檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)：第5章電壓型傳感器4（光電式）

1、1第5章 電壓型傳感器 5.4 光電式傳感器2 概 述光電效應(yīng): 基于光電效應(yīng)原理工作的光電轉(zhuǎn)換元件叫光電器件。 分為外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。相應(yīng)地，光電器件有光電發(fā)射型、光導(dǎo)型、光伏型。3一、光電發(fā)射型光電器件光子能量為hf, h是普朗克常數(shù)，光子打在光電材料上，單個(gè)光子把全部能量傳給光電材料中的一個(gè)自由電子，其中一部分消耗在電子逸出的逸出功A，另一部分轉(zhuǎn)化為逸出電子的初動能。電子質(zhì)量m，逸出物體表面初速度，按能量守恒定律：紅限頻率:能使光電材料產(chǎn)生光電子發(fā)射的照射光的最低頻率。動能為0 fo= A/h 41 外光電效應(yīng)在光照作用下,物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光

2、電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管。5光電器件光電管和光電倍增管當(dāng)入射光照射到光電管陰極時(shí)，陰極發(fā)射電子，電子被陽極正電場吸引，光電管內(nèi)形成電流，在負(fù)載輸出電壓，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。6光電倍增管在陰極和陽極間有多個(gè)倍增極，倍增極上涂有電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料。特點(diǎn)：能將微小的光電流放大，適合測量微弱的光，用于測量儀器。 光譜特性由窗口材料、陰極材料決定。72 、光導(dǎo)效應(yīng)大多數(shù)高電阻率半導(dǎo)體，受光照射吸收光子能量后，產(chǎn)生電阻率降低而易于導(dǎo)電的現(xiàn)象。也稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 光導(dǎo)效應(yīng)物理過程: 在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過度到自由狀態(tài)，而引起材料導(dǎo)電性能增強(qiáng)。8光導(dǎo)型光電

3、器件入射光能量必須大于入射光的禁帶寬度，所以入射光頻率須大于禁帶寬度決定的紅限頻率?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻，光敏二極管、光敏三極管。9 光敏電阻AE電極半導(dǎo)體玻璃底板 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與電路連接 當(dāng)光照射到有光導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料制成的電阻器件上時(shí)，光導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使電子和空穴增加，致使光敏電阻的電阻值下降。 光敏電阻具有很高的靈敏度、很好的光譜特性、壽命長、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛。10 把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，實(shí)現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換。 112. 光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1）暗電阻、暗電流、亮電阻、亮電流、

4、光敏電阻在未受到光照時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流為暗電流。 在受到光照時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)的電流稱為亮電流。12RE-+IPN結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，有一個(gè)對光敏感材料組成PN結(jié)，工作在反偏狀態(tài)。無光照射時(shí)，反向電流很小，叫暗電流，有光照射時(shí)，PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子空穴對，在反向電壓作用下參與導(dǎo)電，形成光電流，光電流大小與光照強(qiáng)度成正比。 光敏晶體管1. 光敏二極管13 光敏二極管在工作時(shí)，一般加上反向電壓，處于反向工作狀態(tài)。加上零偏電壓時(shí)，處于光電池工作狀態(tài)。光敏二極管的光照特性是線性的 (光電流) ，適合檢測等方面的應(yīng)用。RL 光PN142. 光敏三極管結(jié)構(gòu)：集電結(jié)為光敏二極管的三

5、極管，且基極一般不接引線。有放大光電流作用。帶基極引線的光敏三極管提供了基極偏置回路，在光照弱時(shí)可改善特性。15當(dāng)集電極加上正電壓，基極開路時(shí)，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射集電結(jié)的基區(qū)時(shí)，產(chǎn)生電子、空穴對，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，相當(dāng)于給發(fā)射結(jié)加了正向偏壓。從而使電子大量流向集電極，形成輸出電流?；竟ぷ髟恚篒CeECIERCcNNPb光敏三極管具有兩個(gè)PN結(jié)，其基本原理與光敏二極管類似，但它在把光信號變成電信號的同時(shí)，還放大了信號電流。集電極電流為光敏二極管光電流的倍。16在使用光敏管時(shí)，不能從外觀上區(qū)別是二極管還是三極管，只能由型號來判定。光

6、激發(fā)光控開關(guān)暗激發(fā)光控開關(guān)173、光生伏特效應(yīng): 光照射引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象，簡稱光伏效應(yīng)?；谠撔?yīng)的器件有光電池。 光電池的結(jié)構(gòu)圖下電極梳狀電極SiO2抗反射膜PN硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖。它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)。 18 光電池 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，產(chǎn)生光生電子-空穴對，在PN結(jié)內(nèi)電場作用下，空穴流向P區(qū)，電子流向N區(qū)，在PN結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。故光電池屬于有源傳感器。N若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中就有電流流過。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。 19目前，

7、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池和硒光電池。硅光電池的價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率比硅光電池低、適于接收可見光。20光電池應(yīng)用21光電池和風(fēng)力供電路燈 22光電器件的基本特性一、光電特性和光照特性光電特性光電器件電極上電壓一定時(shí)，光電流I與入射到器件上的光通量的關(guān)系I=f()。光通量：單位時(shí)間內(nèi)所輻射的光能，單位:lm(流明)光照特性光電器件電極上電壓一定時(shí)，光電流I與光電器件上的照度E的關(guān)系I=f(E) 。照度：單位面積上受到的光通量，單位:lx(勒克斯)1勒克斯=1流明/平方米23 光敏電阻光照特性多數(shù)是非線性的。不宜做光照測量元件，一般用做開關(guān)式

8、的光電轉(zhuǎn)換器。0 500 1000 1500光照度/lx光電流/mA24光敏二極管光照特性反偏時(shí)，光照特性線性好，適合作檢測元件。微安數(shù)量級。零偏時(shí)，相當(dāng)于光電池，輸出短路電流與光照度是線性關(guān)系，輸出開路電壓與光照度是非線性的。25(3)光敏三極管的光照特性1.02.03.02004006008001000Lx0I(A)故光敏三極管既可做線性轉(zhuǎn)換元件， 也可做光控制傳感器。近似線性關(guān)系。但光照足夠大時(shí)會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。26硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。故選用時(shí)要把元件和光源光譜結(jié)合起來考慮。應(yīng)使元件的最大靈敏度在需要測定的光譜范圍內(nèi)。（可見光波長:390nm - 780nm）

9、光敏電阻的光譜特性0 500 1000 1500 2000 250020406080100硫化鎘硫化鉈硫化鉛入射光波長/nm相對靈敏度/%二、光譜特性光電器件電極上電壓一定時(shí)，光電流I或靈敏度與入射光的波長的關(guān)系，即I=f()或S=f() 。273. 光敏三極管的光譜特性 存在一個(gè)最佳靈敏度波長2040608010040080012001600入射光波長/nm鍺硅相對靈敏度（%）028光電池的光譜特性 故硒光電池適用于可見光，常用于分析儀器、測量儀表。如用照度計(jì)測定光的強(qiáng)度。硅光電池的光譜寬，從可見光到紅外光，硒光電池在540nm附近。20406080100硒硅入射光波長/nm0 400 60

10、0 800 1000 1200相對靈敏度/% 光電池的光譜特性29光敏電阻的伏安特性所加的電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。0 10 20 30 40 5050100150200250I/ AU/V 圖11 光敏電阻的伏安特性 三、伏安特性在給定光通量或照度下，光電流與光電器件兩端電壓的關(guān)系，即I=F(U)。光敏電阻最高使用電壓由光敏電阻的最大允許耗散功率決定。30各種光電元件的伏安特性31入射光調(diào)制頻率/Hz相對靈敏度/%0 10 102 103 10420406080100硫化鎘硫化鉛圖12 光敏電阻的頻率特性 四、頻率特性 在同樣電壓和同樣幅值的光照度下，當(dāng)入射光強(qiáng)度以不同正弦交

11、變頻率調(diào)制時(shí)，光電器件的光電流或靈敏度隨調(diào)制頻率變化，他們的關(guān)系I=F1(f)或S=F2(f)稱為頻率特性。32光敏三極管的頻率特性減小負(fù)載電阻可以提高響應(yīng)頻率，但將使輸出降低。故使用時(shí)要根據(jù)頻率選擇最佳的負(fù)載電阻。硅管的響應(yīng)頻率比鍺管的好。光敏二極管的頻率特性比光敏三極管好。20 406080100相對靈敏度（%）f(kHZ) 110 1000RL=1kRL=10kRL=100k33各種光電元件的頻率特性34峰值隨溫度上升向波長短的方向移動。204060801000 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0/m相對靈敏度（%）+20 C-20 C 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性五、溫度特性溫度變

12、化后，電子熱運(yùn)動也隨之變化，引起光電器件的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)的變化。35光敏三極管的溫度特性暗電流（ A)1030507002550C200400100300 500光電流（ A)103050700C 溫度變化對光電流的影響較小，對暗電流的影響很大。故電子線路中應(yīng)對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償。36各種光電元件的溫度特性37光電式傳感器的基本組成和類型光電式傳感器是以光為媒介,以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)傳感器。38光電式傳感器的基本類型1、透射式，測量液體、氣體和固體的透明度。2、反射式，測量物體表面粗糙度等的傳感器。 按被測信號轉(zhuǎn)換為光電器件的入射光通量變化的形式，光電傳感器可分為5類：39光電池白度計(jì)原理白度是衡量物體表面對可見光全波長輻射反射率的一個(gè)參數(shù)，用于造紙、紡織等行業(yè)。調(diào)節(jié)RP使檢流計(jì)的指示為零，與電位器聯(lián)動的指針指示被測物的白度。403、輻射式，用于光電高溫計(jì)和爐子燃燒監(jiān)測傳感器。4、遮擋式，測量物體表面積、尺寸、位移。5、開關(guān)式，用于開關(guān)、計(jì)數(shù)等。41路燈自動控制原理 無光照，流過光敏二極管電流很小，A點(diǎn)電位低，三極管V1、V2截止，繼電器無電流通過，觸點(diǎn)K接通，路燈亮。有光照，流過光敏二極管電流增加，A點(diǎn)電位升高，V1、V2導(dǎo)通，繼電器有電流通過動作，觸點(diǎn)K斷開，路燈熄滅。42錯(cuò)誤的路燈控制電路錯(cuò)誤原因：光敏二極管受光照時(shí)的光電流是微安