自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)-第六章

自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)物理及電子工程學(xué)院

楊恒Tel-mail:shanksyoung@2023/2/22第六章光電式傳感器內(nèi)容：光電器件CCD傳感器

以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)快、性能穩(wěn)、非接觸。2023/2/23物質(zhì)受到光照會(huì)發(fā)生某些電學(xué)特性的變化，這一現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)：光電子發(fā)射效應(yīng)（外光電效應(yīng)）光電導(dǎo)效應(yīng)（內(nèi)光電效應(yīng)）光生伏特效應(yīng)三種類型發(fā)生在物體內(nèi)部發(fā)生在物體表面半導(dǎo)體金屬光電器件2023/2/24

當(dāng)物質(zhì)受到光照射時(shí)，電子得到了足夠的光能會(huì)從物質(zhì)表面上放射出來的現(xiàn)象，稱為光電子發(fā)射。普通光電管和光電倍增管就是利用這種原理制成的。

光電子發(fā)射效應(yīng)（外光電效應(yīng)）

當(dāng)物質(zhì)受到光的照射時(shí)，載流子的濃度增加，電導(dǎo)率增大的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是利用這種效應(yīng)制成的。光電導(dǎo)效應(yīng)（內(nèi)外光電效應(yīng)）光電式傳感器2023/2/25

當(dāng)物質(zhì)受到光的照射時(shí)，兩種材料的界面上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)，稱為光生伏特效應(yīng)。光電池就是利用這種效應(yīng)制成的。光生伏特效應(yīng)（內(nèi)外光電效應(yīng)）

光電發(fā)射型器件非電量轉(zhuǎn)換光亮變化光子光電器件光電效應(yīng)電流（電子）光電式傳感器6.1.2光電管一概念:

光電管：

將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的真空電子器件。光電管通常用于自動(dòng)控制、光度學(xué)測(cè)量和強(qiáng)度調(diào)制光的檢測(cè)。如用于保安與警報(bào)系統(tǒng)、計(jì)數(shù)與分類裝置、影片音膜復(fù)制與還音、彩色膠片密度測(cè)量以及色度學(xué)測(cè)量等。二結(jié)構(gòu)和工作原理:

圖8-15甲是一種真空光電管，玻璃泡里的空氣已經(jīng)抽出，有的光電管的玻璃泡里充有少量的惰性氣體(如氬、氖、氦等)．泡的內(nèi)半壁涂有堿金屬，例如鈉、鋰、銫，作為陰極K．泡內(nèi)另有一陽極A．使用時(shí)像圖8-15乙那樣把它連在電路里，當(dāng)光照射到光電管的陰極K時(shí)，電路里就產(chǎn)生電流，電流的強(qiáng)度取決于照射光的強(qiáng)度．光電管不能用強(qiáng)光照射，否則容易老化失效．光電管產(chǎn)生的電流很弱，應(yīng)用時(shí)可以用放大器把它放大．

光電管的類型

基于外光電效應(yīng)的基本光電轉(zhuǎn)換器件真空光電管和充氣光電管兩類。

真空光電管:真空光電管（又稱電子光電管）由封裝于真空管內(nèi)的光電陰極和陽極構(gòu)成。當(dāng)入射光線穿過光窗照到光陰極上時(shí)，由于外光電效應(yīng)（見光電式傳感器），光電子就從極層內(nèi)發(fā)射至真空。在電場(chǎng)的作用下，光電子在極間作加速運(yùn)動(dòng),最后被高電位的陽極接收,在陽極電路內(nèi)就可測(cè)出光電流，其大小取決于光照強(qiáng)度和光陰極的靈敏度等因素。

按照光陰極和陽極的形狀和設(shè)置的不同，光電管一般可分為5種類型。①中心陰極型：這種類型由于陰極面積很小，受照光通量不大，僅適用于低照度探測(cè)和光子初速度分布的測(cè)量。②中心陽極型：這種類型由于陰極面積大，對(duì)入射聚焦光斑的大小限制不大；又由于光電子從光陰極飛向陽極的路程相同，電子渡越時(shí)間的一致性好;其缺點(diǎn)是光電子接收特性差,需要較高的陽極電壓（圖a）。③半圓柱面陰極型：這種結(jié)構(gòu)有利于增加極間絕緣性能和減少漏電流（圖b）。④平行平板極型：這種類型的特點(diǎn)是光電子從陰極飛向陽極基本上保持平行直線的軌跡，電極對(duì)于光線入射的一致性好。⑤帶圓筒平板陰極型：它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、工作穩(wěn)定。

充氣光電管:

充氣光電管（又稱離子光電管）由封裝于充氣管內(nèi)的光陰極和陽極構(gòu)成。它不同于真空光電管的是，光電子在電場(chǎng)作用下向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)與管中氣體原子碰撞而發(fā)生電離現(xiàn)象。由電離產(chǎn)生的電子和光電子一起都被陽極接收，正離子卻反向運(yùn)動(dòng)被陰極接收。因此在陽極電路內(nèi)形成數(shù)倍于真空光電管的光電流。

充氣光電管的電極結(jié)構(gòu)也不同于真空光電管。常用的電極結(jié)構(gòu)有中心陰極型、半圓柱陰極型和平板陰極型。充氣光電管最大缺點(diǎn)是在工作過程中靈敏度衰退很快，其原因是正離子轟擊陰極而使發(fā)射層的結(jié)構(gòu)破壞。充氣光電管按管內(nèi)充氣不同可分為單純氣體型和混合氣體型。①單純氣體型：這種類型的光電管多數(shù)充氬氣，優(yōu)點(diǎn)是氬原子量小，電離電位低，管子的工作電壓不高。有些管內(nèi)充純氦或純氖，使工作電壓提高。②混合氣體型：這種類型的管子常選氬氖混合氣體，其中氬占10％左右。由于氬原子的存在使處于亞穩(wěn)態(tài)的氖原子碰撞后即能恢復(fù)常態(tài)，因此減少惰性。

光電管的特性

(1).光電管的光譜特性

光電管的光譜特性是指光電管在工作電壓不便的條件下，入射光的波長(zhǎng)與其絕對(duì)靈敏度（即量子效率）的關(guān)系。光電管的光譜特性主要取決于陰極材料，常用的陰極材料有銀氧銫光電陰極、銻銫光電陰極、鉍銀氧銫光電陰極及多鹼光電陰極等，前兩種陰極使用比較廣泛。

由光電管的光譜特性曲線可以看出，不同陰極材料制成的光電管有著不同的靈敏度較高的區(qū)域，應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)所測(cè)光譜的波長(zhǎng)選用相應(yīng)的光電管。例如被測(cè)光的成分是紅光，選用銀氧銫陰極光電管就可以得到較高的靈敏度。(2).光電管的伏安特性

光電管的伏安特性是指在一定光通量照射下，光電管陽極與陰極之間的電壓UA與光電流IΦ之間的關(guān)系。5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012陽極與末級(jí)倍增極間的電壓/VIA/μA光電管的伏安特性

光電管在一定光通量照射下，光電管陰極在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射一定量的光電子，這些光電子分散在陽極與陰極之間的空間，若在光電管陽極上施加電壓UA，則光電子被陽極吸引收集，形成回路中的光電流IΦ。當(dāng)陽極電壓升高，陽極發(fā)射的光電子指引一部分被陽極收集，其余部分仍返回陰極。隨著陽極電壓的升高，陽極在單位時(shí)間內(nèi)收集到的光電子數(shù)增多，光電流IΦ也增加。如果陽極電壓升高到一定數(shù)值時(shí)，陰極在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子全部被陽極收集，稱為飽和狀態(tài)，以后陽極電壓升高，光電流IΦ也不會(huì)增加。（3）

光電管的光照特性

通常指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51管的光照特性，光電流I與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。

(4).光電管的光電特性

光電管的光電特性是指光電管陽極電壓和入射光頻譜不便的條件下，入射光的光通量Φ與光電流IΦ之間的關(guān)系，在光電管陽極電壓足夠大，使光電管工作在飽和狀態(tài)條件下，入射光通量和光電流線性關(guān)系，參見圖6所示。

(5).暗電流

如果將光電管置于無光的黑暗條件下，當(dāng)光電管施加正常的使用電壓時(shí)，光電管產(chǎn)生微弱的電流，此時(shí)電流稱為暗電流。暗電流的產(chǎn)生主要是由漏電流引起的。

6.1.3光敏電阻光敏電阻是由具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻器件。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊和振動(dòng)，壽命長(zhǎng)，價(jià)格低。1．光敏電阻的基本特性（1）光電流。光敏電阻在不受光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻（暗阻），此時(shí)的電流稱為暗電流；光敏電阻在受光照射時(shí)的阻值稱為亮電阻（亮阻），此時(shí)的電流稱為亮電流；亮電流與暗電流之差稱為光電流。暗阻越大越好，亮阻越小越好，也就是光電流要盡可能大，這樣光敏電阻的靈敏度就越高。（2）伏安特性。在一定的照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與光電流之間的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的伏安特性曲線。在外加電壓一定時(shí)，光電流的大小隨光照的增強(qiáng)而增加；外加電壓越高，光電流也越大，而且沒有飽和現(xiàn)象。（3）光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的光照特性。光敏電阻的光照特性曲線是非線性的，所以光敏電阻不宜做定量檢測(cè)元件，而常用作光電開關(guān)。（4）光譜特性。光敏電阻對(duì)于不同波長(zhǎng)l的入射光，其相對(duì)靈敏度是不同的。（5）頻率特性。當(dāng)光敏電阻受到光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這是光敏電阻的時(shí)延特性。（6）光譜溫度特性。光敏電阻受溫度影響較大，隨著溫度的升高，暗阻和靈敏度都下降。2．光敏電阻質(zhì)量的測(cè)試將萬用表置于R×1kW擋，把光敏電阻放在距離25W白熾燈50cm遠(yuǎn)處（其照度約為100lx），可測(cè)得光敏電阻的亮阻；再在完全黑暗的條件下直接測(cè)量其暗阻值。如果亮阻值為幾千到幾十千歐姆，暗阻值為幾兆到幾十兆歐姆，則說明光敏電阻質(zhì)量良好。6.1.4光敏晶體管1．光敏二極管（1）工作原理。光敏二極管是基于半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)的原理制成的光敏元件。在不受光照射時(shí)，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；受光照射時(shí)，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。（2）光敏二極管的檢測(cè)方法。用歐姆表檢測(cè)時(shí)，先讓光照射在光敏二極管管芯上，測(cè)出其正向電阻，其阻值與光照強(qiáng)度有關(guān)，光照越強(qiáng)，正向阻值越?。蝗缓笥靡粔K遮光黑布擋住照射在光敏二極管上的光線，測(cè)量其阻值，這時(shí)正向電阻應(yīng)立即變得很大。2．光敏三極管（1）工作原理。光敏三極管也是基于半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)的原理制成的光敏元件，分為PNP型和NPN型兩種。當(dāng)光照射在PN結(jié)附近，PN結(jié)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，在PN結(jié)處內(nèi)電場(chǎng)作用下，做定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流，因此PN結(jié)的反向電流大大增加，由于光照射發(fā)射結(jié)產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于三極管的基極電流，因此集電極電流是光電流的b倍。（2）基本特性。①光譜特性。②伏安特性。③光照特性。④溫度特性。⑤時(shí)間常數(shù)。（3）光敏三極管的檢測(cè)方法。用一塊黑布遮住照射在光敏三極管的光，選用萬用表的R×kW擋，測(cè)量其兩引腳間的正、反向電阻，若均為無限大時(shí)則為光敏三極管；拿走黑布，則萬用表指針向右偏轉(zhuǎn)到15～30kW處，偏轉(zhuǎn)角越大，說明其靈敏度越高。6.1.5光電池光電池也是基于半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)的原理制成的，是自發(fā)電式有源器件。應(yīng)用最多的是硅光電池、硒光電池、砷化鉀光電池和鍺光電池等。1．光譜特性光電池的相對(duì)靈敏度Kr與入射光波長(zhǎng)l之間的關(guān)系稱為光譜特性。不同材料光電池的光譜峰值位置是不同的。2．光照特性光生電動(dòng)勢(shì)U與照度Ee之間的特性曲線稱為開路電壓曲線；光電流密度Je與照度Ee之間的特性曲線稱為短路電流曲線。短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，這是光電池的主要優(yōu)點(diǎn)之一；開路電壓與光照度之間的關(guān)系是非線性的，并且在照度為2000lx的照射下就趨于飽和了。3．頻率特性光電池的頻率特性是光的調(diào)制頻率f與光電池的相對(duì)輸出電流Ir之間的關(guān)系曲線。4．溫度特性光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓U、短路電流I隨溫度t變化的曲線。開路電壓隨溫度增加而下降得較快，而短路電流隨溫度上升而增加得卻很緩慢。紅外傳感器

6.2.1紅外輻射紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。一個(gè)熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。而且紅外線被物體吸收時(shí)，可以顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

6.2.2紅外探測(cè)器紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示系統(tǒng)等組成。1．熱探測(cè)器熱探測(cè)器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測(cè)量物理參數(shù)的變化，便可確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。2．光子探測(cè)器光子探測(cè)器利用入射紅外輻射的光子流與探測(cè)器材料中電子的相互作用，改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象（這一過程也稱為光子效應(yīng)）。通過測(cè)量材料電子性質(zhì)的變化，可以知道紅外輻射的強(qiáng)弱。光電式傳感器應(yīng)用舉例6.3.1光敏電阻傳感器的應(yīng)用如圖6.19所示為帶材跑偏檢測(cè)裝置的工作原理和測(cè)量電路圖。6.3.2光敏晶體管的應(yīng)用1．光電耦合器光電耦合器是將一個(gè)發(fā)光器件和一個(gè)光敏元件同時(shí)封裝在一個(gè)殼體內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。當(dāng)有電流流過發(fā)光二極管時(shí)便產(chǎn)生一個(gè)光源，此光照射到封裝在一起的光敏元件后產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)光二極管正向電流成比例的集電極電流。

2．脈沖編碼器

3．光電轉(zhuǎn)速傳感器6.3.3光電池的應(yīng)用光電池主要有兩大類型的應(yīng)用：一是將其作為光生伏特器件使用，直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，即太陽能電池；另一類是將光電池作為光電轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，需要它具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等特性，主要應(yīng)用于光電檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。1．太陽能電池電源太陽能電池電源系統(tǒng)主要由太陽能電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制器和阻塞二極管組成。若要向交流負(fù)載供電，則加一個(gè)直流-交流變換器（逆變器）。圖6.24太陽能電池電源系統(tǒng)方框圖2．光電報(bào)警電路當(dāng)太陽光照射光電池時(shí)，SCR有了門極觸發(fā)電壓，此時(shí)SCR導(dǎo)通，負(fù)載接通。電位器R調(diào)節(jié)光電平使報(bào)警器發(fā)出聲響。6.3.4紅外測(cè)溫儀紅外測(cè)溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測(cè)量溫度的。當(dāng)物體的溫度低于1000℃時(shí)，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，故可用紅外探測(cè)器檢測(cè)溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測(cè)溫儀工作在任意紅外波段。光電開關(guān)光電開關(guān)器件是以光電元件、三極管為核心，配以繼電器組成的一種電子開關(guān)。當(dāng)開關(guān)中的光敏元件受到一定強(qiáng)度的光照射時(shí)就會(huì)產(chǎn)生開關(guān)動(dòng)作?；竟怆婇_關(guān)電路光電斷續(xù)器光電斷續(xù)器的工作原理與光電開關(guān)的相同，但其光電發(fā)射器、接收器放置于一個(gè)體積很小的塑料殼體中，所以兩者能可靠地對(duì)準(zhǔn)。光電斷續(xù)器也可分為遮斷型和反射型兩種。CCD圖像傳感器及應(yīng)用電耦合器件（ChargeCoupledDevice,CCD）是20世紀(jì)70年代在MOS集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體器件。它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ埽哂屑啥雀?、功耗小、分辨力高、?dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。1．CCD的光敏元結(jié)構(gòu)及存儲(chǔ)電荷的原理當(dāng)在金屬電極上施加一正偏壓、在沒有光照的情況下，光敏元中的電子數(shù)目很少。光敏元受到從襯底方向射來的光照后，產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)。電子被柵極上的正電壓所吸引，存儲(chǔ)在光敏元中，稱為“電子包”。光照越強(qiáng)，光敏元收集到的電子越多，所俘獲的電子數(shù)目與入射到勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比，從而實(shí)現(xiàn)了光與電子之間的轉(zhuǎn)換。圖6.30MOS電容器組成的光敏元半導(dǎo)體硅片上制有幾百萬個(gè)相互獨(dú)立、排列規(guī)則的光敏元，稱為光敏元陣列。若照射到陣列上的是一幅明暗起伏的圖像，那么光敏元會(huì)產(chǎn)生一幅與光照強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的“光生電荷圖像”，這就是CCD攝像器件的光電轉(zhuǎn)換原