光電傳感器1.ppt.Convertor

1、光電傳感器光電傳感器是采用光電元件做為檢測元件的傳感器。 它首先把被測量的變化轉換成光信 號的變化, 然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。 光電傳感器一般由光源、 光學 通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、 反應快、 非接觸等優(yōu)點, 而且可測 參數多,傳感器的結構簡單,形式靈活多樣,因此在檢測和控制領域內得到廣泛應用。 下一節(jié)一、光電效應與光電器件光電元件是光電傳感器中最重要的部件,常見的有真空光電元件和半導體光電元件兩大類。 它們的工作原理都基于不同形式的光電效應。 根據光的波粒二象性, 我們可以認為光是一種 以光速運動的粒子流,這種粒子稱為光子。每個光子具有的能量為

2、E=h ·(6-1式中, 為光波頻率; h 為普朗克常數, h =6.63*10-34 J/Hz由此可見,對不同頻率的光,其光子能量是不相同的,光波頻率越高,光子能量越大。 用光照射某一物體,可以看做是一連串能量為 Au 的光子轟擊在這個物體上,此時光子能量 就傳遞給電子, 并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收, 電子得到光子傳遞 的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化, 從而使受光照射的物體產生相應的電效應, 我們把這種物理 現象稱為光電效應。通常把光電效應分為三類:1 在光線作用下能使電子逸出物體表面的現象稱為外光電效應, 基于外光電效應的光電元件 有光電管、光電信增管等。2 在

3、光線作用下能使物體的電阻率改變的現象稱為內光電效應。 基于內光電效應的光電 元件有光敏電阻、光敏晶體管等。3 在光線作用下, 物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏特效應, 基于光生伏特效 應的光電元件有光電池等。(一 光電管、光電倍增管光電管和光電倍增管是利用外光電效應制成的光電元件。 下面簡要介紹它們的結構和工作原 理。光電管的外形和結構如圖 6-1-1所示, 半圓筒形金屬片制成的陰極 K 和位于陰極軸心的金屬 絲制成的陽極 A 封裝在抽成真空的玻殼內,當入射光照射在陰極上時,單個光子就把它的 全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子,從而使自由電子的能量增加 h 。當電子獲得的 能量大于陰

4、極材料的逸出功 A 時,它就可以克服金屬表面束縛而逸出,形成電子發(fā)射。這 種電子稱為光電子,光電子逸出金屬表面后的初始動能為 (1/2m 2根據能量守恒定律有式中, m 為電子質量;為電子逸出的初速度。由上式可知, 要使光電子逸出陰極表面的必要條件是 h>A。 由于不同材料具有不同的逸 出功, 因此對每一種陰極材料, 入射光都有一個確定的頻率限, 當入射光的頻率低于此頻率 限時,不論光強多大,都不會產生光電子發(fā)射,此頻率限稱為“紅限” 。相應的波長 為 6-2式中, c 為光速; A 為逸出功。光電管正常工作時,陽極電位高于陰極,如圖 6-1-2所示。在人射光頻率大于“紅限”的前 提下,

5、從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引,在光電管內形成空間電子流, 稱為光電流。 此時若光強增大, 轟擊陰極的光子數增多, 單位時間內發(fā)射的光電子數也就增 多, 光電流變大。 在圖 6-1-2所示的電路中, 電流和電阻只上的電壓降就和光強成函數關系,從而實現光電轉換。陰極材料不同的光電管, 具有不同的紅限,因此適用于不同的光譜范圍。此外,即使入射光 的頻率大于紅限, 并保持其強度不變, 但陰極發(fā)射的光電子數量還會隨入射光頻率的變化而 改變, 即同一種光電管對不同頻率的入射光靈敏度并不相同。 光電管的這種光譜特性, 要求 人們應當根據檢測對象是紫外光、 可見光還是紅外光去選擇陰極材料不同

6、的光電管, 以便獲 得滿意的靈敏度。由于真空光電管的靈敏度低,因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖 6-1-3是光電倍增管結構示意圖。從圖中可以看到光電倍增管也有一個陰極 K 和一個陽極 A ,與光電管不同的是在它的陰極 和陽極間設置了若干個二次發(fā)射電極, D1、 D2、 D3它們稱為第一倍增電極、第二倍增電 極、,倍增電極通常為 1015級。光電倍增管工作時,相鄰電極之間保持一定電位差, 其中陰極電位最低,各倍增電極電位逐級升高,陽極電位最高。當入射光照射陰極 K 時, 從陰極逸出的光電子被第一倍增電極 D1加速,以高速轟擊 D1 ,引起二次電子發(fā)射,一個 入射的光電子可以產生多

7、個二次電子, D1發(fā)射出的二次電子又被 D1、 D2問的電場加速, 射向 D2并再次產生二次電子發(fā)射,這樣逐級產生的二次電子發(fā)射,使電子數量迅速增 加, 這些電子最后到達陽極, 形成較大的陽極電流。 若倍增電極有 n 級, 各級的倍增率為 , 則光電倍增管的倍增率可以認為是 N ,因此,光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流 小于 1mA 的情況下,它的光電特性在很寬的范圍內具有良好的線性關系。光電倍增管的這 個特點,使它多用于微光測量。圖 6-1-4所示為光電倍增管的基本電路。各倍增極的電壓是用分壓電阻。獲得的,陽極電流 流經負載電阻得到輸出電壓。當用于測量穩(wěn)定的輻射通量時,圖中虛線連接的電容

8、 C1、 C2、 Cn 和輸出隔離電容 C0都可以省去。這時電路往往將電源正端接地,并且輸出可 以直接與放大器輸入端連接, 從而使它能夠響應變化緩慢的入射光通量。 但當入射光通量為 脈沖通量時, 則應將電源的負端接地, 因為光電倍增管的陰極接地比陽極接地有更低的噪聲, 此時輸出端應接人隔離電容, 同時各倍增極的并聯(lián)電容亦應接人, 以穩(wěn)定脈沖工作時的各級 工作電壓,穩(wěn)定增益并防止飽和。(二 光敏電阻1.工作原理 光敏電阻是采用半導體材料制做,利用內光電效應工作的光電元件。它 在光線的作用下其阻值往往變小,這種現象稱為光導效應,因此,光敏電阻又稱光導管。 用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、

9、 硒化物和碲化物等半導體。 通常采用涂 敷、 噴涂、 燒結等方法在絕緣襯底上制做很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極, 然后接出引線, 封裝在具有透光鏡的密封殼體內,以免受潮影響其靈敏度。光敏電阻的原理結構如圖 6-1-5所示。 在黑暗環(huán)境里,它的電阻值很高, 當受到光照時, 只要光子能量大于半導體材料的禁 帶寬度, 則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶, 并在價帶中產生一個帶正電 荷的空穴, 這種由光照產生的電子空穴對增加了半導體材料中載流子的數目, 使其電阻率 變小,從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強,阻值愈低。入射光消失后,由光子激發(fā)產生 的電子空穴對將逐漸復合,光敏電阻的阻值也就逐

10、漸恢復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓, 其中便有電流通過, 受到適當波長的光線照 射時, 電流就會隨光強的增加而變大,從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性,純粹是一個 電阻器件,使用時既可加直流電壓,也可以加交流電壓。1 暗電阻、亮電阻光敏電阻在室溫和全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻, 或暗阻。 此時流過的電流稱為暗電流。例如 MG41-21型光敏電阻暗阻大于等于 0.1M 。光敏電阻在室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻或亮阻。 此時流過的電 流稱為亮電流。 MG41 21型光敏電阻亮阻小于等于 1k 。亮電流與暗電流之差稱為光電流。顯然, 光敏電阻的暗阻越大越好,

11、而亮阻越小越好, 也就是說暗電流要小, 亮電流要大。 這樣光敏電阻的靈敏度就高。2 伏安特性在一定照度下, 光敏電阻兩端所加的電壓與流過光敏電阻的電流之間的關系, 稱為伏安 特性。由圖 6-1-6可知,光敏電阻伏安特性近似直線,而且沒有飽和現象。受耗散功率的限制,在 使用時, 光敏電阻兩端的電壓不能超過最高工作電壓, 圖中虛線為允許功耗曲線, 由此可確 定光敏電阻正常工作電壓。3 光電特性光敏電阻的光電流與光照度之間的關系稱為光電特性。如圖 6-1-7所示,光敏電阻的光 電特性呈非線性。 因此不適宜做檢測元件, 這是光敏電阻的缺點之一, 在自動控制中它常用 做開關式光電傳感器。4 光譜特性對于

12、不同波長的入射光, 光敏電阻的相對靈敏度是不相同的。 各種材料的光譜特性如圖 6-1-8所示。從圖中看出,硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域,而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域,因此 在選用光敏電阻時應當把元件和光源的種類結合起來考慮,才能獲得滿意的結果。5 頻率特性當光敏電阻受到脈沖光照時, 光電流要經過一段時間才能達到穩(wěn)態(tài)值, 光照突然消失時, 光電流也不立刻為零。 這說明光敏電阻有時延特性。 由于不同材料的光敏電阻時延特性不同, 所以它們的頻率特性也不相同。 圖 6-1-9給出相對靈敏度 Kr , 與光強變化頻率 f 之間的關系 曲線, 可以看出硫化鉛的使用頻率比硫化鉈高的多。 但多數光敏電阻的時延都較大,

13、 因此不 能用在要求快速響應的場合,這是光敏電阻的一個缺陷。6 溫度特性光敏電阻和其他半導體器件一樣, 受溫度影響較大, 當溫度升高時, 它的暗電阻會下降。 溫度的變化對光譜特性也有很大影響。圖 6-1-10是硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線。 從圖中可以看出, 它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。 因此, 有時為了提高靈敏度, 或為了能接受遠紅外光而采取降溫措施。(三 光敏晶體管光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管, 它們的工作原理也是基于內光電效應, 和 光敏電阻的差別僅在于光線照射在半導體 PN 結上, PN 結參與了光電轉換過程。光敏二極管的結構和普通二極管相似,只是它的 PN

14、結裝在管殼頂部,光線通過透鏡制 成的窗口,可以集中照射在 PN 結上,圖 6-1-11a 是其結構示意圖。光敏二極管在電路中通 常處于反向偏置狀態(tài),如圖 6-1-11b 所示。我們知道, PN 結加反向電壓時,反向電流的大小取決于 P 區(qū)和 N 區(qū)中少數載流子的濃度, 無光照時 P 區(qū)中少數載流子 (電子 和 N 區(qū)中的少數載流子 (空穴 都很少, 因此反向電流很小。 但是當光照 PN 結時,只要光子能量 h 大于材料的禁帶寬度,就會在 PN 結及其附近產生光 生電子空穴對, 從而使 P 區(qū)和 N 區(qū)少數載流子濃度大大增加, 它們在外加反向電壓和 PN 結內電場作用下定向運動,分別在兩個方向上

15、渡越 PN 結,使反向電流明顯增大。如果入射 光的照度變化, 光生電子空穴對的濃度將相應變動, 通過外電路的光電流強度也會隨之變動,光敏二極管就把光信號轉換成了電信號。光敏三極管有兩個 PN 結, 因而可以獲得電流增益, 它比光敏二極管具有更高的靈敏度。 其結構如圖 6-1-12a 所示。當光敏三極管按圖 6-1-12b 所示的電路連接時,它的集電結反向偏置,發(fā)射結正向偏置,無 光照時僅有很小的穿透電流流過, 當光線通過透明窗口照射集電結時, 和光敏二極管的情況 相似, 將使流過集電結的反向電流增大, 這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累, 發(fā)射區(qū)中的 多數載流子 (電子 將大量注人基區(qū),由于基區(qū)

16、很薄,只有一小部分從發(fā)射區(qū)注入的電子與基 區(qū)的空穴復合,而大部分電子將穿過基區(qū)流向與電源正極相接的集電極,形成集電極電流。 這個過程與普通三極管的電流放大作用相似, 它使集電極電流是原始光電流的 (l+ 倍。 這 樣集電極電流將隨入射光照度的改變而更加明顯地變化。1 光譜特性在入射光照度一定時, 光敏晶體管的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化, 一種光敏晶 體管只對一定波長范圍的人射光敏感,這就是光敏晶體管的光譜特性,見圖 6-1-13。由曲線可以看出,當入射光波長增加時, 相對靈敏度要下降, 這是因為光子能量太小, 不足 以激發(fā)電子空穴對。 當人射光波長太短時, 光波穿透能力下降, 光子只在半

17、導體表面附近 激發(fā)電子空穴對,卻不能達到 PN 結,因此相對靈敏度也下降。從曲線還可以看出,不同 材料的光敏晶體管,光譜峰值波長不同。硅管的峰值波長為 m 左右,鍺管的峰值波長為 1.5左右。由于鍺管的暗電流比硅管大, 因此鍺管性能較差。 因此在探測可見光或赤熱物體時, 多采用 硅管。但對紅外光進行探測時,采用鍺管較為合適。2 伏安特性光敏三極管在不同照度下的伏安特性, 就象普通三極管在不同基極電流下的輸出特性一 樣,如圖 6-1-14所示。在這里改變光照就相當于改變一般三極管的基極電流,從而得到這 樣一簇曲線。3 光電特性它指外加偏置電壓一定時, 光敏晶體管的輸出電流和光照度的關系。 一般說

18、來, 光敏二 極管光電特性的線性較好, 而光敏三極管在照度小時, 光電流隨照度增加較小, 并且在光照 足夠大時, 輸出電流有飽和現象。 這是由于光敏三極管的電流放大倍數在小電流和大電流時 都下降的緣故。4 溫度特性溫度的變化對光敏晶體管的亮電流影響較小, 但是對暗電流的影響卻十分顯著, 如 圖 6-1-15所示。因此,光敏晶體管在高照度下工作時,由于亮電流比暗電流大得多,溫度 的影響相對來說比較小。 但在低照度下工作時, 因為亮電流較小, 暗電流隨溫度變化就會嚴 重影響輸出信號的溫度穩(wěn)定性。 在這種情況下, 應當選用硅光敏管, 這是因為硅管的暗電流 要比鍺管小幾個數量級。 同時還可以在電路中采

19、取適當的溫度補償措施, 或者將光信號進行 調制, 對輸出的電信號采用交流放大,利用電路中隔直電容的作用,就可以隔斷暗電流,消 除溫度的影響。5 頻率特性光敏晶體管受調制光照射時, 相對靈敏度與調制頻率的關系稱為頻率特性。 如圖 6-1-16所示。 減少負載電阻能提高響應頻率,但輸出降低。一般來說,光敏三極管的頻響比光敏二 極管差得多,鍺光敏三極管的頻響比硅管小一個數量級。(四 光電池光電池是一種自發(fā)電式的光電元件, 它受到光照時自身能產生一定方向的電動勢, 在不加電源的情況下,只要接通外電路,便有電流通過。光電池的種類很多,有硒、氧化亞銅、 硫化鉈、硫化鎘、鍺、硅、砷化鎵光電池等,其中應用最廣

20、泛的是硅光電池,因為它有一系 列優(yōu)點,例如性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉換效率高,能耐高慍輻射等。另外, 由于硒光電池的光譜峰值位于人眼的視覺范圍,所以很多分析儀器、測量儀表也常用到它。 下面著重介紹硅光電池。硅光電池的工作原理基于光生伏特效應,它是在一塊 N 型硅片上用擴散的方法摻人一 些 P 型雜質而形成的一個大面積 PN 結,見圖 6-1-17a 。當光照射 P 區(qū)表面時,若光子能量 加大于硅的禁帶寬度,則在 P 型區(qū)內每吸收一個光子便產生一個電子 -空穴對, P 區(qū)表面吸 收的光子最多, 激發(fā)的電子空穴最多, 越向內部越少。 這種濃度差便形成從表面向體內擴散 的自然趨勢。 由于

21、PN 結內電場的方向是由 N 區(qū)指向 P 區(qū)的, 它使擴散到 PN 結附近的電子 空穴對分離,光生電子被推向 N 區(qū),光生空穴被留在 P 區(qū)。從而使 N 區(qū)帶負電, P 區(qū)帶 正電,形成光生電動勢。若用導線連接 P 區(qū)和 N 區(qū),電路中就有光電流流過。1 光譜特性光電池對不同波長的光,靈敏度是不同的。圖 6-1-18是硅光電池和硒光電池的光譜特 性曲線。 從圖中可知, 不同材料的光電池適用的人射光波長范圍也不相同。 硅光電池的適用 范圍寬, 對應的入射光波長可在 0.451.1之間, 而硒光電池只能在 0.340.57波長范圍, 它 適用于可見光檢測。在實際使用中應根據光源的性質來選擇光電池,

22、 當然也可根據現有的光電池來選擇光源, 但 是要注意光電池的光譜峰值位置不僅和制造光電池的材料有關,同時,也和制造工藝有關, 而且隨著使用溫度的不同會有所移動。2 光電特性光電池在不同的光照度下, 光生電動勢和光電流是不相同的。 硅光電池的光電特性如圖 6-1-19所示。 其中曲線 1是負載電阻無窮大時的開路電壓特性曲線, 曲線 2是負載電阻相對 于光電池內阻很小時的短路電流特性曲線。 開路電壓與光照度的關系是非線性的, 而且在光 照度為 20001x 時就趨于飽和,而短路電流在很大范圍內與光照度成線性關系,負載電阻越 小,這種線性關系越好, 而且線性范圍越寬。 因此檢測連續(xù)變化的光照度時,應

23、當盡量減小 負載電阻, 使光電池在接近短路的狀態(tài)工作, 也就是把光電池作為電流源來使用。 在光信號 斷續(xù)變化的場合,也可以把光電池作為電壓源使用。3 溫度特性光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。 由于它關系到應用光電 池的儀器設備的溫度漂移, 影響測量精度或控制精度等重要指標, 因此溫度特性是光電池的 重要特性之一。從圖 6-1-20中可以看出硅光電池開路電壓隨溫度上升而明顯下降,溫度上 升,開路電壓約降低 3mV 。短路電流隨溫度上升卻是緩慢增加的。因此,光電池作為檢測 元件時,應考慮溫度漂移的影響,并采用相應的措施進行補償。4 頻率特性光電池的頻率特性是指輸出電流與入射

24、光調制頻率的關系。當入射光照度變化時,由于光生電子空穴對的產生和復合都需要一定時間,因此入射光。 調制頻率太高時, 光電池輸出電流的變化幅度將下降。 硅光電池的頻率特性較好, 工作頻率 的上限約為數萬赫茲, 而硒光電池的頻率特性較差。 在調制頻率較高的場合, 應采用硅光電 池,并選擇面積較小的硅光電池和較小的負載電阻,進一步減小響應時間,改善頻率特性。 二、光電傳感器與光電檢測光電傳感器通常由光源、光學通路和光電元件三部分組成,如圖 6-1-21所示。圖中,是光源發(fā)出的光信號，是光電器件接受的光信號，被測量可以是或者，它們能夠分別造成光 源本身或光學通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號光電傳

25、感器設計靈活，形式多樣， 在越來越多的領域內得到廣泛的應用。 (一光電傳感器的類型 按照光電傳感器中光電元件輸出電信號的形式可以將光電傳感器分為模擬式和脈沖式兩大 類。 1模擬式光電傳感器 這種傳感器中光電元件接受的光通量隨被測量連續(xù)變化， 因此， 輸出的光電流也是連續(xù) 變化的，并與被測量呈確定的函數關系，這類傳感器通常有以下四種形式。 1光源本身是被測物，它發(fā)出的 光投射到光電元件上， 光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數， 如圖 6-1-22a 所示。 這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計和照度計。 2恒定光源發(fā)射的光通量穿過被測物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光電 元件上，吸

26、收量取決于被測物的某些參數。如圖 6-1-22b 所示?？捎糜跍y量透明度、混濁度。 3恒定光源發(fā)射的光通量投射到被測物上，由被測物表面反射后再投射到光電元件上，如圖 6-1-22c 所示。反射光的強弱取決于被測物表面的性質和狀態(tài)，因此可用于測量工件表面粗 糙度、紙張的白度等。 4從恒定光源發(fā)射出的光通量在到達光電元件的途中受到被測物的遮擋， 使投射到光電 元件上的光通量減弱，光電元件的輸出反映了被測物的尺寸或位置。如圖 6-1-22d 所示。這 種傳感器可用于工件尺寸測量、振動測量等場合。 2脈沖式光電傳感器 在這種傳感器中， 光電元件接受的光信號是斷續(xù)變化的， 因此光電元件處于開關工作狀 態(tài)

27、， 它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號， 多用于光電計數和光電式 轉速測量等場合。 (二光電傳感器的常用光源 光源是許多光電傳感器的重要組成部分， 要使光電傳感器很好地工作， 除了合理選用光 電元件外，還必須配備合適的光源。常用光源有以下幾種。 1發(fā)光二極管 發(fā)光二極管是一種把電能轉變成光能的半導體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、 響應快、機械強度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機、儀器儀表 和自動控制設備中。 2鎢絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構 成傳感器時可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效 防止其他光線的干擾。 3激光 激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點，是很 理想的光源。 (三光電轉換電路 由光源、 光學通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時， 還必須配備適當的測量 電路。測量電路