第六章 光電式傳感

第六章光電式傳感器任振興主要內(nèi)容光電器件（重點(diǎn)）光纖傳感器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。概念：組成：特點(diǎn)：

1、光電效應(yīng)

光電元件是光電傳感器中最重要的部件，它將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。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，這種粒子稱為光子。每個(gè)光子具有的能量為E=h·υ式中，υ為光波頻率；h為普朗克常數(shù)，h＝6.63*10-34J/Hz

6.1光電器件用光照射某一物體，可以看做是一連串能量為A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)象稱為光電效應(yīng)。

1)在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(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)在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(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)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。

基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。

2、光電效應(yīng)的分類(lèi)(一)光電管

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。半圓筒形金屬片制成的陰極K金屬絲制成的陽(yáng)極A真空封裝在玻殼內(nèi)原理：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，從而形成電流。3、光電器件結(jié)構(gòu)組成：根據(jù)能量守恒定律有

式中，m為電子質(zhì)量；V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hv>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，此頻率限稱為“紅限”。逸出電子的初始能量：(1／2)mυ2光電管正常工作時(shí)，陽(yáng)極電位高于陰極，在入射光頻率大于“紅限”的前提下，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。電流和電阻上的電壓就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

注意的地方：1：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。2：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。3：光電管的這種光譜特性，需要根據(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的光電管，以便獲得滿意的靈敏度。

2．光電倍增管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。下圖光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖。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…它們稱為第1,2,3…..倍增電極光電倍增管工作時(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σ，則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是σN，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。光電倍增管的這個(gè)特點(diǎn)，使它多用于微光測(cè)量。

3、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。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。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。

（2）基本特性和參數(shù)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)定電阻值稱為暗電阻，或暗阻。此時(shí)流過(guò)的電流稱為暗電流。光敏電阻在室溫和一定光照條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻或亮阻。此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。顯然，光敏電阻的暗阻越大越好，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）基本特性和參數(shù)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，稱為伏安特性。

由下圖可知，光敏電阻伏安特性近似直線，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，圖中虛線為允許功耗曲線，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)系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性。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。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。多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都較大，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。溫度改變的時(shí)候，它的峰值隨著溫度的改變發(fā)生移動(dòng)。

4、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。

1）結(jié)構(gòu)與工作原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管相似，只是它的PN結(jié)裝在管殼頂部，光線通過(guò)透鏡制成的窗口，可以集中照射在PN結(jié)上，圖a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b所示。

當(dāng)二極管兩端加上反向電壓時(shí)，若無(wú)光照射，則光敏二極管與普通二極管一樣，只有很少的反向飽和漏電流流過(guò)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。若光線照射到二極管的PN結(jié)上時(shí)，PN結(jié)內(nèi)的價(jià)電子吸收能量后受到激發(fā)，稱為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴，形成電子-空穴對(duì)，在電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)形成光電流，其大小與光強(qiáng)成正比。2）基本特性(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)范圍的入射光敏感，這就是光敏晶體管的光譜特性，見(jiàn)下圖。

由曲線可以看出，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)入射光波長(zhǎng)太短時(shí)，光波穿透能力下降，光子只在半導(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。從曲線還可以看出，不同材料的光敏晶體管，光譜峰值波長(zhǎng)不同。

（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。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。

其他特性：頻率特性，溫度特性，光電特性（外加偏壓一定時(shí)，光電流和照度的關(guān)系）。光電傳感器的類(lèi)型和應(yīng)用1、光電傳感器的類(lèi)型模擬量光電傳感器開(kāi)關(guān)量光電傳感器（一）模擬量光電傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，光電流與被測(cè)量成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。主