《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轉(zhuǎn)化為電信號的器件，它具有反應(yīng)速度快、檢測靈敏度高、可靠性好、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單等特點光電傳感器光纖傳感器第一節(jié)光電傳感器光波是波長為10～106nm的電磁波。可見光：380～780nm紫外線：10～380nm紅外線：780～106nm光的量子說可知，光可以看成是以光速C運動著的、具有一定能量粒子流 每個光子的能量為E=hv

每個光子的質(zhì)量為m=hv/C2光照射到物體上時，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)生一定方向電動勢的現(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，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。10光照射PN結(jié)時，若hυ≧Eg，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在空間電荷區(qū)內(nèi)電場的作用下，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。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能力的特征量 光電器件的輸出信號電壓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的關(guān)系，稱為該光電器件的光譜特性 用不同輻射波長

對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，那么這個輻射功率稱為噪聲等效功率（NEP）（單位W）探測度D：衡量光電器件的探測能力 將NEP的倒數(shù)稱為光電器件的探測度D

時間常數(shù)：描述光電器件對入射光響應(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倍的時間當(dāng)輻射的交變信號頻率f上升時，光敏器件的靈敏度k下降，從峰值處下降到3dB時所對應(yīng)的頻率稱為截止頻率f0，截止頻率f0對應(yīng)的時間即為時間常數(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。 一般來說，在弱光照射時光電器件輸出光電流都能在較大范圍內(nèi)與輸入光功率（光輻射強度）成線性關(guān)系。強光時就趨于平方根關(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/μA17（2）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。25507510000.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.5118(3)光電管的光譜特性單位輻射通量，不同波長的光照射光電管時，產(chǎn)生的飽和光電流與光波波長的關(guān)系曲線。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，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。19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。還有些光電管的光譜特性與人的視覺光譜特性有很大差異，可以擔(dān)負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30級。通常為12~14級。使用時在各個倍增電極上均加上電壓，陰極電位最低，以后依次升高，陽極最高。相鄰兩個倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場。（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極A23光電倍增管的電流放大倍數(shù)為如果n個倍增電極二次發(fā)射電子的數(shù)目相同,則Ｍ＝δin因此陽極電流為Ｉ＝i·δin,M與所加的電壓有關(guān)。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。2.光電倍增管的特性參數(shù)：（1）倍增系數(shù)M：等于各個倍增電極的2次發(fā)射電子數(shù)δi的乘積。一個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。一個光子在陽極上產(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，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，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，光電倍增管就會有電流信號輸出—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中的應(yīng)用2.光電倍增管在γ射線探測器中的應(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小：光敏電阻具有很高的靈敏度、很好的光譜特性、很長的使用壽命、高度的穩(wěn)定性能、小的體積及工藝簡單，故應(yīng)用廣泛。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，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，光導(dǎo)材料價帶上的電子將激發(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的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流為暗電流。在受到光照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為光電流。(1)伏安特性所加的電壓越高，電流越大，而且沒有飽和的現(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光區(qū)域，硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。故選用時要把元件和光源結(jié)合起來考慮。0500100015002000250020406080100硫化鎘硫化鉈硫化鉛入射光波長/nm相對靈敏度/%(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短的方向移動。2040608010001.02.03.04.05.0λ/μm相對靈敏度（%）+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)它受到光照時不需再外加其他任何形式的能量就會產(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，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，在N區(qū)聚積負電荷，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，電路中就有電流流過。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。383.光電池基本特性（１）光譜特性故硒光電池適用于可見光，常用于分析儀器、測量儀表。如用照度計測定光的強度。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λ/nm040060080010001200相對靈敏度/%39(2)光照特性①不同光照射下有不同光電流和光生電動勢。②短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關(guān)系。開路電壓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開路電壓與光強是非線性的，且在2000lx時趨于飽和。④光電池作為測量元件時，應(yīng)把它作為電流源的形式來使用，不宜用作電壓源，且負載電阻越小越好。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路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。開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。因此作測量元件時應(yīng)考慮進行溫補。開路電壓溫度/℃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，在反向電壓的作用下，其反向電流隨光照強度變化而變化，由此來實現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能

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在無光照時，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)載流子的運動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，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，它們在外電場的作用下與P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子作定向運動而形成電流，此時的電流要比無光照時的漏電流大的多48PNRE+-If偏壓價帶導(dǎo)帶信號光信號光電極電極輸出端PIN偏壓輸出端價帶導(dǎo)帶信號光信號光電極電極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，基極開路時，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在基區(qū)時，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，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/nm鍺硅相對靈敏度（%）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溫度變化對光電流的影響很小，對暗電流的影響很大。故電子線路中應(yīng)對暗電流進行溫度補償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)測量中的應(yīng)用典型應(yīng)用——血氧飽和度測量血氧飽和度：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）對不同波長的光有著不同的吸收系數(shù)。對波長為805nm左右的光，兩者吸收率相等，對波長為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由輸入至輸出所需要的傳輸時間，有時也用響應(yīng)時間來描述，包括：延遲時間to，上升時間tr和下降