傳感器及實用檢測技術(shù)（第三版）光電傳感器

光電傳感器1.概述2.光電效應(yīng)3.主要光電器件及應(yīng)用4.光纖傳感器5.紅外傳感器內(nèi)容提要光波是波長為10~106nm的電磁波。1000,000nm780nm380nm可見光紅外光紫外光性質(zhì)：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。一、光的特性10nm1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)：光在空間傳播時，是不連續(xù)的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速運動的粒子流，愛因斯坦把這些不連續(xù)的量子稱為“光量子”。1926年，美國物理學(xué)家劉易斯把這一名詞改稱為“光子”，并沿用至今。每個光子的能量為E=hν可見，光的頻率愈高，光子的能量愈大。二、光源（發(fā)光器件）1.白熾光源最為普通的是用鎢絲通電加熱作為光輻射源。一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：320nm~2500nm,

所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。

特點：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.氣體放電光源利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈即氣體放電燈。它的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，可被用作單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1/2-1/3。構(gòu)成：由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成。特點：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。

3.發(fā)光二極管LED——LightEmittingDiodeRUNP++++++++++++++++----------------UiD++__原理：當(dāng)加正向電壓時，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，和P區(qū)里的空穴復(fù)合；空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種電子空穴對的復(fù)合同時伴隨著光子的放出，因而發(fā)光。

電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量等于PN結(jié)的禁帶寬度（即能量間隙）Eg。所放出的光子能量用hν表示，有普朗克常數(shù)h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；hc=19.8×10-26m?W?s=12.4×10-7m?eVEg的單位為eV，1eV=1.6╳10-19J。可見光的波長

近似地認(rèn)為在7×10-7m以下，所以制作可見光區(qū)的發(fā)光二極管，其材料的禁帶寬度至少應(yīng)大于

hc/

=1.8eV普通二極管是用硅或鍺制造的，這兩種材料的禁帶寬度Eg分別為1.12eV和0.67eV，顯然不能使用。通常用的砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體，寫作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例，當(dāng)x＞0.35時，可得到Eg≥1.8eV的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長，使

在550～900nm間變化。與此相似的可供制作發(fā)光二極管的材料見下表：材料波長/nm材料波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料發(fā)光二極管的光譜特性0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相對靈敏度Δ

U/V

I/mA-10-5012GaAsP(紅)GaAsP(綠)反向電壓應(yīng)在5V以下!發(fā)光二極管的伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度的不同，開啟（點燃）電壓略有差異。紅色約為1.7V開啟，綠色約為2.2V。4、激光器激光（Laser:Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一。具有高方向性、高單色性、高亮度和高的相干性四個重要特性。激光波長一般從0.15μm到遠(yuǎn)紅外整個光頻波段范圍。X-射線激光器。武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）液體激光器（染料激光器）半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院（1）固體激光器典型實例是紅寶石激光器，是1960年人類發(fā)明的第一臺激光器（T.Maiman）。工作物質(zhì)為紅寶石---摻0.05%Cr+3

的Al2O3棒。武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院Nd:YAG激光器

摻Nd+3

離子的激光器有三種:

玻璃釔鋁石榴石氟化釔鋰（

YLF：LiYF4)Nd+3Y3Al5O12激活離子基質(zhì)釔鋁石榴石（2）氣體激光器工作物質(zhì)是氣體。種類：各種原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用的有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準(zhǔn)分子激光器等，其形狀像普通的放電管一樣，能連續(xù)工作，單色性好。波長覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外的頻譜區(qū)域。

（3）液體激光器種類：螯合物激光器、無機液體激光器和有機染料激光器，其中較為重要的是有機染料激光器。它的最大特點是發(fā)出的激光波長可在一段范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且效率也不會降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。

（4）半導(dǎo)體激光器與前幾種相比出現(xiàn)較晚，其成熟產(chǎn)品是砷化鎵激光器。特點：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜在飛機、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶。其缺點是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。1.外光電效應(yīng)

在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)。二、光電效應(yīng)兩類：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。1887年，首先是赫茲（M.Hertz）在證明波動理論實驗中首次發(fā)現(xiàn)的；1902年，勒納（Lenard)也對其進行了研究，指出光電效應(yīng)是金屬中的電子吸收了入射光的能量而從表面逸出的現(xiàn)象。但無法根據(jù)當(dāng)時的理論加以解釋；1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè)。愛因斯坦光電效應(yīng)方程：1.光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A。2.

一定時，產(chǎn)生的光電流和光強成正比。3.逸出的光電子具有動能。

基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管。2.內(nèi)光電效應(yīng)

當(dāng)光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象。分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）。(1)光電導(dǎo)效應(yīng)

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)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。

自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶禁帶導(dǎo)帶價帶

Eg電子能量Eh

≧Eg當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若這個光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強,光電材料價帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻①

勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）

光照射PN結(jié)時，若h

≧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，電子偏向N區(qū)外側(cè)，空穴偏向P區(qū)外側(cè)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光生電動勢。(2)光生伏特效應(yīng)：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏二極管、三極管。PN②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，光照部分產(chǎn)生電子空穴對，載流子濃度比未受光照部分的大，出現(xiàn)了載流子濃度梯度，引起載流子擴散，由于電子比空穴擴散得快，導(dǎo)致光照部分帶正電，未照部分帶負(fù)電，從而產(chǎn)生電動勢，即為側(cè)向光電效應(yīng)。1.光電管及其基本特性(1)結(jié)構(gòu)與工作原理三、外光電效應(yīng)器件(２)主要性能(a)光電管的伏安特性

在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。

真空光電管充氣光電管150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012陰極電壓/VIA/μA2010050弱光強光1504681012陰極電壓/VIA/μA(b)光電管的光照特性當(dāng)光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.511-氧銫陰極2-銻銫陰極(c)光電管的光譜特性

一般光電陰極材料不同的光電管有不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。另外，同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。以GD-4型光電管為例，陰極是用銻銫材料制成，其紅限λc=700nm，對可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應(yīng)用于各種光電式自動檢測儀表中。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。國產(chǎn)光電管的技術(shù)參數(shù)2.光電倍增管及其基本特性(1）結(jié)構(gòu)與工作原理當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點幾個微安，很不容易探測。這時常用光電倍增管對電流進行放大。光電倍增管靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于測量微弱信號。

光電倍增管也有一個陰極K、一個陽極A。與光電管不同的是，在它的陰極和陽極間設(shè)置了許多次陰極（如D1、D2、D3、…）相鄰電極間通常加上100V左右的電壓，其電位逐級升高，陰極電位最低，陽極電位最高，兩者之差一般在600~1200V。3.光敏電阻

光敏電阻又稱光導(dǎo)管。光敏電阻幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻的結(jié)構(gòu)較簡單，在玻璃底板上均勻地涂上薄薄的一層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝上金屬電極，使電極與半導(dǎo)體層接觸可靠，然后，將它們壓入帶有透明窗的管殼里，就構(gòu)成了光敏電阻。原理：光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力完全取決于半導(dǎo)體內(nèi)載流子數(shù)目的多少。當(dāng)光敏電阻受到光照時，若光子能量大于該半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，就產(chǎn)生一個電子—空穴對，使電阻率變小。(a)結(jié)構(gòu)圖(b)原理圖(c)外形圖

光敏電阻沒有極性,純粹是一個電阻器件,使用時既可加直流電壓,也可以加交流電壓。無光照時,光敏電阻值（暗電阻）很大,電路中電流（暗電流）很小。光敏電阻結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，靈敏度高，光譜響應(yīng)的范圍可以從紫外光區(qū)到紅外光區(qū)，體積小、性能穩(wěn)定、使用壽命長，價格較低，所以被廣泛應(yīng)用在自動化及檢測技術(shù)中。

光敏電阻的特性1）暗電阻、亮電阻與光電流光敏電阻在未受到光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。在受到光照射時的電阻稱為亮電阻，此時的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。2）光敏電阻的伏安特性由曲線可知，所加的電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強而增大。3）光敏電阻的光照特性光敏電阻的光照特性用于描述光電流和光照強度之間的關(guān)系，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性曲線是非線性的，如右圖所示。不同光敏電阻的光照特性是不相同的。光敏電阻不宜作線性測量元件，一般用作開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。4）光敏電阻的光譜特性

對于不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。

4.光敏二（三）極管工作原理：

利用光子引起的電子躍遷將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，光生電流與光強成正比。用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦合器、光電檢測等

光敏二極管在在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)，沒有光照射時,反向電阻很大,反向電流很小,這反向電流稱為暗電流。二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時,光子打在PN結(jié)附近,使PN結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對。它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運動,形成光電流。二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光的照度越大,光電流越大。（2）光敏二極管的基本特性：光譜特性：光敏二極管在一定照度時，輸出的光電流（或用相對靈敏度表示）與入射光波長的關(guān)系。1008060402000.51.01.52.0入射光鍺硅K/(%)伏安特性：當(dāng)光照時，反向電流隨著光照強度的變化。在不同的照度下，伏安特性曲線幾乎平行。光的顏色會隨著溫度的升高而變化，這種光源的溫度就叫該光源的色溫。色溫1526K光照特性：光電流與照度的關(guān)系，線性關(guān)系溫度特性：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頻率特性：光敏管輸出的光電流（或相對靈敏度）隨頻率變化的關(guān)系。光敏二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種。響應(yīng)特性：硅光敏二極管的上升時間不超過5納秒，適合用于快速響應(yīng)或高頻調(diào)制。4．光電池光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)。光電池是在光線照射下，直接能將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿莸墓怆娫?，實質(zhì)上它就是電壓源。這種光電器件是基于阻擋層的光電效應(yīng)。光電池的種類很多，其中最受重視的是硅光電池和硒光電池，因為它們有一系列優(yōu)點，例如性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高、能耐高溫輻射和價格便宜等。另外，由于硒光電池的光譜峰值位置在人眼的視覺范圍，所以很多分析儀器、測量儀表也常常用到它。硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴散的方法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)，入射光照射在PN結(jié)上時，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對，在內(nèi)電場的作用下，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PN結(jié)產(chǎn)生電勢。6．光電耦合器件（1）工作原理與結(jié)構(gòu)光電耦合器（OC）又稱光隔離器，簡稱光耦。將發(fā)光器件與光敏元件集成在一起便可構(gòu)成光電耦合器件。光電耦合器以光為媒介傳輸電信號，對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。常用的光電耦合器里的發(fā)光元件多半是發(fā)光二極管，而光敏元件多為光敏二極管和光敏三極管，少數(shù)采用光敏達林頓管或光控晶閘管。武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院

輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長的光，該光源照射到光敏三極管表面上，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，該電流的大小與光照的強弱，即流過二極管的正向電流的大小成正比，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電－光－電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光電耦合器輸入/輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣