傳感器58章光電式1課件

傳感器技術(shù)及應(yīng)用

機(jī)械092011～2012第二學(xué)期2012年3月第8章光電式傳感器是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件

。以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件.特點(diǎn)：非接觸、響應(yīng)快、性能可靠8-1概述X1表示被測量能直接引起光量變化的檢測方式，X2表示被測量在光傳播過程中調(diào)制光量的檢測方式。光，可以直接作為被檢測量X1，亦可作為被測量X2的中間媒介沖床安全保護(hù)器光電保護(hù)響應(yīng)時間≤20ms，光電保護(hù)工作壽命≥106次，緊急制動時間≤200ms，光的特性常用光源光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光的調(diào)制波長頻率能量光電轉(zhuǎn)換元件光源光通路光電阻光電管光電池8-2光源8-2-1對光源的要求1、必須有足夠的照度2、應(yīng)保證均勻、無遮擋或陰影3、照射方式應(yīng)符合測量方式4、發(fā)熱量盡可能小5、必需具有合適的光譜范圍電磁波波譜分布圖光波：波長為10納米—1毫米的電磁波可見光：

波長380—780納米紅外線：

波長780納米—1毫米近紅外線：波長<3微米遠(yuǎn)紅外線：波長>3微米的近紫外遠(yuǎn)紫外可見光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.01（10nm）0.11100.050.55波長/μm紫外線：波長380—10納米近紫外線：波長380－300納米遠(yuǎn)紫外線：波長300—200納米極遠(yuǎn)紫外線：波長200—10納米二、光波的頻率：

＝C/，與波長成反比其中：C——光速，C≈3×108m/s

300GHz~30MGHz電磁波光波微波無線電波超短波短波長波中波300MHz~300GHz30MHz~300MHz3MHz~30MHz300KHz~3MHz30KHz~300KHz>30MGHz射線8.2.3常用光源及特性1.熱輻射光源——溫度越高，光越亮常用：白熾燈、鹵素?zé)舭l(fā)光范圍：可見光、大量紅外線和紫外線，輻射光譜是連續(xù)；任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。2.氣體放電光源定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。特點(diǎn)：光譜是不連續(xù)的，可用作單色光源。消耗能量僅為白熾燈1/2—1/3。如涂以熒光劑，可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如，照明日光燈。

3.發(fā)光二極管（LED）發(fā)光范圍：與材料有關(guān)，有可見光、紅外光。參數(shù)：峰值波長λp決定發(fā)光顏色，峰的寬度（用Δλ描述）決定光的色彩純度。特點(diǎn)：其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。

λp=565nm0.20.40.60.81.0

06007008009001000λp=670nmλp=655nmGaAsPλp=950nmGaAs

發(fā)光二極管的光譜特性

λ/nm相對靈敏度GaPλp=655nmGaAsP4.激光器激光的三個重要特性：高方向性、高單色性、高亮度發(fā)光范圍：波長從0.24μm到遠(yuǎn)紅外整個光頻波段范圍。激光器種類（按工作物質(zhì)分）：

固體激光器、

氣體激光器、

半導(dǎo)體激光器、液體激光器。全固化固體激光器

大功率激光二極管取代閃光燈泵浦優(yōu)點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)換效率高；（2）性能可靠、壽命長；（3）輸出光束質(zhì)量好8.3光電效應(yīng)及器件光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。

光電效應(yīng)：指物體將吸收的光能轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，而產(chǎn)生的電效應(yīng)。分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件二、紅限頻率與臨界波長紅限頻率f0：對應(yīng)某一種物質(zhì)的光頻閥值,f0＝A0/h紅限波長：對應(yīng)紅限頻率的波長稱為臨界波長，0＝hC/A0三、基于外光電效應(yīng)原理工作的光電器件1、構(gòu)成：裝有光電陰極和陽極的真空玻璃管，（一）光電管2、工作原理:光陰極受到適當(dāng)光照射后發(fā)射電子，電子被陽極吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。

3、光電管的光照特性當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。光電管的靈敏度：光照特性曲線的斜率光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51與光照有關(guān)的單位制輻射度學(xué)光度學(xué)光子學(xué)光通量瓦W流明lm光子/s能量焦耳J流明lm光子工作原理利用二次電子釋放效應(yīng),將光電流放大。陽極收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105~106倍，即光電倍增管的放大倍數(shù)、光電倍增管的靈敏度因此在很微弱的光照時，能產(chǎn)生很大的光電流。2.主要參數(shù)（1）倍增系數(shù)M

M＝δ

nδ——二次電子發(fā)射系數(shù)；n——倍增級數(shù)陽極電流I為：I=i·δ

ni—光電陰極的光電流光電倍增管的電流放大倍數(shù)β=I/i=MM與所加電壓有關(guān)，M在105~108之間，穩(wěn)定性為1％左右，加速電壓穩(wěn)定性要在0.1％以內(nèi)。一般陽極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50~100V。對所加電壓越穩(wěn)越好。

（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的最大靈敏度可達(dá)10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會損壞。（4）光電倍增管的光照特性對于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個關(guān)系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。光電倍增管的光照特性與直線最大偏離是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA處飽和10－1410－1010－610－2光通量/1m陽極電流/A光照特性反應(yīng)了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。光電倍增管產(chǎn)品1：

側(cè)窗型光電倍增管（R105）技術(shù)指標(biāo)：直徑（28mm）、九級倍增、，硼硅玻殼、銻銫光陰極、300～650nm譜響應(yīng)，最大響應(yīng)波長：400nm陰極與陽極間電壓：1250Vdc光照靈敏度：陰極：40A/lm陽極：400A/lm陽極暗電流(最大)：50nA光電倍增管產(chǎn)品2：

端窗型光電倍增管（CR110）技術(shù)指標(biāo)：直徑（28mm）、11級倍增、，硼硅玻殼、銻銫光陰極、300～650nm譜響應(yīng)，最大響應(yīng)波長：420nm陰極與陽極間電壓：1500Vdc光照靈敏度：陰極：95A/lm陽極：200A/lm陽極暗電流(最大)：10nA光電倍增管產(chǎn)品3：

高溫光電倍增管（CR162）技術(shù)指標(biāo)：直徑（28mm）、盒柵式11級倍增、，硼硅玻殼、銻鉀鈉光陰極、耐高溫銅鈹倍增極三種溫度可供選擇：125℃/150℃/175℃300～650nm譜響應(yīng)，最大響應(yīng)波長：420±20nm陰極與陽極間電壓：1800Vdc光照靈敏度(最小)：陰極：20A/lm陽極：8A/lm陽極暗電流(最大)：10nA光電倍增管電源輸入電壓：12V±2V輸出電壓：0～+1500V輸出電流：1mA外形：50×38×25(mm)重量：100gCPM端窗式光電倍增管ChannelPhotomultipliersCPM工作原理：通過安裝在端窗式光窗口內(nèi)表面的一個半透明的光電陰，接收非常微弱的入射光，并轉(zhuǎn)換成光電子。然后光電子從陰極到陽極,穿過一個窄的半導(dǎo)體通道，光電子每次撞擊彎曲通道的內(nèi)表面時，產(chǎn)生類似于光電倍增管的雪崩效應(yīng)，發(fā)射出倍增的二次電子。這個效應(yīng)沿著整個倍增通道，發(fā)生許多次，導(dǎo)致雪崩效應(yīng)，增益達(dá)到108。彎曲的玻璃管形狀加強(qiáng)了倍增效應(yīng)。與傳統(tǒng)PMT比較尺寸緊湊，最小的端窗式探測器，包括外殼直徑10.5mm，有1/3‘’、1/2‘‘、3/4’’等尺寸規(guī)格；只需要一個3000伏的電源，無外部電壓分配網(wǎng)絡(luò)要求，特點(diǎn)：超高的陽極靈敏度，比傳統(tǒng)PMT超過一到兩個數(shù)量級，比雪崩二極管APD超過5個數(shù)量級；（在3000伏最大偏置電壓下，增益達(dá)到108A/W；在2400伏時，典型增益為3x106A/W）極低的暗電流，比傳統(tǒng)的PMT降低了一到兩個數(shù)量級，擴(kuò)展了動態(tài)探測范圍，典型值3pA、106增益非常高穩(wěn)定的暗電流，CPM半導(dǎo)體內(nèi)表面沒有充電效應(yīng)，不會產(chǎn)生突變脈沖電流；非常低的等效輸入噪聲(低于10-17W)；多種光電陰極窗口材料，響應(yīng)光譜范圍：115nm～900nm；

典型應(yīng)用：熒光、紫外、可見、紅外分光光度計(jì)，色度光度計(jì)高精度、高效率光子探測和閃爍計(jì)數(shù)應(yīng)用熒光探測分析，熒光分光光度計(jì)微弱光探測精密分析儀器和生化分析、醫(yī)療儀器生物發(fā)光和化學(xué)發(fā)光研究環(huán)境射線劑量監(jiān)測β射線和γ射線探測高能物理

高壓電源高度穩(wěn)定的高壓電源，可調(diào)電壓范圍0…(-)3000V，最大輸出電流為100uA，5V工作電壓，150us門控時間，短路電流保護(hù)。

8.3.2內(nèi)光電效應(yīng)及其器件當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。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)和光生伏特效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）兩類半導(dǎo)體光電器件光敏電阻光電耦合器光電池光電導(dǎo)效應(yīng)光電三極管結(jié)光電效應(yīng)光電二極管一、光電導(dǎo)效應(yīng)及其器件1、光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體材料受到光照時，導(dǎo)電性增強(qiáng)，阻值減低的現(xiàn)象。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，由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，導(dǎo)帶價帶禁帶自由電子所占能帶價電子所占能帶Eg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。為了實(shí)現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，禁帶寬度取決于材料的光導(dǎo)性能一種光電導(dǎo)材料，總存在一個照射光波長限λc，只有波長小于λc

的光照射在上面，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進(jìn)，從而使其電導(dǎo)率增加?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件：光敏電阻導(dǎo)帶價帶禁帶Eg2、光敏電阻1）工作原理沒有極性，為純粹的電阻器件。光照引起的附加電導(dǎo)十分明顯，表現(xiàn)出較高的靈敏度。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RGRLEI2）光敏電阻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電極一般采用梳狀圖案，減小電極間的距離以提高靈敏度Cd

S3）光敏電阻封裝金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)玻璃底板半導(dǎo)體光導(dǎo)層。金屬電極與引出線，為減小潮濕的影響，必須有嚴(yán)密的外殼封裝環(huán)氧樹脂封裝的光敏電阻暗電阻：0.6M

亮電阻：5～10k100/10＝0.53、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1）暗電阻、亮電阻、光電流暗電阻不受光照射時的阻值，一般在兆歐量級。此時流過的電流稱為暗電流。亮電阻受光照射時的電阻（越小越好），此時流過的電流稱為亮電流。光電流

亮電流與暗電流之差（其值越大越好）。光電流大，其相應(yīng)的靈敏度增大。光敏電阻的暗電阻與亮電阻的比值值

＝lg(暗電阻/亮電阻)/lg(亮光照度值/暗光照度值)實(shí)用的光敏電阻的暗電阻為MΩ級，而亮電阻則為kΩ級。一般：最小＝lg(R10/R100)/lg(100/10)

＝lg(R10/R100)＝0.5～0.94、光電器件的特性光照特性光譜特性響應(yīng)時間峰值探測率溫度特性伏安特性（1）光照特性不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。012345I/mAL/lx10002000在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。（2）光譜特性相對靈敏度K與入射光波長之間的關(guān)系光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。選用時，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。204060801004008001200160020002400λ/nm123相對靈敏度1－硫化鉛在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；2－硫化鎘、3－硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。（3）頻率