第9章-光電式傳感器

第9章光電式傳感器9.1光電效應(yīng)9.2光電式傳感器器件9.3光電式傳感器的常用型號(hào)9.4光電式傳感器的應(yīng)用

9.1光電效應(yīng)外光電效應(yīng)在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子則稱為光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超過(guò)逸出功A0時(shí)，電子就會(huì)逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射，超過(guò)部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)越短，即頻率越高，其光子的能量越大；反之，光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其光子的能量也就越小。根據(jù)能量守恒定理有

（9-1）式（9-1）為愛因斯坦光電效應(yīng)方程式，由此可知，光子能量必須超過(guò)逸出功A0，才能產(chǎn)生光電子；入射光的頻譜成分不變，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比；光電子逸出物體表面時(shí)具有初始動(dòng)能，因此對(duì)于外光電效應(yīng)元件，即使不加初始陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生，為使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓。9.1光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)受光照物體電阻率發(fā)生改變，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類：在光線作用下，半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，如圖9-1所示，就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這就是光電導(dǎo)效應(yīng)。1．光電導(dǎo)效應(yīng)9.1光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)在光線的作用下物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，稱為光生伏特效應(yīng)。根據(jù)其產(chǎn)生電勢(shì)的機(jī)理可分為，側(cè)向光生伏特效應(yīng)和PN結(jié)光生伏特效應(yīng)，其中PN結(jié)光生伏特效應(yīng)應(yīng)用較廣。當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)，如果光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，電子就能夠從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶成為自由電子，價(jià)帶成為自由空穴。從而在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這些電子-空穴對(duì)在PN結(jié)的內(nèi)部電場(chǎng)作用下，電子移向N區(qū)，空穴移向P區(qū)，電子在N區(qū)積累，空穴在P區(qū)積累，從而使PN結(jié)兩端形成電位差，PN結(jié)兩端便產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管及光敏晶閘管等。

2．光生伏特效應(yīng)9.2光電式傳感器器件基于外光電效應(yīng)的光電器件光電管由一個(gè)涂有光電材料的陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，并且密封在一只真空的或充氣的玻璃管內(nèi)。陰極通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，陽(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形置于玻璃管的中央。1．光電管當(dāng)光電管的陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。如果在外電路中串入一適當(dāng)阻值的電阻，則在光電管組成的回路中形成光電流I，并在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生輸出電壓Uo。在入射光的頻譜成分和光電管電壓不變的條件下，輸出電壓Uo與入射光通量Φ成正比

。9.2光電式傳感器器件基于外光電效應(yīng)的光電器件光電倍增管由光陰極、次陰極（倍增電極）以及陽(yáng)極三部分組成，如圖9-4所示。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻化銫做成，次陰極是在鎳或銅－鈹?shù)囊r底上涂上銻化銫材料而形成，次陰極多的可達(dá)30級(jí)，通常為12級(jí)～14級(jí)。最后陽(yáng)極用來(lái)收集電子，輸出電壓脈沖。一般收集的陽(yáng)極電子流比陰極發(fā)射的電子流大105～108倍。2．光電倍增管9.2光電式傳感器器件基于外光電效應(yīng)的光電器件光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，將光電流在管內(nèi)部進(jìn)行放大。所謂的二次電子是指當(dāng)電子或光子以足夠大的速度轟擊金屬表面而使金屬內(nèi)部的電子再次逸出金屬表面，這種再次逸出金屬表面的電子叫做二次電子。光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程為：當(dāng)入射光的光子打在光電陰極上時(shí)，光電陰極發(fā)射出電子，該電子流又打在電位較高的第一倍增極上，于是又產(chǎn)生新的二次電子；第一倍增極產(chǎn)生的二次電子又打在比第一倍增極電位高的第二倍增極上，該倍增極同樣也會(huì)產(chǎn)生二次電子發(fā)射，如此連續(xù)進(jìn)行下去，直到最后一級(jí)的倍增極產(chǎn)生的二次電子被更高電位的陽(yáng)極收集為止，從而在回路中形成比較大的光電流I。光電倍增管的倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)δi的乘積。如果n個(gè)倍增電極的δi都一樣，則

M=δin

設(shè)光電倍增管的電流放大倍數(shù)為β，則2．光電倍增管9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件光敏電阻又稱為光導(dǎo)管，由半導(dǎo)體材料制成。光敏電阻的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，如圖9-5所示，在玻璃底板上均勻涂上薄層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，使金屬電極與半導(dǎo)體層可靠電接觸，然后將其壓入塑料封裝體內(nèi)，為了防止周圍介質(zhì)的污染，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應(yīng)該使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)投射率最大。光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻元件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。1．光敏電阻9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件光敏電阻的基本參數(shù)①暗電阻置于室溫、全暗條件下測(cè)得穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，通常大于1MΩ。光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電阻減小，暗電流增大，靈敏度下降，這是光敏電阻的一大缺點(diǎn)。②亮電阻光敏電阻在受到光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)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。光敏電阻的特性①伏安特性②光照特性③光譜特性④頻率特性⑤溫度特性

1．光敏電阻9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件光電池是一種在光線照射下，基于光生伏特效應(yīng)能直接產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，即直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源，電路中有了它可不需外加電源。2．光電池硅光電池（太陽(yáng)能電池）是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)形成PN結(jié)，其原理結(jié)構(gòu)如圖9-11所示，當(dāng)入射光照射在PN結(jié)上時(shí)，若光子能量hν大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，則在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，空穴移向P型區(qū)，電子移向N型區(qū)，使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負(fù)電，因而形成光生電動(dòng)勢(shì)。9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件2．光電池主要特性

①光譜特性②光照特性

9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件2．光電池主要特性

③溫度特性

④頻率特性

9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件由于半導(dǎo)體材料對(duì)光的敏感性，使得PN結(jié)受到光照時(shí)，將產(chǎn)生電流增大的現(xiàn)象。因此，常規(guī)晶體管都用金屬罐或其他殼體密封，以防光照。而光敏晶體管則必須使PN結(jié)能受到最大的光照射。3．光敏晶體管光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等統(tǒng)稱為光敏晶體管。光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差，暗電流也較大。而光敏晶閘管的導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，工作電壓有的可達(dá)數(shù)百伏，輸出功率也較大。9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件3．光敏晶體管1）光敏二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏二極管在光耦合隔離器、光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸裝置和測(cè)試技術(shù)中應(yīng)用廣泛。光敏二極管結(jié)構(gòu)的如圖9-16所示，它的PN結(jié)設(shè)置在玻璃透鏡的正下方，可以直接受到光的照射。光敏二極管在電路中處于反向偏置狀態(tài)，其等效工作電路如圖9-17所示。9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件3．光敏晶體管2）光敏三極管結(jié)構(gòu)及工作原理NPN型光敏三極管的基本電路如圖9-18（b）所示，大多數(shù)光敏三極管的基極無(wú)引出線，當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓，當(dāng)光照射在集電結(jié)時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會(huì)有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍，所以光敏三極管有放大作用。9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件3．光敏晶體管3）光敏晶體管的基本特性①光譜特性

9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件3．光敏晶體管3）光敏晶體管的基本特性②伏安特性

9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件3．光敏晶體管3）光敏晶體管的基本特性③溫度特性

9.2光電式傳感器器件光電耦合器件1．光電耦合器光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管（LED），光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光敏晶閘管等。光電耦合器件根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測(cè)有無(wú)物體的光電開關(guān)。

一般光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，有金屬封裝和塑料封裝兩種。耦合器常見的組合形式如圖9-23所示。9.2光電式傳感器器件光電耦合器件2．光電開關(guān)光電開關(guān)利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號(hào)。光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測(cè)裝置?？稍谧钥叵到y(tǒng)中應(yīng)用于物體檢測(cè)，產(chǎn)品計(jì)數(shù)，料位檢測(cè)，尺寸控制，安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等方面。9.3光電式傳感器的常用型號(hào)光電管光電陰極材料不同的光電管，有不同紅限，因此可用于不同的光譜范圍。光電管主要用于UV監(jiān)測(cè)、激光測(cè)試、光譜學(xué)等。

9.3光電式傳感器的常用型號(hào)光電倍增管光電倍增管由于電子的內(nèi)倍增作用，與外增益器件相比，具有噪聲低，響應(yīng)快等特點(diǎn)，這對(duì)探測(cè)微弱的快速脈沖信號(hào)比較有利。

9.3光電式傳感器的常用型號(hào)光敏電阻使用光敏電阻應(yīng)該注意遵照使用條件與環(huán)境條件，特別是要控制入射的輻射通量以限制光電流，以避免燒壞器件。

9.3光電式傳感器的常用型號(hào)光電晶體管光電晶體管的工作條件不能超過(guò)規(guī)定的最大極限參數(shù)，使用中要控制光照，使通過(guò)光電晶體管的光電流不超過(guò)最大限額。由于光電晶體管的靈敏度與入射光方向有關(guān)，使用時(shí)應(yīng)盡量保持光源與光敏管的位置不變。

9.3光電式傳感器的常用型號(hào)光電耦合器光電耦合器輸入輸出電路完全實(shí)現(xiàn)電的隔離，對(duì)于信號(hào)的傳輸，甚至在高壓電路中，都可以有良好的電流傳輸率。

9.3光電式傳感器的常用型號(hào)常規(guī)檢測(cè)光電傳感器光電式傳感器在實(shí)際工作中不僅常常用于我們熟知的常規(guī)檢測(cè)，在長(zhǎng)距離檢測(cè)、色標(biāo)檢測(cè)、定區(qū)域檢測(cè)中也很常見。

9.3光電式傳感器的常用型號(hào)其他類型光電傳感器9.4光電式傳感器的應(yīng)用圖9-26是采用以硫化鉛光敏電阻為探測(cè)元件的火焰探測(cè)器電路圖。硫化鉛光敏電阻的暗電阻為1MΩ,亮電阻為0.2MΩ（在光強(qiáng)度0.01W/m下測(cè)試），峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為2.2μm，硫1．火焰探測(cè)報(bào)警器化鉛光敏電阻處于V1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為6V，電流約為6μA。V1管集電極電阻兩端并聯(lián)68μF的電容，可以抑制100Hz以上的高頻，使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器。V2、V3構(gòu)成二級(jí)負(fù)反饋互補(bǔ)放大器，火焰的閃動(dòng)信號(hào)經(jīng)二級(jí)放大后送給中心控制站進(jìn)行報(bào)警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長(zhǎng)時(shí)間使用后，元件阻值的變化不至于影響輸出信號(hào)的幅度，保證火焰報(bào)警器能長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。9.4光電式傳感器的應(yīng)用光電式緯線探測(cè)器是應(yīng)用于噴氣織機(jī)上，判斷緯線是否斷線的一種探測(cè)器。圖9-27為光電式緯線探測(cè)器原理電路圖，當(dāng)緯線在噴氣作用下前進(jìn)時(shí)，紅外發(fā)光管VD發(fā)出的紅外光，經(jīng)緯線反射，由光電池接收，如光電池接收不到反射信號(hào)時(shí)，說(shuō)明緯線已斷。因此利用光電池的輸出信號(hào)，通過(guò)后續(xù)電路放大、脈沖整形等，控制機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)或者關(guān)機(jī)報(bào)警。但是，由于緯線線徑很細(xì)，又是擺動(dòng)著前進(jìn)，形成光的漫反射，削弱了反射光的強(qiáng)度，而且還伴有背景雜散光，因此要求探緯器具有高的靈敏度和分辨率。為此，紅外發(fā)光管VD采用占空比很小的強(qiáng)電流脈沖供電，這樣既能保證發(fā)光管使用壽命，又能在瞬間有強(qiáng)光射出，以提高檢測(cè)靈敏度。

2．光電式緯線探測(cè)器9.4光電式傳感器的應(yīng)用煙道里的煙塵濁度是通過(guò)光在煙道里傳輸過(guò)程中的變化大小來(lái)檢測(cè)的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測(cè)器上的光減少，因而光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。3．煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀9.4光電式傳感器的應(yīng)用在進(jìn)行物件的表面檢測(cè)時(shí)，無(wú)缺陷的表面對(duì)入射光束的反射（或透射）方向和強(qiáng)度均是恒定的，而有缺陷的表面，對(duì)于光束的反射（或透射）則會(huì)在方向和強(qiáng)度上發(fā)生變化。因缺陷所引起的光通量變化，通過(guò)光電元件感受并轉(zhuǎn)換為輸出電信號(hào)，經(jīng)過(guò)分析就能檢測(cè)出表面的缺陷情況。4．表面缺陷光電傳感器9.4光電式傳感器的應(yīng)用1）透射式光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表透射式光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表的工作原理如圖9-30所示，在被測(cè)轉(zhuǎn)速的電機(jī)上固定一個(gè)調(diào)制盤，將光源發(fā)出的恒定光調(diào)制成隨時(shí)間變化的調(diào)制光。光線每照射到光電器件上一次，光電器件就產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)脈沖，經(jīng)整形放大，即可得到一個(gè)便于測(cè)量計(jì)數(shù)的頻率信號(hào)。5．光電式轉(zhuǎn)速表9.4光電式傳感器的應(yīng)用2）反射式光電轉(zhuǎn)速表反射式光電轉(zhuǎn)速表的工作原理如圖9-31所示。在被測(cè)轉(zhuǎn)軸端面上裝有碼盤或貼上帶反光特性的標(biāo)志。光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)將一束光線投射到被測(cè)轉(zhuǎn)軸的軸端面上，軸每轉(zhuǎn)一周，反射光投射到光敏元件上的強(qiáng)弱將發(fā)生一次改變，相應(yīng)輸出一個(gè)電脈沖信號(hào)。光敏元件接收到的反射光經(jīng)過(guò)整形、放大、計(jì)數(shù)，即可得出被測(cè)對(duì)象的轉(zhuǎn)速。5．光電式轉(zhuǎn)速表本章小結(jié)1．光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。它的轉(zhuǎn)換原理是基于物質(zhì)的外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。2．基于外光電效應(yīng)工作原理制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。光電陰極材料不同的光電管，有不同紅限，因此可用于不同的光譜范圍。光電管主要用于UV監(jiān)測(cè)、激光測(cè)試、光譜學(xué)等。光電倍增管由于電子的內(nèi)倍增作用，與外增益器件相比，具有噪聲低，響應(yīng)快