光電效應(yīng)和光電器件

第4章

光電式傳感器原理與應(yīng)用一、引言

光電檢測技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興的檢測技術(shù)，它是利用電子技術(shù)對(duì)光學(xué)信息進(jìn)行檢測，并進(jìn)一步傳遞、存儲(chǔ)、控制、計(jì)算和顯示等。目前，光電式傳感器主要用來組成光電檢測系統(tǒng)與裝置。

光電檢測裝置的核心部分：光電傳感器。

光電檢測與其它檢測相比有以下測量優(yōu)點(diǎn)：①非接觸；②檢測速度快，檢測精度高；③高可靠性；④能夠自動(dòng)、連續(xù)地進(jìn)行檢測；⑤可以進(jìn)行遙測；⑥結(jié)構(gòu)簡單等一系列特點(diǎn)。

測量范圍：位移、振動(dòng)、力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、流量、液位、濕度、液體濃度、成分、角度、表面粗糙度等。

應(yīng)用前景：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的檢測以及機(jī)器人技術(shù)的大力開發(fā)都離不開光電傳感器與檢測技術(shù)。二、光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成

光電檢測系統(tǒng)的基本組成

一個(gè)完整的光電檢測系統(tǒng)包括：信息的獲得、交換、處理、顯示等。

具體講：一個(gè)光電檢測系統(tǒng)由三個(gè)基本部分組成：

待檢測對(duì)象光電傳感器處理電路顯示①核心部分②③執(zhí)行

核心部分：它以光為媒介、以光電檢測器件為手段、將各種待測量轉(zhuǎn)換成電量（I、V、F）。它將決定整個(gè)檢測系統(tǒng)的靈敏度、精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。

處理電路作用：是將光電傳感器的輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、處理、運(yùn)算等，以適應(yīng)后續(xù)顯示、控制或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求。2.光電傳感器的組成⑴組成：光源、光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器三部分組成。⑵優(yōu)點(diǎn)：

a非接觸式檢測

b響應(yīng)速度高：10-1—10-6Sc檢測對(duì)象范圍寬

d大量的相關(guān)應(yīng)用。不僅對(duì)光進(jìn)行檢測，而且還能用于檢測液面、位置、壓力等。⑶缺點(diǎn)：

a沾污影響大

b外界干擾光影響大

c使用溫度范圍小，不能用于高溫。⒊光電檢測系統(tǒng)中處理電路的任務(wù)⑴實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測

⑵實(shí)現(xiàn)光源的穩(wěn)定化4.1光電效應(yīng)和光電器件外光電效應(yīng):

在光線作用下，使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng):

在光線作用下，能使物體電阻率改變的現(xiàn)象，如光敏電阻等屬于這類光電器件。阻擋層光電效應(yīng)(光生伏特效應(yīng)):

在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。如光電池、光敏晶體管等光電效應(yīng)和光電器件4.1.1光電管4.1.2光電倍增管4.1.3光敏電阻4.1.4光敏二極管和光敏晶體管4.1.5光電池4.1.6光電式傳感器的應(yīng)用4.1.1光電管1）當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)便發(fā)射電子；2）電子被帶正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。上一頁下一頁返回（1）真空光電管真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性（2）充氣光電管:

構(gòu)造和真空光電管基本相同，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高.所不同的是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體，其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差

上一頁下一頁返回（2）充氣光電管4.1.2光電倍增管在入射光非常微弱時(shí)，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，但光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極+若干倍增極+陽極上一頁下一頁返回光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理光電陰極光電倍增極陽極 倍增極上涂有Sb-Cs(銫化銻)或Ag-Mg(鎂化銀)等光敏材料，并且電位逐級(jí)升高.

陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發(fā)射.

二次電子發(fā)射系數(shù):σ=二次發(fā)射電子數(shù)／入射電子數(shù) 若倍增極有n，則倍增率為σn

若有11個(gè)倍增極，則E11發(fā)射的電子數(shù)約為光電子數(shù)的105-106倍。上一頁下一頁返回4.1.3光敏電阻1.光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)2．光敏電阻的主要參數(shù)3．光敏電阻的基本特性上一頁下一頁返回1.光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加上一頁下一頁返回光敏電阻的結(jié)構(gòu)1.玻璃2.光電導(dǎo)層3.電極4.絕緣襯底5.金屬殼6.黑色絕緣玻璃7.引線由于光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在帶有玻璃的殼體中。上一頁下一頁返回半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層,光敏電阻的電極一般采用梳狀，是為提高光敏電阻的靈敏度。特點(diǎn)：靈敏度高，光譜特性好，光譜響應(yīng)從紫外區(qū)一直到紅外區(qū)，而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定等。梳狀電極上一頁下一頁返回2．光敏電阻的主要參數(shù)（1）暗電阻和暗電流

光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過一定時(shí)間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)流過的電流，稱為暗電流。（2）亮電阻

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)流過的電流稱為亮電流。（3）光電流

亮電流與暗電流之差，稱為光電流。上一頁下一頁返回3．光敏電阻的基本特性

（1）伏安特性（2）光照特性（3）光譜特性（4）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性（5）溫度特性上一頁下一頁返回（1）伏安特性在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系注意幾點(diǎn)：◆在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；◆在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象；◆光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的；◆耗散功率與面積及散熱條件等因素有關(guān)。上一頁下一頁返回（2）光照特性光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常用作開關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。上一頁下一頁返回光通量lm（流明）（3）光譜特性光敏電阻對(duì)不同波長的光，靈敏度是不同的上一頁下一頁返回（4）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對(duì)于光的變化在時(shí)間上有一個(gè)滯后。通常響應(yīng)時(shí)間用t表示。上一頁下一頁返回t1–上升響應(yīng)時(shí)間t2–下降響應(yīng)時(shí)間光敏電阻的頻率特性不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時(shí)間，所以它們的頻率特性也就不盡相同。

上一頁下一頁返回（5）溫度特性光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻和靈敏度都下降。硫化鎘光敏電阻的溫度特性

光敏電阻溫度特性用溫度系數(shù)表示:

在一定光照下，溫度每變化1℃，光敏電阻阻值的平均變化率。R1-在一定光照下，溫度為T1時(shí)電阻R2-在一定光照下，溫度為T2時(shí)電阻

上一頁下一頁返回溫度對(duì)光譜特性影響隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動(dòng)。因此，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對(duì)長波光的響應(yīng)。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性上一頁下一頁返回4.1.4光敏二極管和光敏晶體管1．工作原理2．基本特性上一頁下一頁返回1．工作原理結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中，在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。光敏二極管上一頁下一頁返回光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)pn結(jié)。把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)同時(shí)，又將信號(hào)電流加以放大。上一頁下一頁返回NPN光敏晶體管

PNP光敏晶體管

2．基本特性（1）光譜特性（2）伏安特性（3）光照特性（4）溫度特性（5）頻率響應(yīng)上一頁下一頁返回（1）光譜特性入射光的波長增加（減?。r(shí)，光子能量減小，相對(duì)靈敏度都要下降

硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性

可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。在紅外光進(jìn)行探測時(shí)，則鍺管較為適宜。注意：峰值波長硅900nm，鍺1500nm上一頁下一頁返回最大相對(duì)靈敏度對(duì)應(yīng)波長，除此位置相對(duì)靈敏度都減小（2）伏安特性上一頁下一頁返回硅光敏管的伏安特性（3）光照特性硅光敏管的光照特性光敏二極管的光照特性曲線的線性較好上一頁下一頁返回光敏二極管光敏三極管

（4）溫度特性其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系溫度變化對(duì)光電流影響很小，而對(duì)暗電流影響很大。上一頁下一頁返回（5）頻率響應(yīng)具有一定頻率的調(diào)制光照射時(shí)，光敏管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓)隨頻率的變化關(guān)系。硅光敏晶體管的頻率響應(yīng)上一頁下一頁返回硅管頻率響應(yīng)比鍺管好4.1.5光電池上一頁下一頁返回光電池種類很多，如有硅、硒、硫化鎘、氧化亞銅、砷化鎵光電池等。其中最受重視的是硅光電池，因?yàn)樗幸幌盗袃?yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、換能效率高、能耐高溫耐輻射、具有低噪聲等。硒光電池比硅光電池廉價(jià)，它的光譜峰值位置在人的視覺范圍內(nèi)，因而應(yīng)用于不少測量儀器上。光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)電源，電路中有了這種器件就不再需要外加電源。1.工作原理直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個(gè)大面積的pn結(jié)。當(dāng)光照射到pn結(jié)上時(shí)，便在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(p區(qū)為正，n區(qū)為負(fù))。用導(dǎo)線將pn結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來，就有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)。若將電路斷開，就可以測出光生電動(dòng)勢(shì)。上一頁下一頁返回工作原理（指硅）（光生電動(dòng)式的形成）hγ＞Ｅｇ（禁帶寬度），Ｐ區(qū)每吸收一個(gè)光子，便產(chǎn)生一個(gè)自由電子－空穴隊(duì)，吸收越多hγ，產(chǎn)生越多自由電子－空穴隊(duì)。自由電子在它復(fù)合之前到達(dá)ＰＮ結(jié)過渡區(qū)，就相當(dāng)于在結(jié)電場作用下正好將電子推向Ｎ型區(qū)。這樣，電子－空穴對(duì)就被結(jié)電場分離開來。從而使Ｐ區(qū)帶陽電，Ｎ區(qū)帶陰電。形成光生電動(dòng)勢(shì)。P區(qū)很薄,并摻雜光線hν照射P-N結(jié)-++-U++++++++++++++---------------N型半導(dǎo)體●○●●●○○○電子空穴2．基本特性(1)光譜特性(2)光照特性(3)頻率響應(yīng)(4)溫度特性(5)穩(wěn)定性上一頁下一頁返回（1）光譜特性光電池對(duì)不同波長的光，靈敏度是不同的上一頁下一頁返回(2)光照特性不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的。短路電流與光照度成線性關(guān)系；開路電壓與光照度是非線性的光電池作為測量元件使用時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用.上一頁下一頁返回光電池的短路電流外接負(fù)載電阻相對(duì)于它的內(nèi)阻來說很小情況下的電流值負(fù)載越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬.上一頁下一頁返回(3)頻率響應(yīng)指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系硅光電池具有較高的頻率響應(yīng),用于高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換.上一頁下一頁返回

(4)溫度特性開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標(biāo)硅光電池的溫度特性(照度1000lx)上一頁下一頁返回

(5)穩(wěn)定性穩(wěn)定性好：當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時(shí)，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的。硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定影響性能和壽命因素： 光電池的材料及制造工藝 使用環(huán)境條件上一頁下一頁返回4.1.6光電式傳感器的應(yīng)用模擬式傳感器脈沖式傳感器上