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(hào)（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)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(cè)量能直接引起光量變化的檢測(cè)方式，X2表示被測(cè)量在光傳播過程中調(diào)制光量的檢測(cè)方式。光，可以直接作為被檢測(cè)量X1，亦可作為被測(cè)量X2的中間媒介沖床安全保護(hù)器光電保護(hù)響應(yīng)時(shí)間≤20ms，光電保護(hù)工作壽命≥106次，緊急制動(dòng)時(shí)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(zhǎng)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(duì)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(cè)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(zhǎng)為10納米—1毫米的電磁波可見光：

波長(zhǎng)380—780納米紅外線：

波長(zhǎng)780納米—1毫米近紅外線：波長(zhǎng)<3微米遠(yuǎn)紅外線：波長(zhǎng)>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(zhǎng)/μm紫外線：波長(zhǎng)380—10納米近紫外線：波長(zhǎng)380－300納米遠(yuǎn)紫外線：波長(zhǎng)300—200納米極遠(yuǎn)紫外線：波長(zhǎng)200—10納米二、光波的頻率：

＝C/，與波長(zhǎng)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(zhǎng)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(hào)。特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特性差，但對(duì)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?jī)H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(zhǎng)，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(zhǎng)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(zhǎng)、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(duì)靈敏度GaPλp=655nmGaAsP4.激光器激光的三個(gè)重要特性：高方向性、高單色性、高亮度發(fā)光范圍：波長(zhǎng)從0.24μm到遠(yuǎn)紅外整個(gè)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(zhǎng)；（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(zhǎng)紅限頻率f0：對(duì)應(yīng)某一種物質(zhì)的光頻閥值,f0＝A0/h紅限波長(zhǎng)：對(duì)應(yīng)紅限頻率的波長(zhǎng)稱為臨界波長(zhǎng)，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(yáng)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(yáng)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(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，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(yáng)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(shí)，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(jí)數(shù)陽(yáng)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(yáng)極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為50~100V。對(duì)所加電壓越穩(wěn)越好。

（4）光電倍增管的光照特性對(duì)于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個(gè)關(guān)系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時(shí)，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(yáng)極電流/A光照特性反應(yīng)了光電倍增管的陽(yáng)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(jí)倍增、，硼硅玻殼、銻銫光陰極、300～650nm譜響應(yīng)，最大響應(yīng)波長(zhǎng)：400nm陰極與陽(yáng)極間電壓：1250Vdc光照靈敏度：陰極：40A/lm陽(yáng)極：400A/lm陽(yáng)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(jí)倍增、，硼硅玻殼、銻銫光陰極、300～650nm譜響應(yīng)，最大響應(yīng)波長(zhǎng)：420nm陰極與陽(yáng)極間電壓：1500Vdc光照靈敏度：陰極：95A/lm陽(yáng)極：200A/lm陽(yáng)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(jí)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(zhǎng)：420±20nm陰極與陽(yáng)極間電壓：1800Vdc光照靈敏度(最小)：陰極：20A/lm陽(yáng)極：8A/lm陽(yáng)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(gè)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(yáng)極,穿過一個(gè)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(shí)，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(gè)效應(yīng)沿著整個(gè)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(cè)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(gè)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(yáng)極靈敏度，比傳統(tǒng)PMT超過一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，比雪崩二極管APD超過5個(gè)數(shù)量級(jí)；（在3000伏最大偏置電壓下，增益達(dá)到108A/W；在2400伏時(shí)，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(gè)數(shù)量級(jí)，擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)探測(cè)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(huì)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(cè)和閃爍計(jì)數(shù)應(yīng)用熒光探測(cè)分析，熒光分光光度計(jì)微弱光探測(cè)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(cè)β射線和γ射線探測(cè)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(shí)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(dòng)勢(shì)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(shí)，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(shí)，價(jià)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(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)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(jí)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(gè)照射光波長(zhǎng)限λc，只有波長(zhǎng)小于λc

的光照射在上面，才能產(chǎn)生電子能級(jí)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(jià)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(shí)的阻值，一般在兆歐量級(jí)。此時(shí)流過的電流稱為暗電流。亮電阻受光照射時(shí)的電阻（越小越好），此時(shí)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(jí)，而亮電阻則為kΩ級(jí)。一般：最?。絣g(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(shí)間峰值探測(cè)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(cè)元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動(dòng)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(duì)靈敏度K與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。選用時(shí)，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(duì)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）頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光