性

7、。 波长单位A:表示0.1纳米、可见光，近红外和中红外，根据波长，受光电阻的灵敏度不同，根据材料不同，受光电阻的光谱响应曲线也不同。 从图中可以看出，硫化镉受光电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，经常用作光测定(照度计)的探针。 硫化铅感光电阻器响应近红外和中红外区，常用作火焰检测器的探针。 (4)频率特性的实验证明光电阻器的光电流不能随光强度的变化立即变化，即光电阻器产生的光电流有一定的惰性，该惰性通常用时间常数表示。 很多光电电阻的时间常数大是缺点之一。 光电阻器的时间常数(毫秒级)因材料而异，因此频率特性也不同。 图86是硫化镉和硫化铅的感光电阻的频率特性，硫化铅的使用频率范围比较宽。图8

8、-6光电电阻的频率特性、相对光电灵敏度、图8-7的硫化铅光电电阻的光谱温度特性、(5)温度特性光电电阻与其他半导体器件同样，温度的影响很大。 温度变化时，在影响受光电阻的分光响应的同时，受光电阻的灵敏度和暗电阻也发生变化，特别是响应红外区域的硫化铅受光电阻受到温度的影响很大。 图87是硫化铅感光电阻体的光谱温度特性曲线，其峰值随着温度上升向波长短的方向移动。 因此，硫化铅的感光电阻必须在低温、恒温的条件下使用。 温度对可见光的光电阻的影响很小。 光电电阻具有光谱特性好、容许的光电流大、灵敏度高、寿命长、体积小等优点，因而被广泛应用。 另外，很多光电电阻对红外线敏感，适合红外线光谱的工作。 受光

9、电阻的缺点在相同类型的受光电阻参数产生偏差并且由于受光特性的非线性而要求测量非线性时，通常用作开关式受光信号的传感器元件。 图8-8光电二极管的结构图和符号，8.1.2光电二极管和光电晶体管1 .结构原理光电二极管的结构与一般二极管相似。 它装在透明玻璃的外壳中，PN结安装在管的上部，可直接受光(参见图8-8 )。 另外，图8-9光电二极管的接线图，光电二极管在电路中一般处于逆工作状态(参照图8-9 )，在不照射光时，逆电阻大，逆电流小，该逆电流被称为暗电流，光照射到PN结，光子照射到PN结附近，在PN结附近，光电子和光光电光的照度越大，光电流越大。 因此，光电二极管在不照射光时为断开状态，在

10、照射光时为接通状态。红外发光、受光对管外形、红外发光管、红外受光管、光电二极管的逆偏压布线和光电特性的演示，在光照不到时，由于二极管的逆偏压，逆电流(暗电流)小。 随着光的增加，光电流I与照度成比例。光电二极管的反偏连接法、UO、光、光的转速传感器，测定的转速轴上固定黑白条纹的圆盘，它们有不同的反射率。 当旋转轴旋转时，反射光和非反射光交替出现，光电传感器断续地接收光的反射信号，并转换为电信号。 在测量的旋转轴上固定带孔的转速调整盘，在调整盘侧用白炽灯产生一定的光，通过盘的孔到达由光电二极管构成的光电变换器，转换为相应的电脉冲信号，通过放大整形电路输出漂亮的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。 烟

11、尘浊度监测器防治工业烟尘污染是环境保护的重要任务之一。 为去除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，要监测、自动标识烟尘源，发出超标警报。 烟道的烟尘浊度以光通过烟道过程中的变化的大小来测定。 随着烟道浊度增加，来自光源的光因烟尘粒子的吸收和折射而增加，到达光电检测器的光减少，因此光电检测器的输出信号的强弱反映了烟道浊度的变化。 平行光源，光检测，放大，显示，刻度校正，报警器，吸收式烟尘浊度检测系统的原理图，烟道，光电晶体管与一般晶体管非常相似，具有两个PN结，如图8-10(a )所示，发射侧变大，光光电晶体管的布线如图8-10(b )所示，在很多光电晶体管的基极没有引线，在对集电极施加相对于发

12、射极极正的电压而不连接到基极的情况下，集电极为反向偏置，光照射到集电极时，会接合光电子被集电极吸引，在基极上留有孔，基极和发射极间的电压上升，在集电极中流过大量的电子形成输出电流，集电极电流为光电流的倍数，所以光电晶体管具有放大作用。 图810NPN型光电晶体管的结构概略图和基本电路、(a )结构简化模型(b )基本电路、光电晶体管的光电灵敏度比光电二极管高得多，但在需要高增益和大电流输出的情况下采用达林顿光电晶体管。 图8-11是达林顿光电二极管的等效电路，是光电晶体管和晶体管由集电极连接构成的集成元件。 因为一次电流放大增加了，所以输出电流能力大幅度增强，无需进一步放大就可以直接驱动读出继

13、电器。 但是，由于无光时的暗电流也增大，所以适合于开关状态和位信号的光电转换。 图8-11达林顿光电二极管的等效电路、2 .基本特性(1)分光特性光电二极管的分光特性是以一定照度输出的光电流(或用相对灵敏度表示)与入射光波长的关系。 硅和锗的光电二极管的光谱特性曲线如图8-12所示。 从曲线可以看出，硅的峰值波长约为0.9m，锗的峰值波长约为1.5m，灵敏度最高，入射光的波长变长或变短时，相对灵敏度下降。 另外，图8-12感光性二极(结晶)管的分光特性，由于一般锗管的暗电流大，性能差，因此在检测可见光或红热状态的物体时，一般是硅管。 但是，锗管适用于红外光的检测。 (2)伏安特性图8-13(a

14、 )是硅光电二极管的伏安特性，横轴表示所施加的反偏压。 照射光时，逆电流随着光的强度的增加而增大，在不同的照度下，伏安几乎平行，只要未达到饱和值，则其输出实际上不会受到偏压的大小的影响。、图8-13硅光电的伏安特性(a )硅光电二极管、图8-13硅光电的伏安特性(b )硅光电晶体管、图8-13(b )硅光电晶体管的伏安特性。 纵轴是光电流，横轴是集电极-发射极电压。 从图中可以看出，由于晶体管的放大作用，在相同照度下，该光电流比对应的二极管大百倍。 光电晶体管可以将光信号转换为电信号，而且输出的电信号很大。 (3)频率特性光电二极管的频率特性是指从光电二极管输出的光电流(或相对灵敏度)随着频率

15、变化的关系。 光电二极管的频率特性在半导体光电元件中是最好的，通常的光电二极管的频率响应时间达到10s。 光电晶体管的频率特性受到负载电阻的影响，图8-14是光电晶体管的频率特性，减小负载电阻时，频率响应范围提高，但输出电压响应也减少。 图8-14光电晶体管的频率特性，(4)温度特性光电二极管的温度特性表示光电二极管的暗电流、光电流和温度的关系。 光电晶体管的温度特性曲线如图8-15所示。 根据特性曲线，温度变化对光电流的影响很小(图(b ) )，但对暗电流的影响很大(图(a ) )，所以如果不利用电子电路对暗电流进行温度补偿，就会导致输出误差。 图8-15光电晶体管的温度特性曲线：光电二极管

16、和晶体管的主要差异在于，光电二极管一般仅从数a到数百a，光电晶体管一般为数a以上，至少有数百a，两者有十倍到百倍的差。 光电二极管和光电晶体管的暗电流大不相同，一般为1uA以下。 响应时间光电二极管的响应时间为100ns以下，光电晶体管为510us。 因此，在工作频率高的情况下，仅在需要选择光电二极管的工作频率低的情况下才选择光电晶体管。 输出特性光电二极管具有良好的线性特性，而光电晶体管的线性性差。 8.1.3光电池是将光能直接转换成电能的光电池，光电池在有光的作用时实质上是电源，在电路上有这样的元件时不需要施加电源。 光电池的工作原理基于“光伏效应”。 图8-16是硅光电池的原理图。 实际

17、上，在面积大的PN结中，光照射到PN结的一个面，例如p型面上时，如果光子能量比半导体材料的禁带宽度大，则p型区域在每次吸收光子时产生自由电子和空穴，电子和空穴对从表面向内部迅速扩散，通过结电场，最后与光强度相关图8-16硅光电池的概念图(a )的结构图(b )等效电路、光电池的基本特性如下： (1)分光特性光电池对波长不同的光的灵敏度不同。 图8-17是硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。 从图中可以看到，不同材料的光电池对应于光谱响应峰值，入射光的波长不同，硅光电池的波长在0.8m附近，硒光电池在0.5m附近。 硅光电池的光谱响应波长范围为0.41.2m，硒光电池只有0.380.75m。 可知

18、硅光电池可以在很宽的波长范围内应用。 图8-17硅光电池的分光特性是： (2)光照射特性光电池为不同的照度，其光电流和光电动势不同，它们的关系是光照射特性。 图8-18是硅光电池的开路电压、短路电流和光的关系曲线。 另外，图8-18的硅光电池的光照射特性从图中可以看出，短路电流在大范围内与光照射强度呈线性关系，开路电压(即负载电阻RL无限大的情况)与光照射度的关系为非线性，照度在2000lx时容易饱和。 因此，将光电池用作测量元件时，请不要作为电流源使用，而不要作为电压源使用。 另外，图8-18表示硅光电池的光照射特性，(3)频率特性图8-19表示硅光电池和硒光电池的频率特性，横轴表示光的调制频率。 从图中可以看出，硅光电池具有较好的频率响应。图8-19说明硅光电池和硒电池的频率特性，(4)温度特性光电池的温度特性说明光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。 它关系到光电池的设备和设备的温度漂移，影响