第8章光電式傳感器

1、1第八章第八章 光電傳感器光電傳感器2第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 光源光源第三節(jié)第三節(jié) 常用常用光電器件光電器件第四節(jié)第四節(jié) 新型光電器件新型光電器件-固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器第五節(jié)第五節(jié) 光電式感器光電式感器3光電傳感器是采用光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)化為光信號的變化，然后借助光電器件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)化成電信號。4第一節(jié)第一節(jié) 概述概述光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路、光電器件和測量電路組成。 光電傳感器原理框圖光電傳感器原理框圖5第二節(jié)第二節(jié) 光源光源一、對光源的要求一、對光源的要求1、 光源必須有足夠的照度2、 光源應(yīng)保證均勻、無遮擋或陰影3、 光源的

2、照射方式應(yīng)符合傳感器的測量要求4、 光源的發(fā)熱量應(yīng)盡可能小5、 光源發(fā)出的光必須具有合適的光譜范圍6光譜的有關(guān)知識光譜的有關(guān)知識光波：波長為10106nm的電磁波可見光：波長380780nm紫外線：波長10380nm， 波長300380nm稱為近紫外線 波長200300nm稱為遠(yuǎn)紫外線 波長10200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線：波長780106nm 波長3m（即3000nm）以下的稱近紅外線 波長超過3m 的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。7二、常用光源二、常用光源1、熱輻射光源-鎢絲燈泡（白熾燈）2、氣體放電光源熒光燈（節(jié)能燈）3、發(fā)光二極管（LED-light emitting diode）：由半導(dǎo)體

3、PN結(jié)構(gòu)成，能將電能轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件。8LED發(fā)光機(jī)理：發(fā)光機(jī)理：在半導(dǎo)體在半導(dǎo)體PN結(jié)中，結(jié)中，P區(qū)的空穴由于擴(kuò)散而移區(qū)的空穴由于擴(kuò)散而移動(dòng)到動(dòng)到N區(qū)，區(qū)，N區(qū)的電子則擴(kuò)散到區(qū)的電子則擴(kuò)散到P區(qū)，由于擴(kuò)散作用，在區(qū)，由于擴(kuò)散作用，在PN結(jié)結(jié)處形成勢壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴(kuò)散。當(dāng)處形成勢壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴(kuò)散。當(dāng)PN結(jié)上結(jié)上加有加有正向電壓正向電壓時(shí)，勢壘降低，電子由時(shí)，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到區(qū)注入到P區(qū)，空穴則區(qū)，空穴則由由P區(qū)注入到區(qū)注入到N區(qū)，稱為區(qū)，稱為少數(shù)載流子注入少數(shù)載流子注入。注入到。注入到P區(qū)的電子區(qū)的電子和和P區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到區(qū)里的空穴復(fù)合

4、，注入到N區(qū)的空穴和區(qū)的空穴和N區(qū)的電子復(fù)合，區(qū)的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時(shí)伴隨著以光子形式釋放出能量，因而在這種復(fù)合同時(shí)伴隨著以光子形式釋放出能量，因而在PN結(jié)有結(jié)有發(fā)光現(xiàn)象。發(fā)光現(xiàn)象。94、激光器-氦氖激光器激光的特性：教材P180教材P312 激光檢測10一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)第三節(jié)第三節(jié) 常用光電器件常用光電器件二、外光電效應(yīng)器件二、外光電效應(yīng)器件三、內(nèi)光電效應(yīng)器件三、內(nèi)光電效應(yīng)器件111 1、概念、概念一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)光電效應(yīng)光電效應(yīng)：指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某：指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，而產(chǎn)生的電效應(yīng)。些電子的能量，而產(chǎn)生的電效應(yīng)。hE 每個(gè)光子

5、具有的能量為：每個(gè)光子具有的能量為：12（1）外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)在光線作用下能使電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。在光線作用下能使電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。也稱也稱光電發(fā)射光電發(fā)射。根據(jù)能量守恒定理根據(jù)能量守恒定理Amh2021該方程稱為該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程愛因斯坦光電效應(yīng)方程。2 2、類型、類型13Amh2021愛因斯坦光電效應(yīng)方程愛因斯坦光電效應(yīng)方程描述了外光電效應(yīng)的基本規(guī)律：描述了外光電效應(yīng)的基本規(guī)律：A）光電子能否產(chǎn)生，取決于入射光子能量是否大于該）光電子能否產(chǎn)生，取決于入射光子能量是否大于該物體的逸出功物體的逸出功A。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一不同

6、的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對應(yīng)的產(chǎn)生外光電效應(yīng)的最低頻率，稱為個(gè)對應(yīng)的產(chǎn)生外光電效應(yīng)的最低頻率，稱為紅限紅限或或波波長限長限。14B）當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)）當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)越強(qiáng)，意味著入射光子的數(shù)目越多，逸成正比。即光強(qiáng)越強(qiáng)，意味著入射光子的數(shù)目越多，逸出的光電子數(shù)目也就越多。出的光電子數(shù)目也就越多。C）光電子逸出物體表面具有）光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能初始動(dòng)能，因此外光電效，因此外光電效應(yīng)器件即使沒有加陽極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生。應(yīng)器件即使沒有加陽極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生。15當(dāng)光照射在物體上，使當(dāng)光照射

7、在物體上，使物體的電阻率物體的電阻率發(fā)生變化，或發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于于半導(dǎo)體半導(dǎo)體內(nèi)。內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和和光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)兩類。兩類。（2 2）內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)16 B)B) 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)。A A） 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)在光的作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過在光的作用下，電子吸收光子能

8、量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率的變化，這種渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率的變化，這種現(xiàn)象被稱為現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。17所謂所謂光電效應(yīng)光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。通常分為兩類：通常分為兩類： 1)外光電效應(yīng)：外光電效應(yīng)：在光線作用下能使電子逸出物體表在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象，如面的現(xiàn)象，如光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管等。等。2)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下能使物體的電阻率改變在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象

9、。如的現(xiàn)象。如光敏電阻、光敏晶體管光敏電阻、光敏晶體管等。等。光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象，如電動(dòng)勢的現(xiàn)象，如光電池光電池等。等。18一一) )光電管光電管光電管的結(jié)構(gòu)示意圖 光陽極光電陰極光窗光電管有光電管有真空光電管真空光電管和和充充氣光電管氣光電管或稱或稱電子光電管電子光電管和和離子光電管離子光電管兩類。兩類。結(jié)構(gòu)相似，如圖。結(jié)構(gòu)相似，如圖。二、外光電效應(yīng)器件二、外光電效應(yīng)器件19光電管正常工作時(shí)，陽極光電管正常工作時(shí)，陽極A A電位高于陰極電位高于陰極K K。如圖。如圖。在在入入射光頻率大于射光頻率大于“紅限紅限”

10、的前提下，從陰極表面逸出的前提下，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(nèi)形成的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為空間電子流，稱為光電流光電流。光電管測量電路圖光電管測量電路圖 20n光電倍增管主要由光陰極光電倍增管主要由光陰極K、倍增極、倍增極D和陽極和陽極A組成。組成。n依分裝方法，分成依分裝方法，分成端窗式端窗式和和側(cè)窗式側(cè)窗式兩大類。兩大類。D1D2D3D4D5D6AKU0IRL光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖 二二) )光電倍增管光電倍增管21三、三、內(nèi)光電效應(yīng)器件內(nèi)光電效應(yīng)器件利用物質(zhì)在光的照射下導(dǎo)電性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢的光電利

11、用物質(zhì)在光的照射下導(dǎo)電性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見的有器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見的有光敏電阻光敏電阻、光電池光電池和和光光敏晶體管敏晶體管等。等。一）光電導(dǎo)效應(yīng)器件一）光電導(dǎo)效應(yīng)器件1 1、光敏電阻、光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。221-光導(dǎo)層光導(dǎo)層; 2-玻璃窗口玻璃窗口; 3-金屬外殼金屬外殼; 4-電極電極;5-陶瓷基座陶瓷基座; 6-黑色絕緣玻璃黑色絕緣玻璃; 7-電阻引線。電阻引線。RG1234567(a)結(jié)構(gòu) (

12、b)電極 (c)符號為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀梳狀圖案，如圖圖案，如圖CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號1 1）光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)232 2）光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性）光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1 1）暗電阻、亮電阻、光電流）暗電阻、亮電阻、光電流暗電流：暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時(shí)間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)在給定經(jīng)過一定時(shí)間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)在給定電壓下流過的電流。電壓下流過的電流。亮電流：亮電流：光敏電阻在某一光

13、照下的阻值，稱為該光照下光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時(shí)流過的電流。的亮電阻。此時(shí)流過的電流。光電流：光電流：亮電流與暗電流之差。亮電流與暗電流之差。24（2 2）光照特性）光照特性下圖表示下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。不同類型光敏光敏電阻的光照特性。不同類型光敏電阻光照特性不同，但電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性光照特性曲線均呈非線性。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。012345I/mA L/lx1000200025（3 3）光譜特性）光譜特性 光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。20406080

14、1004080120160200240/m312相對靈敏度1硫化鎘硫化鎘2硒化鎘硒化鎘3硫化鉛硫化鉛26（4 4） 伏安特性伏安特性 在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。圖中曲線的關(guān)系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為分別表示照度為零零及及照度為照度為某值某值時(shí)的伏安特性。時(shí)的伏安特性。5010015020012U/V02040I/ A27（5 5）頻率特性）頻率特性20406080100I / %f / Hz010102103104當(dāng)光敏電阻受到脈沖當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一

15、段時(shí)間才能達(dá)經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不光照后，光電流也不立刻為零，這就是立刻為零，這就是光光敏電阻的時(shí)延特性敏電阻的時(shí)延特性。硫化鉛硫化鎘28（6 6）溫度特性）溫度特性隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動(dòng)。硫化鎘的光電性曲線的峰值向波長短的方向移動(dòng)。硫化鎘的光電流流I 和溫度和溫度T 的關(guān)系如圖所示。的關(guān)系如圖所示。光電流I / A100150200-50-1030 5010-30T / C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20

16、 C293）光敏電阻的檢測：）光敏電阻的檢測：A、用黑紙片將光敏電阻的透光窗口遮住，此時(shí)萬用表的指、用黑紙片將光敏電阻的透光窗口遮住，此時(shí)萬用表的指針基本保持不動(dòng)，針基本保持不動(dòng)，阻值接近無窮大阻值接近無窮大。此值越大說明光敏電阻。此值越大說明光敏電阻性能越好。性能越好。B、將光源對準(zhǔn)光敏電阻的透光窗口，此時(shí)萬用表的指針應(yīng)、將光源對準(zhǔn)光敏電阻的透光窗口，此時(shí)萬用表的指針應(yīng)有較大幅度的擺動(dòng)，有較大幅度的擺動(dòng)，阻值明顯減小阻值明顯減小，此值越小說明光敏電阻，此值越小說明光敏電阻性能越好。性能越好。 C、將光敏電阻透光窗口對準(zhǔn)入射光線，用黑紙片在光敏電、將光敏電阻透光窗口對準(zhǔn)入射光線，用黑紙片在光敏

17、電阻的遮光窗上部晃動(dòng)，使其間斷受光，此時(shí)萬用表指針應(yīng)隨阻的遮光窗上部晃動(dòng)，使其間斷受光，此時(shí)萬用表指針應(yīng)隨黑紙片的晃動(dòng)而左右擺動(dòng)。黑紙片的晃動(dòng)而左右擺動(dòng)。302. 2. 光敏二極管光敏二極管光敏二極管裝在透明玻璃外殼中，其光敏二極管裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向反向工作狀態(tài)工作狀態(tài)，如圖所示。，如圖所示。PN光光敏二極管符號光敏二極管符號RL 光PN光敏二極管接線光敏二極管接線 31 光敏二極管在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反光敏二極管在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小。

18、反向電流也叫做向電流很小。反向電流也叫做暗電流暗電流。 光敏二極管的光電流光敏二極管的光電流 I I 與照度之間呈線性關(guān)系。與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測檢測等方等方面的應(yīng)用。面的應(yīng)用。323. 3. 光敏三極管光敏三極管光敏三極管有光敏三極管有PNP型和型和NPN型兩種，如圖。它的發(fā)射極一型兩種，如圖。它的發(fā)射極一邊做的很大邊做的很大,以擴(kuò)大光的照射面積以擴(kuò)大光的照射面積,且其基極不接引線。當(dāng)集且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓電極加上正電壓,基極開路時(shí)基極開路時(shí),集電極處于反向偏置狀態(tài)。集電極處于反向偏置狀態(tài)。PPN

19、NNPe b bc RL Eec33是在一塊是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)型雜質(zhì)(如硼如硼)形成形成PN結(jié)。結(jié)。1 1）光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理）光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理+光PNSiO2RL(a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b) 光電池的工作原理示意圖 P N二）光生伏特效應(yīng)器件二）光生伏特效應(yīng)器件-光電池光電池 利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。34IUIdUIRLI(a)(b)(c)光電池符號和基本工作電路及等效電路35下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。02468100.10.20.30.40.5

20、I/mAL/klx 50 10010005000RL=0（1）光照特性2 2）. . 基本特性基本特性勒克斯(lx) ：光照度的單位。光照度是受光表面上光通量的面密度，即單位面積的光通量。36204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m(2) 光譜特性從曲線可看出，硒光電池適宜測可見光。硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。1硒光電池2硅光電池37(3) 頻率特性頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光電池2硅光電池38（4）溫度特性溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC開路電壓ISC 短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線39一、一、CCDCCD的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)第四節(jié)第四節(jié) 新型光電器件新型光電器件-固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器二、二、CCDCCD工作原理工作原理三、三、CCDCCD圖像傳感器圖像傳感器40固態(tài)圖象傳感器由固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列光敏元件陣列和和電荷電荷轉(zhuǎn)移器件轉(zhuǎn)移器件集合而成。集合而成。它的核心是它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件電荷轉(zhuǎn)移器件最常用的是最常用的是電荷耦