光電傳感器1.ppt.Convertor

1、光電傳感器光電傳感器是采用光電元件做為檢測(cè)元件的傳感器。 它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信 號(hào)的變化, 然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 光電傳感器一般由光源、 光學(xué) 通路和光電元件三部分組成。光電檢測(cè)方法具有精度高、 反應(yīng)快、 非接觸等優(yōu)點(diǎn), 而且可測(cè) 參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,形式靈活多樣,因此在檢測(cè)和控制領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。 下一節(jié)一、光電效應(yīng)與光電器件光電元件是光電傳感器中最重要的部件,常見(jiàn)的有真空光電元件和半導(dǎo)體光電元件兩大類(lèi)。 它們的工作原理都基于不同形式的光電效應(yīng)。 根據(jù)光的波粒二象性, 我們可以認(rèn)為光是一種 以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流,這種粒子稱(chēng)為光子。每個(gè)光子具有的能量為

2、E=h ·(6-1式中, 為光波頻率; h 為普朗克常數(shù), h =6.63*10-34 J/Hz由此可見(jiàn),對(duì)不同頻率的光,其光子能量是不相同的,光波頻率越高,光子能量越大。 用光照射某一物體,可以看做是一連串能量為 Au 的光子轟擊在這個(gè)物體上,此時(shí)光子能量 就傳遞給電子, 并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收, 電子得到光子傳遞 的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化, 從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng), 我們把這種物理 現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為三類(lèi):1 在光線(xiàn)作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng), 基于外光電效應(yīng)的光電元件 有光電管、光電信增管等。2 在

3、光線(xiàn)作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。 基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電 元件有光敏電阻、光敏晶體管等。3 在光線(xiàn)作用下, 物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng), 基于光生伏特效 應(yīng)的光電元件有光電池等。(一 光電管、光電倍增管光電管和光電倍增管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件。 下面簡(jiǎn)要介紹它們的結(jié)構(gòu)和工作原 理。光電管的外形和結(jié)構(gòu)如圖 6-1-1所示, 半圓筒形金屬片制成的陰極 K 和位于陰極軸心的金屬 絲制成的陽(yáng)極 A 封裝在抽成真空的玻殼內(nèi),當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí),單個(gè)光子就把它的 全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子,從而使自由電子的能量增加 h 。當(dāng)電子獲得的 能量大于陰

4、極材料的逸出功 A 時(shí),它就可以克服金屬表面束縛而逸出,形成電子發(fā)射。這 種電子稱(chēng)為光電子,光電子逸出金屬表面后的初始動(dòng)能為 (1/2m 2根據(jù)能量守恒定律有式中, m 為電子質(zhì)量;為電子逸出的初速度。由上式可知, 要使光電子逸出陰極表面的必要條件是 h>A。 由于不同材料具有不同的逸 出功, 因此對(duì)每一種陰極材料, 入射光都有一個(gè)確定的頻率限, 當(dāng)入射光的頻率低于此頻率 限時(shí),不論光強(qiáng)多大,都不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射,此頻率限稱(chēng)為“紅限” 。相應(yīng)的波長(zhǎng) 為 6-2式中, c 為光速; A 為逸出功。光電管正常工作時(shí),陽(yáng)極電位高于陰極,如圖 6-1-2所示。在人射光頻率大于“紅限”的前 提下,

5、從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引,在光電管內(nèi)形成空間電子流, 稱(chēng)為光電流。 此時(shí)若光強(qiáng)增大, 轟擊陰極的光子數(shù)增多, 單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增 多, 光電流變大。 在圖 6-1-2所示的電路中, 電流和電阻只上的電壓降就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。陰極材料不同的光電管, 具有不同的紅限,因此適用于不同的光譜范圍。此外,即使入射光 的頻率大于紅限, 并保持其強(qiáng)度不變, 但陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會(huì)隨入射光頻率的變化而 改變, 即同一種光電管對(duì)不同頻率的入射光靈敏度并不相同。 光電管的這種光譜特性, 要求 人們應(yīng)當(dāng)根據(jù)檢測(cè)對(duì)象是紫外光、 可見(jiàn)光還是紅外光去選擇陰極材料不同

6、的光電管, 以便獲 得滿(mǎn)意的靈敏度。由于真空光電管的靈敏度低,因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖 6-1-3是光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看到光電倍增管也有一個(gè)陰極 K 和一個(gè)陽(yáng)極 A ,與光電管不同的是在它的陰極 和陽(yáng)極間設(shè)置了若干個(gè)二次發(fā)射電極, D1、 D2、 D3它們稱(chēng)為第一倍增電極、第二倍增電 極、,倍增電極通常為 1015級(jí)。光電倍增管工作時(shí),相鄰電極之間保持一定電位差, 其中陰極電位最低,各倍增電極電位逐級(jí)升高,陽(yáng)極電位最高。當(dāng)入射光照射陰極 K 時(shí), 從陰極逸出的光電子被第一倍增電極 D1加速,以高速轟擊 D1 ,引起二次電子發(fā)射,一個(gè) 入射的光電子可以產(chǎn)生多

7、個(gè)二次電子, D1發(fā)射出的二次電子又被 D1、 D2問(wèn)的電場(chǎng)加速, 射向 D2并再次產(chǎn)生二次電子發(fā)射,這樣逐級(jí)產(chǎn)生的二次電子發(fā)射,使電子數(shù)量迅速增 加, 這些電子最后到達(dá)陽(yáng)極, 形成較大的陽(yáng)極電流。 若倍增電極有 n 級(jí), 各級(jí)的倍增率為 , 則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是 N ,因此,光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流 小于 1mA 的情況下,它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線(xiàn)性關(guān)系。光電倍增管的這 個(gè)特點(diǎn),使它多用于微光測(cè)量。圖 6-1-4所示為光電倍增管的基本電路。各倍增極的電壓是用分壓電阻。獲得的,陽(yáng)極電流 流經(jīng)負(fù)載電阻得到輸出電壓。當(dāng)用于測(cè)量穩(wěn)定的輻射通量時(shí),圖中虛線(xiàn)連接的電容

8、 C1、 C2、 Cn 和輸出隔離電容 C0都可以省去。這時(shí)電路往往將電源正端接地,并且輸出可 以直接與放大器輸入端連接, 從而使它能夠響應(yīng)變化緩慢的入射光通量。 但當(dāng)入射光通量為 脈沖通量時(shí), 則應(yīng)將電源的負(fù)端接地, 因?yàn)楣怆姳对龉艿年帢O接地比陽(yáng)極接地有更低的噪聲, 此時(shí)輸出端應(yīng)接人隔離電容, 同時(shí)各倍增極的并聯(lián)電容亦應(yīng)接人, 以穩(wěn)定脈沖工作時(shí)的各級(jí) 工作電壓,穩(wěn)定增益并防止飽和。(二 光敏電阻1.工作原理 光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制做,利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它 在光線(xiàn)的作用下其阻值往往變小,這種現(xiàn)象稱(chēng)為光導(dǎo)效應(yīng),因此,光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管。 用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、

9、 硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。 通常采用涂 敷、 噴涂、 燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制做很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極, 然后接出引線(xiàn), 封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi),以免受潮影響其靈敏度。光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)如圖 6-1-5所示。 在黑暗環(huán)境里,它的電阻值很高, 當(dāng)受到光照時(shí), 只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁 帶寬度, 則價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶, 并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電 荷的空穴, 這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對(duì)增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目, 使其電阻率 變小,從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng),阻值愈低。入射光消失后,由光子激發(fā)產(chǎn)生 的電子空穴對(duì)將逐漸復(fù)合,光敏電阻的阻值也就逐

10、漸恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓, 其中便有電流通過(guò), 受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線(xiàn)照 射時(shí), 電流就會(huì)隨光強(qiáng)的增加而變大,從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒(méi)有極性,純粹是一個(gè) 電阻器件,使用時(shí)既可加直流電壓,也可以加交流電壓。1 暗電阻、亮電阻光敏電阻在室溫和全暗條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱(chēng)為暗電阻, 或暗阻。 此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為暗電流。例如 MG41-21型光敏電阻暗阻大于等于 0.1M 。光敏電阻在室溫和一定光照條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱(chēng)為亮電阻或亮阻。 此時(shí)流過(guò)的電 流稱(chēng)為亮電流。 MG41 21型光敏電阻亮阻小于等于 1k 。亮電流與暗電流之差稱(chēng)為光電流。顯然, 光敏電阻的暗阻越大越好,

11、而亮阻越小越好, 也就是說(shuō)暗電流要小, 亮電流要大。 這樣光敏電阻的靈敏度就高。2 伏安特性在一定照度下, 光敏電阻兩端所加的電壓與流過(guò)光敏電阻的電流之間的關(guān)系, 稱(chēng)為伏安 特性。由圖 6-1-6可知,光敏電阻伏安特性近似直線(xiàn),而且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。受耗散功率的限制,在 使用時(shí), 光敏電阻兩端的電壓不能超過(guò)最高工作電壓, 圖中虛線(xiàn)為允許功耗曲線(xiàn), 由此可確 定光敏電阻正常工作電壓。3 光電特性光敏電阻的光電流與光照度之間的關(guān)系稱(chēng)為光電特性。如圖 6-1-7所示,光敏電阻的光 電特性呈非線(xiàn)性。 因此不適宜做檢測(cè)元件, 這是光敏電阻的缺點(diǎn)之一, 在自動(dòng)控制中它常用 做開(kāi)關(guān)式光電傳感器。4 光譜特性對(duì)于

12、不同波長(zhǎng)的入射光, 光敏電阻的相對(duì)靈敏度是不相同的。 各種材料的光譜特性如圖 6-1-8所示。從圖中看出,硫化鎘的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域,而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域,因此 在選用光敏電阻時(shí)應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類(lèi)結(jié)合起來(lái)考慮,才能獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。5 頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照時(shí), 光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值, 光照突然消失時(shí), 光電流也不立刻為零。 這說(shuō)明光敏電阻有時(shí)延特性。 由于不同材料的光敏電阻時(shí)延特性不同, 所以它們的頻率特性也不相同。 圖 6-1-9給出相對(duì)靈敏度 Kr , 與光強(qiáng)變化頻率 f 之間的關(guān)系 曲線(xiàn), 可以看出硫化鉛的使用頻率比硫化鉈高的多。 但多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都較大,

13、 因此不 能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合,這是光敏電阻的一個(gè)缺陷。6 溫度特性光敏電阻和其他半導(dǎo)體器件一樣, 受溫度影響較大, 當(dāng)溫度升高時(shí), 它的暗電阻會(huì)下降。 溫度的變化對(duì)光譜特性也有很大影響。圖 6-1-10是硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線(xiàn)。 從圖中可以看出, 它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。 因此, 有時(shí)為了提高靈敏度, 或?yàn)榱四芙邮苓h(yuǎn)紅外光而采取降溫措施。(三 光敏晶體管光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管, 它們的工作原理也是基于內(nèi)光電效應(yīng), 和 光敏電阻的差別僅在于光線(xiàn)照射在半導(dǎo)體 PN 結(jié)上, PN 結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。光敏二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管相似,只是它的 PN

14、結(jié)裝在管殼頂部,光線(xiàn)通過(guò)透鏡制 成的窗口,可以集中照射在 PN 結(jié)上,圖 6-1-11a 是其結(jié)構(gòu)示意圖。光敏二極管在電路中通 常處于反向偏置狀態(tài),如圖 6-1-11b 所示。我們知道, PN 結(jié)加反向電壓時(shí),反向電流的大小取決于 P 區(qū)和 N 區(qū)中少數(shù)載流子的濃度, 無(wú)光照時(shí) P 區(qū)中少數(shù)載流子 (電子 和 N 區(qū)中的少數(shù)載流子 (空穴 都很少, 因此反向電流很小。 但是當(dāng)光照 PN 結(jié)時(shí),只要光子能量 h 大于材料的禁帶寬度,就會(huì)在 PN 結(jié)及其附近產(chǎn)生光 生電子空穴對(duì), 從而使 P 區(qū)和 N 區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加, 它們?cè)谕饧臃聪螂妷汉?PN 結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng),分別在兩個(gè)方向上

15、渡越 PN 結(jié),使反向電流明顯增大。如果入射 光的照度變化, 光生電子空穴對(duì)的濃度將相應(yīng)變動(dòng), 通過(guò)外電路的光電流強(qiáng)度也會(huì)隨之變動(dòng),光敏二極管就把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)。光敏三極管有兩個(gè) PN 結(jié), 因而可以獲得電流增益, 它比光敏二極管具有更高的靈敏度。 其結(jié)構(gòu)如圖 6-1-12a 所示。當(dāng)光敏三極管按圖 6-1-12b 所示的電路連接時(shí),它的集電結(jié)反向偏置,發(fā)射結(jié)正向偏置,無(wú) 光照時(shí)僅有很小的穿透電流流過(guò), 當(dāng)光線(xiàn)通過(guò)透明窗口照射集電結(jié)時(shí), 和光敏二極管的情況 相似, 將使流過(guò)集電結(jié)的反向電流增大, 這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累, 發(fā)射區(qū)中的 多數(shù)載流子 (電子 將大量注人基區(qū),由于基區(qū)

16、很薄,只有一小部分從發(fā)射區(qū)注入的電子與基 區(qū)的空穴復(fù)合,而大部分電子將穿過(guò)基區(qū)流向與電源正極相接的集電極,形成集電極電流。 這個(gè)過(guò)程與普通三極管的電流放大作用相似, 它使集電極電流是原始光電流的 (l+ 倍。 這 樣集電極電流將隨入射光照度的改變而更加明顯地變化。1 光譜特性在入射光照度一定時(shí), 光敏晶體管的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)的變化而變化, 一種光敏晶 體管只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的人射光敏感,這就是光敏晶體管的光譜特性,見(jiàn)圖 6-1-13。由曲線(xiàn)可以看出,當(dāng)入射光波長(zhǎng)增加時(shí), 相對(duì)靈敏度要下降, 這是因?yàn)楣庾幽芰刻? 不足 以激發(fā)電子空穴對(duì)。 當(dāng)人射光波長(zhǎng)太短時(shí), 光波穿透能力下降, 光子只在半

17、導(dǎo)體表面附近 激發(fā)電子空穴對(duì),卻不能達(dá)到 PN 結(jié),因此相對(duì)靈敏度也下降。從曲線(xiàn)還可以看出,不同 材料的光敏晶體管,光譜峰值波長(zhǎng)不同。硅管的峰值波長(zhǎng)為 m 左右,鍺管的峰值波長(zhǎng)為 1.5左右。由于鍺管的暗電流比硅管大, 因此鍺管性能較差。 因此在探測(cè)可見(jiàn)光或赤熱物體時(shí), 多采用 硅管。但對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí),采用鍺管較為合適。2 伏安特性光敏三極管在不同照度下的伏安特性, 就象普通三極管在不同基極電流下的輸出特性一 樣,如圖 6-1-14所示。在這里改變光照就相當(dāng)于改變一般三極管的基極電流,從而得到這 樣一簇曲線(xiàn)。3 光電特性它指外加偏置電壓一定時(shí), 光敏晶體管的輸出電流和光照度的關(guān)系。 一般說(shuō)

18、來(lái), 光敏二 極管光電特性的線(xiàn)性較好, 而光敏三極管在照度小時(shí), 光電流隨照度增加較小, 并且在光照 足夠大時(shí), 輸出電流有飽和現(xiàn)象。 這是由于光敏三極管的電流放大倍數(shù)在小電流和大電流時(shí) 都下降的緣故。4 溫度特性溫度的變化對(duì)光敏晶體管的亮電流影響較小, 但是對(duì)暗電流的影響卻十分顯著, 如 圖 6-1-15所示。因此,光敏晶體管在高照度下工作時(shí),由于亮電流比暗電流大得多,溫度 的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小。 但在低照度下工作時(shí), 因?yàn)榱岭娏鬏^小, 暗電流隨溫度變化就會(huì)嚴(yán) 重影響輸出信號(hào)的溫度穩(wěn)定性。 在這種情況下, 應(yīng)當(dāng)選用硅光敏管, 這是因?yàn)楣韫艿陌惦娏?要比鍺管小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 同時(shí)還可以在電路中采

19、取適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償措施, 或者將光信號(hào)進(jìn)行 調(diào)制, 對(duì)輸出的電信號(hào)采用交流放大,利用電路中隔直電容的作用,就可以隔斷暗電流,消 除溫度的影響。5 頻率特性光敏晶體管受調(diào)制光照射時(shí), 相對(duì)靈敏度與調(diào)制頻率的關(guān)系稱(chēng)為頻率特性。 如圖 6-1-16所示。 減少負(fù)載電阻能提高響應(yīng)頻率,但輸出降低。一般來(lái)說(shuō),光敏三極管的頻響比光敏二 極管差得多,鍺光敏三極管的頻響比硅管小一個(gè)數(shù)量級(jí)。(四 光電池光電池是一種自發(fā)電式的光電元件, 它受到光照時(shí)自身能產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì), 在不加電源的情況下,只要接通外電路,便有電流通過(guò)。光電池的種類(lèi)很多,有硒、氧化亞銅、 硫化鉈、硫化鎘、鍺、硅、砷化鎵光電池等,其中應(yīng)用最廣

20、泛的是硅光電池,因?yàn)樗幸幌?列優(yōu)點(diǎn),例如性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高,能耐高慍輻射等。另外, 由于硒光電池的光譜峰值位于人眼的視覺(jué)范圍,所以很多分析儀器、測(cè)量?jī)x表也常用到它。 下面著重介紹硅光電池。硅光電池的工作原理基于光生伏特效應(yīng),它是在一塊 N 型硅片上用擴(kuò)散的方法摻人一 些 P 型雜質(zhì)而形成的一個(gè)大面積 PN 結(jié),見(jiàn)圖 6-1-17a 。當(dāng)光照射 P 區(qū)表面時(shí),若光子能量 加大于硅的禁帶寬度,則在 P 型區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)電子 -空穴對(duì), P 區(qū)表面吸 收的光子最多, 激發(fā)的電子空穴最多, 越向內(nèi)部越少。 這種濃度差便形成從表面向體內(nèi)擴(kuò)散 的自然趨勢(shì)。 由于

21、PN 結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的方向是由 N 區(qū)指向 P 區(qū)的, 它使擴(kuò)散到 PN 結(jié)附近的電子 空穴對(duì)分離,光生電子被推向 N 區(qū),光生空穴被留在 P 區(qū)。從而使 N 區(qū)帶負(fù)電, P 區(qū)帶 正電,形成光生電動(dòng)勢(shì)。若用導(dǎo)線(xiàn)連接 P 區(qū)和 N 區(qū),電路中就有光電流流過(guò)。1 光譜特性光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光,靈敏度是不同的。圖 6-1-18是硅光電池和硒光電池的光譜特 性曲線(xiàn)。 從圖中可知, 不同材料的光電池適用的人射光波長(zhǎng)范圍也不相同。 硅光電池的適用 范圍寬, 對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)可在 0.451.1之間, 而硒光電池只能在 0.340.57波長(zhǎng)范圍, 它 適用于可見(jiàn)光檢測(cè)。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)來(lái)選擇光電池,

22、 當(dāng)然也可根據(jù)現(xiàn)有的光電池來(lái)選擇光源, 但 是要注意光電池的光譜峰值位置不僅和制造光電池的材料有關(guān),同時(shí),也和制造工藝有關(guān), 而且隨著使用溫度的不同會(huì)有所移動(dòng)。2 光電特性光電池在不同的光照度下, 光生電動(dòng)勢(shì)和光電流是不相同的。 硅光電池的光電特性如圖 6-1-19所示。 其中曲線(xiàn) 1是負(fù)載電阻無(wú)窮大時(shí)的開(kāi)路電壓特性曲線(xiàn), 曲線(xiàn) 2是負(fù)載電阻相對(duì) 于光電池內(nèi)阻很小時(shí)的短路電流特性曲線(xiàn)。 開(kāi)路電壓與光照度的關(guān)系是非線(xiàn)性的, 而且在光 照度為 20001x 時(shí)就趨于飽和,而短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線(xiàn)性關(guān)系,負(fù)載電阻越 小,這種線(xiàn)性關(guān)系越好, 而且線(xiàn)性范圍越寬。 因此檢測(cè)連續(xù)變化的光照度時(shí),應(yīng)

23、當(dāng)盡量減小 負(fù)載電阻, 使光電池在接近短路的狀態(tài)工作, 也就是把光電池作為電流源來(lái)使用。 在光信號(hào) 斷續(xù)變化的場(chǎng)合,也可以把光電池作為電壓源使用。3 溫度特性光電池的溫度特性是指開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。 由于它關(guān)系到應(yīng)用光電 池的儀器設(shè)備的溫度漂移, 影響測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo), 因此溫度特性是光電池的 重要特性之一。從圖 6-1-20中可以看出硅光電池開(kāi)路電壓隨溫度上升而明顯下降,溫度上 升,開(kāi)路電壓約降低 3mV 。短路電流隨溫度上升卻是緩慢增加的。因此,光電池作為檢測(cè) 元件時(shí),應(yīng)考慮溫度漂移的影響,并采用相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償。4 頻率特性光電池的頻率特性是指輸出電流與入射

24、光調(diào)制頻率的關(guān)系。當(dāng)入射光照度變化時(shí),由于光生電子空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合都需要一定時(shí)間,因此入射光。 調(diào)制頻率太高時(shí), 光電池輸出電流的變化幅度將下降。 硅光電池的頻率特性較好, 工作頻率 的上限約為數(shù)萬(wàn)赫茲, 而硒光電池的頻率特性較差。 在調(diào)制頻率較高的場(chǎng)合, 應(yīng)采用硅光電 池,并選擇面積較小的硅光電池和較小的負(fù)載電阻,進(jìn)一步減小響應(yīng)時(shí)間,改善頻率特性。 二、光電傳感器與光電檢測(cè)光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成,如圖 6-1-21所示。圖中,是光源發(fā)出的光信號(hào)，是光電器件接受的光信號(hào)，被測(cè)量可以是或者，它們能夠分別造成光 源本身或光學(xué)通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號(hào)光電傳

25、感器設(shè)計(jì)靈活，形式多樣， 在越來(lái)越多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。 (一光電傳感器的類(lèi)型 按照光電傳感器中光電元件輸出電信號(hào)的形式可以將光電傳感器分為模擬式和脈沖式兩大 類(lèi)。 1模擬式光電傳感器 這種傳感器中光電元件接受的光通量隨被測(cè)量連續(xù)變化， 因此， 輸出的光電流也是連續(xù) 變化的，并與被測(cè)量呈確定的函數(shù)關(guān)系，這類(lèi)傳感器通常有以下四種形式。 1光源本身是被測(cè)物，它發(fā)出的 光投射到光電元件上， 光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)， 如圖 6-1-22a 所示。 這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計(jì)和照度計(jì)。 2恒定光源發(fā)射的光通量穿過(guò)被測(cè)物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光電 元件上，吸

26、收量取決于被測(cè)物的某些參數(shù)。如圖 6-1-22b 所示。可用于測(cè)量透明度、混濁度。 3恒定光源發(fā)射的光通量投射到被測(cè)物上，由被測(cè)物表面反射后再投射到光電元件上，如圖 6-1-22c 所示。反射光的強(qiáng)弱取決于被測(cè)物表面的性質(zhì)和狀態(tài)，因此可用于測(cè)量工件表面粗 糙度、紙張的白度等。 4從恒定光源發(fā)射出的光通量在到達(dá)光電元件的途中受到被測(cè)物的遮擋， 使投射到光電 元件上的光通量減弱，光電元件的輸出反映了被測(cè)物的尺寸或位置。如圖 6-1-22d 所示。這 種傳感器可用于工件尺寸測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量等場(chǎng)合。 2脈沖式光電傳感器 在這種傳感器中， 光電元件接受的光信號(hào)是斷續(xù)變化的， 因此光電元件處于開(kāi)關(guān)工作狀 態(tài)

27、， 它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號(hào)， 多用于光電計(jì)數(shù)和光電式 轉(zhuǎn)速測(cè)量等場(chǎng)合。 (二光電傳感器的常用光源 光源是許多光電傳感器的重要組成部分， 要使光電傳感器很好地工作， 除了合理選用光 電元件外，還必須配備合適的光源。常用光源有以下幾種。 1發(fā)光二極管 發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、 響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表 和自動(dòng)控制設(shè)備中。 2鎢絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線(xiàn)。如果選用的光電元件對(duì)紅外光敏感，構(gòu) 成傳感器時(shí)可加濾色片將鎢絲燈泡的可見(jiàn)光濾除，而僅用它的紅外線(xiàn)做光源，這樣，可有效 防止其他光線(xiàn)的干擾。 3激光 激光與普通光線(xiàn)相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，是很 理想的光源。 (三光電轉(zhuǎn)換電路 由光源、 光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測(cè)時(shí)， 還必須配備適當(dāng)?shù)臏y(cè)量 電路。測(cè)量電路