《光電式傳感器》課件

第九章光學(xué)傳感器第一節(jié)光電傳感器的基本理論第二節(jié)光電器件的基本特性第三節(jié)光電管及其應(yīng)用光學(xué)傳感器光電傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件，它具有反應(yīng)速度快、檢測(cè)靈敏度高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)光電傳感器光纖傳感器第一節(jié)光電傳感器光波是波長(zhǎng)為10～106nm的電磁波?？梢?jiàn)光：380～780nm紫外線：10～380nm紅外線：780～106nm光的量子說(shuō)可知，光可以看成是以光速C運(yùn)動(dòng)著的、具有一定能量粒子流 每個(gè)光子的能量為E=hv

每個(gè)光子的質(zhì)量為m=hv/C2光照射到物體上時(shí)，可以看成是具有一連串能量為E的粒子轟擊在物體上光電效應(yīng)可以看成是由于物體吸收了能量為E的光子的能量后而產(chǎn)生的電效應(yīng)一、光電效應(yīng)外光電效應(yīng)金屬表面受光照射后，金屬內(nèi)或表面的電子逸出金屬表面向外發(fā)射的現(xiàn)象內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)光照在半導(dǎo)體材料上，使半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象本征光電導(dǎo)效應(yīng)非本征光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)在光作用下能使PN結(jié)產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象91．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(guò)度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強(qiáng),光電材料價(jià)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。10光照射PN結(jié)時(shí)，若hυ≧Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)的作用下，電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光生電動(dòng)勢(shì)。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(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏二極管、三極管。二、光電器件的特性參數(shù)靈敏度K：表征光電器件輸出信號(hào)能力的特征量 光電器件的輸出信號(hào)電壓VS與入射光功率PS之比，即單位入射光功率作用下器件的輸出信號(hào)電壓：光譜特性：描述光電器件的工作范圍 某一種光電器件的靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系，稱為該光電器件的光譜特性 用不同輻射波長(zhǎng)

對(duì)某一器件的靈敏度描繪的曲線，就是該器件的光譜特性曲線等效噪聲功率：描述光電器件品質(zhì) 若輻射到光電器件光敏感面上的輻射功率所產(chǎn)生的響應(yīng)電壓，恰好等于該器件的噪聲電壓值，那么這個(gè)輻射功率稱為噪聲等效功率（NEP）（單位W）探測(cè)度D：衡量光電器件的探測(cè)能力 將NEP的倒數(shù)稱為光電器件的探測(cè)度D

時(shí)間常數(shù)：描述光電器件對(duì)入射光響應(yīng)快慢性能

在階躍輸入光功率的條件下，光電器件輸出電流

is(t)上升到穩(wěn)態(tài)值(i∞)的0.63倍的時(shí)間當(dāng)輻射的交變信號(hào)頻率f上升時(shí)，光敏器件的靈敏度k下降，從峰值處下降到3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為截止頻率f0，截止頻率f0對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為時(shí)間常數(shù)線性度 線性度是指光電器件的輸出光電流（或電壓）與輸入光功率成比例的程度和范圍。 一般來(lái)說(shuō)，在弱光照射時(shí)光電器件輸出光電流都能在較大范圍內(nèi)與輸入光功率（光輻射強(qiáng)度）成線性關(guān)系。強(qiáng)光時(shí)就趨于平方根關(guān)系

三、光電管和光電倍增管及其應(yīng)用（一）光電管1.結(jié)構(gòu)和原理16２．主要性能（1）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陰極所加電壓與陽(yáng)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(qiáng)光1504681012陰極電壓/VIA/μA17（2）光電管的光照特性當(dāng)光電管的陰極和陽(yáng)極之間所加的電壓一定時(shí)，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。25507510000.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.5118(3)光電管的光譜特性單位輻射通量，不同波長(zhǎng)的光照射光電管時(shí)，產(chǎn)生的飽和光電流與光波波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。同一光電管對(duì)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，對(duì)可見(jiàn)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(dòng)檢測(cè)儀表中。19對(duì)紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測(cè)器。對(duì)紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。還有些光電管的光譜特性與人的視覺(jué)光譜特性有很大差異，可以擔(dān)負(fù)人眼不能勝任的工作，如夜視鏡等。由陰極、次陰極（倍增電極）、陽(yáng)極組成陰極由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料形成。次陰極可達(dá)30級(jí)。通常為12~14級(jí)。使用時(shí)在各個(gè)倍增電極上均加上電壓，陰極電位最低，以后依次升高，陽(yáng)極最高。相鄰兩個(gè)倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場(chǎng)。（二）

光電倍增管1.光電倍增管的結(jié)構(gòu)與原理21IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT22入射光陰極K第一倍增極第二倍增極第三倍增極第四倍增極陽(yáng)極A23光電倍增管的電流放大倍數(shù)為如果n個(gè)倍增電極二次發(fā)射電子的數(shù)目相同,則Ｍ＝δin因此陽(yáng)極電流為Ｉ＝i·δin,M與所加的電壓有關(guān)。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。2.光電倍增管的特性參數(shù)：（1）倍增系數(shù)M：等于各個(gè)倍增電極的2次發(fā)射電子數(shù)δi的乘積。一個(gè)光子在陰極能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。一個(gè)光子在陽(yáng)極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫光電倍增管的總靈敏度.（2）

光電陰極靈敏度和光電管的總靈敏度（3）暗電流和本底電流由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒(méi)有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽(yáng)極仍有電流，這種電流稱為暗電流。在其受人眼看不到的宇宙射線的照射后，光電倍增管就會(huì)有電流信號(hào)輸出—即本底脈沖。（4）光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的相似。25國(guó)產(chǎn)光電倍增管的技術(shù)參數(shù)（三）光電管和光電倍增管的應(yīng)用1.光電管、光電倍增管在分光光度計(jì)中的應(yīng)用2.光電倍增管在γ射線探測(cè)器中的應(yīng)用四、光敏電阻1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理AE電極半導(dǎo)體玻璃底板RLEIRG29如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大?。汗饷綦娮杈哂泻芨叩撵`敏度、很好的光譜特性、很長(zhǎng)的使用壽命、高度的穩(wěn)定性能、小的體積及工藝簡(jiǎn)單，故應(yīng)用廣泛。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。312.光敏電阻的主要參數(shù)（1）暗電阻、暗電流、亮電阻、亮電流、光電流光敏電阻在未受到光照時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流為暗電流。在受到光照時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差為光電流。(1)伏安特性所加的電壓越高，電流越大，而且沒(méi)有飽和的現(xiàn)象。0102030405050100150200250I/μAU/V2.光敏電阻的基本參數(shù)（2）光譜特性硫化鎘的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域，硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。故選用時(shí)要把元件和光源結(jié)合起來(lái)考慮。0500100015002000250020406080100硫化鎘硫化鉈硫化鉛入射光波長(zhǎng)/nm相對(duì)靈敏度/%(3)溫度特性硫化鉛光敏電阻光譜特性峰值隨溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。2040608010001.02.03.04.05.0λ/μm相對(duì)靈敏度（%）+20oC-20oC五、光電池、光電二極管及光電三極管1.光電池光電池（Photocell）是一種光生伏特效應(yīng)元件當(dāng)它受到光照時(shí)不需再外加其他任何形式的能量就會(huì)產(chǎn)生電流輸出。其輸出電流與接受的光照有一定的關(guān)系用它可以反映光照的強(qiáng)度361.光電池的工作原理下電極梳狀電極SiO2抗反射膜PN硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖。它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)。37RLI---mAV+++

PN當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來(lái)，電路中就有電流流過(guò)。若將外電路斷開(kāi)，就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。383.光電池基本特性（１）光譜特性故硒光電池適用于可見(jiàn)光，常用于分析儀器、測(cè)量?jī)x表。如用照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。硅光電池的光譜峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。20406080100硒硅入射光波長(zhǎng)λ/nm040060080010001200相對(duì)靈敏度/%39(2)光照特性①不同光照射下有不同光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。②短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。開(kāi)路電壓0.10.30.2照度/lx020004000光生電流/mA0.20.60.4光生電壓/V短路電流③開(kāi)路電壓與光強(qiáng)是非線性的，且在2000lx時(shí)趨于飽和。④光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它作為電流源的形式來(lái)使用，不宜用作電壓源，且負(fù)載電阻越小越好。40(3)頻率特性硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用于高速記數(shù)、有聲電影等方面。光電池的頻率特性是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。20406080100硒光電池硅光電池015003000450060007500相對(duì)光電流/%入射光調(diào)制頻率/Hz41(4)溫度特性主要描述光電池的開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。開(kāi)路電壓隨溫度升高而下降的速度較快。短路電流隨溫度升高而緩慢增加。因此作測(cè)量元件時(shí)應(yīng)考慮進(jìn)行溫補(bǔ)。開(kāi)路電壓溫度/℃光生電流/mA1.82.22.0光生電壓/V短路電流1002003004005000204060801004.3光電池的應(yīng)用第五節(jié)光敏二極管及其應(yīng)用光敏二極管(photodiode)的基本工作原理是當(dāng)光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，在反向電壓的作用下，其反向電流隨光照強(qiáng)度變化而變化，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能

光敏二極管的結(jié)面積較大，安裝在管子頂部以接受光的照射，結(jié)的深度較淺

5.1光敏二極管結(jié)構(gòu)原理與等效電路

PNRE-+Is在無(wú)光照時(shí)，外加反向工作電壓使光敏二極管的PN結(jié)電荷區(qū)增寬。電路中由于少數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)而形成了很小的反向漏電流，稱為光敏二極管的暗電流IPNRE-+光照射光敏二極管時(shí)，光子打在PN結(jié)附近，使空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，它們?cè)谕怆妶?chǎng)的作用下與P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子作定向運(yùn)動(dòng)而形成電流，此時(shí)的電流要比無(wú)光照時(shí)的漏電流大的多48PNRE+-If偏壓價(jià)帶導(dǎo)帶信號(hào)光信號(hào)光電極電極輸出端PIN偏壓輸出端價(jià)帶導(dǎo)帶信號(hào)光信號(hào)光電極電極P+INPIN光電二極管雪崩式二極管光譜特性0.9μm5.2光敏二極管特性

光照特性溫度特性伏安特性5.3光敏二極管的典型應(yīng)用電路

第六節(jié)光敏三極管及其應(yīng)用6.1光敏三極管的結(jié)構(gòu)和原理PPNNNPeb

bcRLEec當(dāng)集電極加上正電壓，基極開(kāi)路時(shí)，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在基區(qū)時(shí)，產(chǎn)生電子、空穴對(duì)，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，相當(dāng)于給發(fā)射結(jié)加了正向偏壓，使電子大量流向集電極，形成輸出電流cbeRL6.2光敏三極管的特性2040608010040080012001600入射光波長(zhǎng)/nm鍺硅相對(duì)靈敏度（%）0光譜特性1.02.03.02004006008001000Lx0I(μA)光照特性——光電流012345外加電壓（V）20406080I（mA)2500Lx2000Lx1500Lx1000Lx500Lx伏安特性暗電流（mA)1030507002550oC200400100300500光電流（μ

A)103050700oC溫度變化對(duì)光電流的影響很小，對(duì)暗電流的影響很大。故電子線路中應(yīng)對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償6.3光敏三極管典型應(yīng)用電路光敏三極管在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用典型應(yīng)用——血氧飽和度測(cè)量血氧飽和度：指血液中單位體積內(nèi)氧合血紅蛋白（HbO2）的數(shù)量與血紅蛋白（Hb+HbO2）的總數(shù)之比血紅蛋白（Hb）和氧合血紅蛋白（HbO2）對(duì)不同波長(zhǎng)的光有著不同的吸收系數(shù)。對(duì)波長(zhǎng)為805nm左右的光，兩者吸收率相等，對(duì)波長(zhǎng)為660nm左右的光，兩者吸收率相差最大第八節(jié)光電耦合器件發(fā)光器件一般選用發(fā)光二極管，光敏器件可用光敏二極管、光敏三極管

8.1光電耦合器件的結(jié)構(gòu)原理

輸入特性參數(shù)光電耦合器件的輸入元件是發(fā)光二極管，因此其輸入特性參數(shù)有：最大工作電流IFM、正向壓降VF、反向漏電流IR輸出特性參數(shù)輸出電流io（光電流）：向光電耦合器的輸入端注入一定的工作電流（一般10mA），使發(fā)光二極管發(fā)光，在此情況下，接有一定的負(fù)載（約500

），并加一定電壓（通常為10伏）的光電耦合器輸出端所產(chǎn)生的電流

飽和壓降Vces：在輸入端加一定電流，輸出側(cè)加一定電壓，接入負(fù)載電阻后，光耦合器兩輸出端之間的壓降8.1光電耦合器件的結(jié)構(gòu)原理

傳輸特性電流傳輸比CTR：在直流工作狀態(tài)下，光耦合器的輸出電流io與輸入電流iF之比，稱為其電流傳輸比CTR（或稱轉(zhuǎn)換效率）傳輸線性傳輸特性傳輸速度：光耦合器的傳輸速度是指信號(hào)由輸入至輸出所需要的傳輸時(shí)間，有時(shí)也用響應(yīng)時(shí)間來(lái)描述，包括：延遲時(shí)間to，上升時(shí)間tr和下降