第9章-光電式傳感器

第9章光電式傳感器9.1光電效應(yīng)9.2光電式傳感器器件9.3光電式傳感器的常用型號9.4光電式傳感器的應(yīng)用

9.1光電效應(yīng)外光電效應(yīng)在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子則稱為光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超過逸出功A0時，電子就會逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。因為光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量越大；反之，光的波長越長，其光子的能量也就越小。根據(jù)能量守恒定理有

（9-1）式（9-1）為愛因斯坦光電效應(yīng)方程式，由此可知，光子能量必須超過逸出功A0，才能產(chǎn)生光電子；入射光的頻譜成分不變，產(chǎn)生的光電子與光強成正比；光電子逸出物體表面時具有初始動能，因此對于外光電效應(yīng)元件，即使不加初始陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生，為使光電流為零，必須加負的截止電壓。9.1光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)受光照物體電阻率發(fā)生改變，或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類：在光線作用下，半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，如圖9-1所示，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這就是光電導(dǎo)效應(yīng)。1．光電導(dǎo)效應(yīng)9.1光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)在光線的作用下物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象，稱為光生伏特效應(yīng)。根據(jù)其產(chǎn)生電勢的機理可分為，側(cè)向光生伏特效應(yīng)和PN結(jié)光生伏特效應(yīng)，其中PN結(jié)光生伏特效應(yīng)應(yīng)用較廣。當(dāng)光照射到PN結(jié)上時，如果光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，電子就能夠從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶成為自由電子，價帶成為自由空穴。從而在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對。這些電子-空穴對在PN結(jié)的內(nèi)部電場作用下，電子移向N區(qū)，空穴移向P區(qū)，電子在N區(qū)積累，空穴在P區(qū)積累，從而使PN結(jié)兩端形成電位差，PN結(jié)兩端便產(chǎn)生了光生電動勢。基于該效應(yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管及光敏晶閘管等。

2．光生伏特效應(yīng)9.2光電式傳感器器件基于外光電效應(yīng)的光電器件光電管由一個涂有光電材料的陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空的或充氣的玻璃管內(nèi)。陰極通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形置于玻璃管的中央。1．光電管當(dāng)光電管的陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。如果在外電路中串入一適當(dāng)阻值的電阻，則在光電管組成的回路中形成光電流I，并在負載電阻RL上產(chǎn)生輸出電壓Uo。在入射光的頻譜成分和光電管電壓不變的條件下，輸出電壓Uo與入射光通量Φ成正比

。9.2光電式傳感器器件基于外光電效應(yīng)的光電器件光電倍增管由光陰極、次陰極（倍增電極）以及陽極三部分組成，如圖9-4所示。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻化銫做成，次陰極是在鎳或銅－鈹?shù)囊r底上涂上銻化銫材料而形成，次陰極多的可達30級，通常為12級～14級。最后陽極用來收集電子，輸出電壓脈沖。一般收集的陽極電子流比陰極發(fā)射的電子流大105～108倍。2．光電倍增管9.2光電式傳感器器件基于外光電效應(yīng)的光電器件光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，將光電流在管內(nèi)部進行放大。所謂的二次電子是指當(dāng)電子或光子以足夠大的速度轟擊金屬表面而使金屬內(nèi)部的電子再次逸出金屬表面，這種再次逸出金屬表面的電子叫做二次電子。光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換過程為：當(dāng)入射光的光子打在光電陰極上時，光電陰極發(fā)射出電子，該電子流又打在電位較高的第一倍增極上，于是又產(chǎn)生新的二次電子；第一倍增極產(chǎn)生的二次電子又打在比第一倍增極電位高的第二倍增極上，該倍增極同樣也會產(chǎn)生二次電子發(fā)射，如此連續(xù)進行下去，直到最后一級的倍增極產(chǎn)生的二次電子被更高電位的陽極收集為止，從而在回路中形成比較大的光電流I。光電倍增管的倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)δi的乘積。如果n個倍增電極的δi都一樣，則

M=δin

設(shè)光電倍增管的電流放大倍數(shù)為β，則2．光電倍增管9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件光敏電阻又稱為光導(dǎo)管，由半導(dǎo)體材料制成。光敏電阻的結(jié)構(gòu)較簡單，如圖9-5所示，在玻璃底板上均勻涂上薄層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，使金屬電極與半導(dǎo)體層可靠電接觸，然后將其壓入塑料封裝體內(nèi)，為了防止周圍介質(zhì)的污染，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應(yīng)該使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)投射率最大。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻元件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。1．光敏電阻9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件光敏電阻的基本參數(shù)①暗電阻置于室溫、全暗條件下測得穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，通常大于1MΩ。光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電阻減小，暗電流增大，靈敏度下降，這是光敏電阻的一大缺點。②亮電阻光敏電阻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。③光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。光敏電阻的特性①伏安特性②光照特性③光譜特性④頻率特性⑤溫度特性

1．光敏電阻9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件光電池是一種在光線照射下，基于光生伏特效應(yīng)能直接產(chǎn)生電動勢，即直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有光線作用下實質(zhì)就是電源，電路中有了它可不需外加電源。2．光電池硅光電池（太陽能電池）是在一塊N型硅片上，用擴散的方法摻入一些P型雜質(zhì)形成PN結(jié)，其原理結(jié)構(gòu)如圖9-11所示，當(dāng)入射光照射在PN結(jié)上時，若光子能量hν大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，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)帶負電，因而形成光生電動勢。9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件2．光電池主要特性

①光譜特性②光照特性

9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件2．光電池主要特性

③溫度特性

④頻率特性

9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件由于半導(dǎo)體材料對光的敏感性，使得PN結(jié)受到光照時，將產(chǎn)生電流增大的現(xiàn)象。因此，常規(guī)晶體管都用金屬罐或其他殼體密封，以防光照。而光敏晶體管則必須使PN結(jié)能受到最大的光照射。3．光敏晶體管光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等統(tǒng)稱為光敏晶體管。光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差，暗電流也較大。而光敏晶閘管的導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，工作電壓有的可達數(shù)百伏，輸出功率也較大。9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件3．光敏晶體管1）光敏二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏二極管在光耦合隔離器、光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸裝置和測試技術(shù)中應(yīng)用廣泛。光敏二極管結(jié)構(gòu)的如圖9-16所示，它的PN結(jié)設(shè)置在玻璃透鏡的正下方，可以直接受到光的照射。光敏二極管在電路中處于反向偏置狀態(tài)，其等效工作電路如圖9-17所示。9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件3．光敏晶體管2）光敏三極管結(jié)構(gòu)及工作原理NPN型光敏三極管的基本電路如圖9-18（b）所示，大多數(shù)光敏三極管的基極無引出線，當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓，當(dāng)光照射在集電結(jié)時，就會在結(jié)附近產(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，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍，所以光敏三極管有放大作用。9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件3．光敏晶體管3）光敏晶體管的基本特性①光譜特性

9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件3．光敏晶體管3）光敏晶體管的基本特性②伏安特性

9.2光電式傳感器器件基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件3．光敏晶體管3）光敏晶體管的基本特性③溫度特性

9.2光電式傳感器器件光電耦合器件1．光電耦合器光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管（LED），光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光敏晶閘管等。光電耦合器件根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關(guān)。

一般光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi)，有金屬封裝和塑料封裝兩種。耦合器常見的組合形式如圖9-23所示。9.2光電式傳感器器件光電耦合器件2．光電開關(guān)光電開關(guān)利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號。光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置?？稍谧钥叵到y(tǒng)中應(yīng)用于物體檢測，產(chǎn)品計數(shù)，料位檢測，尺寸控制，安全報警及計算機輸入接口等方面。9.3光電式傳感器的常用型號光電管光電陰極材料不同的光電管，有不同紅限，因此可用于不同的光譜范圍。光電管主要用于UV監(jiān)測、激光測試、光譜學(xué)等。

9.3光電式傳感器的常用型號光電倍增管光電倍增管由于電子的內(nèi)倍增作用，與外增益器件相比，具有噪聲低，響應(yīng)快等特點，這對探測微弱的快速脈沖信號比較有利。

9.3光電式傳感器的常用型號光敏電阻使用光敏電阻應(yīng)該注意遵照使用條件與環(huán)境條件，特別是要控制入射的輻射通量以限制光電流，以避免燒壞器件。

9.3光電式傳感器的常用型號光電晶體管光電晶體管的工作條件不能超過規(guī)定的最大極限參數(shù)，使用中要控制光照，使通過光電晶體管的光電流不超過最大限額。由于光電晶體管的靈敏度與入射光方向有關(guān)，使用時應(yīng)盡量保持光源與光敏管的位置不變。

9.3光電式傳感器的常用型號光電耦合器光電耦合器輸入輸出電路完全實現(xiàn)電的隔離，對于信號的傳輸，甚至在高壓電路中，都可以有良好的電流傳輸率。

9.3光電式傳感器的常用型號常規(guī)檢測光電傳感器光電式傳感器在實際工作中不僅常常用于我們熟知的常規(guī)檢測，在長距離檢測、色標檢測、定區(qū)域檢測中也很常見。

9.3光電式傳感器的常用型號其他類型光電傳感器9.4光電式傳感器的應(yīng)用圖9-26是采用以硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測器電路圖。硫化鉛光敏電阻的暗電阻為1MΩ,亮電阻為0.2MΩ（在光強度0.01W/m下測試），峰值響應(yīng)波長為2.2μm，硫1．火焰探測報警器化鉛光敏電阻處于V1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為6V，電流約為6μA。V1管集電極電阻兩端并聯(lián)68μF的電容，可以抑制100Hz以上的高頻，使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器。V2、V3構(gòu)成二級負反饋互補放大器，火焰的閃動信號經(jīng)二級放大后送給中心控制站進行報警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長時間使用后，元件阻值的變化不至于影響輸出信號的幅度，保證火焰報警器能長期穩(wěn)定的工作。9.4光電式傳感器的應(yīng)用光電式緯線探測器是應(yīng)用于噴氣織機上，判斷緯線是否斷線的一種探測器。圖9-27為光電式緯線探測器原理電路圖，當(dāng)緯線在噴氣作用下前進時，紅外發(fā)光管VD發(fā)出的紅外光，經(jīng)緯線反射，由光電池接收，如光電池接收不到反射信號時，說明緯線已斷。因此利用光電池的輸出信號，通過后續(xù)電路放大、脈沖整形等，控制機器正常運轉(zhuǎn)或者關(guān)機報警。但是，由于緯線線徑很細，又是擺動著前進，形成光的漫反射，削弱了反射光的強度，而且還伴有背景雜散光，因此要求探緯器具有高的靈敏度和分辨率。為此，紅外發(fā)光管VD采用占空比很小的強電流脈沖供電，這樣既能保證發(fā)光管使用壽命，又能在瞬間有強光射出，以提高檢測靈敏度。

2．光電式緯線探測器9.4光電式傳感器的應(yīng)用煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器上的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。3．煙塵濁度監(jiān)測儀9.4光電式傳感器的應(yīng)用在進行物件的表面檢測時，無缺陷的表面對入射光束的反射（或透射）方向和強度均是恒定的，而有缺陷的表面，對于光束的反射（或透射）則會在方向和強度上發(fā)生變化。因缺陷所引起的光通量變化，通過光電元件感受并轉(zhuǎn)換為輸出電信號，經(jīng)過分析就能檢測出表面的缺陷情況。4．表面缺陷光電傳感器9.4光電式傳感器的應(yīng)用1）透射式光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表透射式光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表的工作原理如圖9-30所示，在被測轉(zhuǎn)速的電機上固定一個調(diào)制盤，將光源發(fā)出的恒定光調(diào)制成隨時間變化的調(diào)制光。光線每照射到光電器件上一次，光電器件就產(chǎn)生一個電信號脈沖，經(jīng)整形放大，即可得到一個便于測量計數(shù)的頻率信號。5．光電式轉(zhuǎn)速表9.4光電式傳感器的應(yīng)用2）反射式光電轉(zhuǎn)速表反射式光電轉(zhuǎn)速表的工作原理如圖9-31所示。在被測轉(zhuǎn)軸端面上裝有碼盤或貼上帶反光特性的標志。光源經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)將一束光線投射到被測轉(zhuǎn)軸的軸端面上，軸每轉(zhuǎn)一周，反射光投射到光敏元件上的強弱將發(fā)生一次改變，相應(yīng)輸出一個電脈沖信號。光敏元件接收到的反射光經(jīng)過整形、放大、計數(shù)，即可得出被測對象的轉(zhuǎn)速。5．光電式轉(zhuǎn)速表本章小結(jié)1．光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。它的轉(zhuǎn)換原理是基于物質(zhì)的外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。2．基于外光電效應(yīng)工作原理制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。光電陰極材料不同的光電管，有不同紅限，因此可用于不同的光譜范圍。光電管主要用于UV監(jiān)測、激光測試、光譜學(xué)等。光電倍增管由于電子的內(nèi)倍增作用，與外增益器件相比，具有噪聲低，響應(yīng)快