光電傳感器1028課件

1、傳感技術(shù)與電子測量主講教師：趙珂第7章 光電檢測技術(shù)7.1 光電效應(yīng)和光電器件7.2 光電式傳感器的應(yīng)用一、光譜光 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。 遠(yuǎn)紫外近紫外可見光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長/m頻率/Hz光子能量/eV1015510141014510131001015050.551015101

2、631018光的波長與頻率的關(guān)系由光速確定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波長和頻率的關(guān)系為 的單位為Hz，的單位為cm。 =31010cm / s7.1 光電效應(yīng)和光電器件外光電效應(yīng)： 光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E =hh普朗克常數(shù)，6.62610-34Js；光的頻率（s-1）根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定

3、理 式中 m電子質(zhì)量；v0電子逸出速度。 器件：光電管、光電倍增管光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02 /2 ，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)

4、率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。常存在于高電阻率的半導(dǎo)體中。半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：q是電子電荷，Nn、Np是自由電子和自由空穴的濃度，n、 p是自由電子和自由空穴的遷移率。過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg 光生伏特效應(yīng)： 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。 勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） 接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時

5、，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。 光電池側(cè)向光電效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照

6、射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢?；谠撔?yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）等。1、 光電管 當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時便發(fā)射電子，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。一、光電器件真空光電管的伏安特性 充氣光電管的伏安特性2 、光電倍增管 在入射光極為微弱時，光電管能產(chǎn)生很小的光電流。光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極+若干倍增極+陽極 光電陰極 光電倍增極陽極倍增極上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且電位逐級升高。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 。3、 光敏電阻（1）、光敏電阻的工作原理及結(jié)

7、構(gòu)當(dāng)無光照時，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小 ； 當(dāng)有光照時，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加。（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)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時流過的電流，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。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級，亮電阻值在幾千歐以下。A、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 。 在給定

8、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，耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關(guān)。（3）、光敏電阻的基本特性 B、光照特性 光敏電阻的光電流與光強之間的關(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，一般在自動控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號傳感元件。 C、光譜特性 光敏電阻對不同波長的光，靈敏度是不同的。 D、響應(yīng)時間和頻率特性光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后。通常用響應(yīng)時間t表示。 (ms)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)時間，所

9、以它們的頻率特性也就不盡相同。 E、溫度特性 光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降。 硫化鎘光敏電阻的溫度特性 溫度系數(shù)： 在一定光照下，溫度每變化1，光敏電阻阻值的平均變化率。 溫度對光譜特性影響 隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動。因此，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對長波光的響應(yīng)。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 應(yīng)用電路UIRGRL通常從等效電路和伏安特性曲線進行基本的分析。如左圖所示。很明顯應(yīng)用光敏電阻可以在低速（由響應(yīng)時間和頻率特性決定） 用作開關(guān)電路。如果要合理設(shè)計，那么就要綜合考慮前面介紹的光敏電阻的各種特性。器件的選取如：應(yīng)用它的光譜特性，對不同

10、波長的光選用不同 的器件。 例1：光控閃爍安全警示燈電路圖如下圖所示 。當(dāng)接通電源后，220V經(jīng)二極管VD1半波整流，通過R1向C充電，因充電電流很小，警示燈E不會被點亮。電容C上的電壓取決R1和光敏電阻RL的分壓值。白天，光敏電阻RL受自然光源的照射而呈現(xiàn)低阻值，電容C兩端的充電電壓超不過雙向觸發(fā)二極管VD2的轉(zhuǎn)折電壓。雙向晶閘管VS因無觸發(fā)而處于截止?fàn)顟B(tài).警示燈E不亮。傍晚自然光變暗. 光敏電阻RL呈高阻值，電容C上的電壓不斷增高、當(dāng)電壓超過雙向觸發(fā)管VD2的轉(zhuǎn)折電壓時VD2導(dǎo)通,電容一定程度時,VD2重新截止,VS因失去觸發(fā)電流在交流電過零時自動關(guān)斷，警示燈E熄滅這之后，電容C又按上述過

11、程反復(fù)充電、放電，使VS不斷地截止與導(dǎo)通，控制著警示燈發(fā)出閃爍的亮光。（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4、 光敏二極管和光敏晶體管光敏晶體管 與一般晶體管很相似，具有兩個pn結(jié)。把光信號轉(zhuǎn)換為電信號同時，又將信號電流加以放大。 A、光譜特性入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降 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，一般都用硅管。在紅外光進行探測時，則鍺管較為適宜。 （2）、基本特性B、伏安特性硅光敏管的伏安特性 C、光照特性 兩種硅光敏管的光照特性曲線光敏二極管的光照特性曲線的線性較好 D、溫度特性其

12、暗電流及光電流與溫度的關(guān)系溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大。E、頻率響應(yīng)具有一定頻率的調(diào)制光照射時，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) 例2：光敏二極管GG的聯(lián)結(jié)和伏安特性如圖所示。若光敏二極管上的照度發(fā)生變化，L=（100+100sint)lx，為使光敏二極管上有10V的電壓變化，求所需的負(fù)載電阻RL和電源電壓E。解：根據(jù)曲線，最大電壓與最大光照對應(yīng)。并使它工作在線性區(qū)域，取200lx的拐點對應(yīng)2V，則電源電壓為： 伏安特性在電壓軸上找到12V的點，連接拐點與該點的直線為負(fù)載線。拐點對應(yīng)的電流為10微安。負(fù)載電阻為 例3：光敏三極管紅外檢

13、測器的電路如圖所示。當(dāng)紅外遙控發(fā)射裝置發(fā)出的紅外光照射到光敏三極管VT1時，其內(nèi)阻減小，驅(qū)動VT2導(dǎo)通，使發(fā)光二極管VD1隨著入射光的節(jié)奏被點亮。由于發(fā)光二極管VD1的亮度取決于照射到光敏三極管VT1的紅外光的強度，因此，根據(jù)發(fā)光二極管VD1的發(fā)光亮度，可以估計出紅外發(fā)射裝置上的電池是否還可以繼續(xù)使用。（3）、光敏三極管，光敏二極管的測試及判斷A、光敏二極管的的檢測方法1 、根據(jù)外殼上的標(biāo)記判定極性，外殼標(biāo)有色點的管腳或靠近管鍵的管腳為正極，另一管腳為負(fù)極。2 、電阻測量法，用萬用表1K檔測量，正向電阻約為10K左右。無光照射時，反向電阻為，則管子是好的（若阻值不是說明漏電流大）。有光照時，反

14、向電阻隨光照度的增加而減小，阻值可以降到幾K或1K以下，則管子是好的；若反向電阻都是或0，則管子是壞的。B 、光敏三極管的檢測方法1 、管腳長為發(fā)射極，管腳短為集電極。無光照射時，正、反向電阻均為無窮大的是光敏晶體管。2 、用萬用表1K檔，黑表筆接c極，紅表筆接e極，無光照射時接近，隨著光照的增強，電阻逐漸減小，可從-1k以下。黑表筆接e，紅表筆接c，無光照是R- ,有光照時，表針微動或為。C、使用注意事項1 、光敏二極管的輸出光電流小，輸出特性的線性度好，響應(yīng)時間快。2 、光敏三極管的輸出光電流大，輸出特性的線性度差，響應(yīng)時間慢。3 、一般要求靈敏度高，工作頻率低的開關(guān)電路，可選用光敏三極管

15、。要求光電流與照度成線性關(guān)系或要求工作頻率高時，則采用光敏二極管。例下列圖所示為光敏二極管，光敏三極管的應(yīng)用舉例 圖a所示響應(yīng)速度快，輸出信號與輸入信號同相位。圖a圖b所示集電極輸出電路適用于脈沖入射光路，輸出信號與輸入信號的相位相反，輸出信號一般較大。 圖C所示發(fā)射極輸出電路適用于模擬信號電路，R1可減少暗電流，輸出信號與輸入信號的相位相同，輸出信號一般較小。圖b圖C 圖d 圖d所示暗電流補償型電路，采用分壓器方式的偏置電路，直流工作點的熱穩(wěn)定性好，采用基極電阻減少暗電流的方法，適用模擬信號的測量。圖e 圖f 圖e,圖f所示，入射光即使很弱，也可獲得較大的光電流，但響應(yīng)特性變差，只適合低速光

16、開關(guān)電路中圖g圖g所示電路增益由R1和Rf之比決定。（1）、 工作原理直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個大面積的PN結(jié)。當(dāng)光照射到PN結(jié)上時，便在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電動勢(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勢。5、 光電池A、光譜特性光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的。 （2）、基本特性B、光照特性 不同光照度下，光電流和光生電動勢是不同的。 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，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用。 光電池的短路電流 外接負(fù)載電阻相

17、對于它的內(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。對于不同的負(fù)載電阻，可以在不同的照度范圍內(nèi)，使光電流與光照度保持線性關(guān)系，所以應(yīng)用光電池時，所用負(fù)載電阻大小，應(yīng)依據(jù)光照的具體情況來定。C、頻率響應(yīng) 指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系曲線。 硅光電池具有較高的頻率響應(yīng) ，用于高速計數(shù)的光電轉(zhuǎn)換 。D、溫度特性開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系曲線。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)E、穩(wěn)定性當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的； 硅光電池的性

18、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； +12V例4：圖所示電路為光電開關(guān)，多用于自動控制系統(tǒng)中。無光照時，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時，產(chǎn)生較高的電動勢，只要光強大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開關(guān)目的。BG2BG1C J R1 R2圖1：光電開關(guān)IURL光電池的基本連接電路例5：感光報警電路如圖所示。感光元件采用兩個硅光電 池，放大電路由三只半導(dǎo)體管組成，R1和R2為分壓 偏置電路，當(dāng)無光照時，硅光電池不產(chǎn)生電壓，它 只相當(dāng)于一個電阻串接在放大器的基極電路上。當(dāng) 有光照時，硅光電池產(chǎn)生電壓，該電壓與R2上的電

19、壓一起加在VT1的基極上，于是VT1導(dǎo)通，VT2和VT3 也隨之導(dǎo)通，繼電器K工作，其觸點被吸合，蜂嗚 器發(fā)出報警聲。 1、模擬式光電傳感器基于光電器件的光電流隨光通量而發(fā)生變化，是光通量的函數(shù) 。對于光通量的任意一個選定值，對應(yīng)的光電流就有一個確定的值，而光通量又隨被測非電量的變化而變化，這樣光電流就成為被測非電量的函數(shù)。7.2 光電式傳感器的應(yīng)用光電比色高溫計 1物鏡；2平面玻璃；3光闌；4光導(dǎo)棒；5分光鏡；6濾光片；7硅光電池；8濾光片；9硅光電池；10瞄準(zhǔn)反射鏡；11圓柱反射鏡；12目鏡；13多夫棱鏡14、15硅光電池負(fù)載電阻；16可逆電機；17電子電位差計 2、 脈沖式光電傳感器光電器件的輸出僅有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)。光電器件受光照時，有電信號輸出，光電器件不受光照時，無電信號輸出。屬于這一類的大多是作繼電器和脈沖發(fā)生器應(yīng)用的光電傳感器，如測量線位移、線速度、角位移、角速度(轉(zhuǎn)速)的光電脈沖傳感器等等。光電式數(shù)字轉(zhuǎn)