第4章光電式傳感器

1905年德國物理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光電發(fā)射效應，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學獎。

第4章光電式傳感器1發(fā)光器件1、鎢絲白熾燈用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：可見光外、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。特點：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。在普通白熾燈基礎(chǔ)上制作的發(fā)光器件有溴鎢燈和碘鎢燈，其體積較小，光效高，壽命也較長。

第一節(jié)光源22、氣體放電燈定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長，目前熒光劑的選擇范圍很廣，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如，照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量僅為白熾燈1/2—1/3。33、發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）由半導體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應用。材料波長/nm材料波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350表LED材料44、激光器激光是20世紀60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個重要特性。激光波長從0.24μm到遠紅外整個光頻波段范圍。激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器。5光電效應光是由一連串具有一定能量的粒子(稱為光子)所構(gòu)成，每個光子具有的能量hv正比于光的頻率v(h為普朗克常數(shù))。用光照射某一物體，就可以看作這物體受到一連串能量為hv的光子所轟擊，而光電效應就是由于這物體吸收到光子能量為hv的光后產(chǎn)生的電效應。

光電效應分為外光電效應和內(nèi)光電效應兩大類。第二節(jié)光電效應h=6.626x10-34J.S光的頻率越高（波長越短），光子的能量越大。61、外光電效應（演示）在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。物體中電子吸收的入射光子能量足以克服逸出功，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生光電發(fā)射，逸出電子的功為，為逸出功。光子能量大于逸出功，電子發(fā)射。當光子能量等于逸出功，逸出的電子速度為零，此時光子的頻率為該物質(zhì)產(chǎn)生外光電效應的最低頻率，稱為紅限頻率。注1愛因斯坦光電效應方程7解釋愛因斯坦光電效應方程：光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子逸出。當入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2

，因此外光電效應器件即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。注28當光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應，它多發(fā)生于半導體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類：

（1）光電導效應在光線作用下，半導體中原子受激發(fā)成為自由電子與空穴，他們參加導電，而引起半導體的電導率ρ的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導效應?；谶@種效應的光電器件有光敏電阻和光敏二極管、光敏三極管。2、內(nèi)光電效應9（2）

光生伏特效應在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應。由于在光線照射下，PN結(jié)附近被束縛的價電子吸收光子能量，受激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對，在內(nèi)電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，于是在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生了電動勢。

基于該效應的光電器件有光電池.

10一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。一、光電管及其基本特性演示：光電管的結(jié)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)與工作原理光電管由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。第三節(jié)外光電效應器件光陽極光電陰極光窗陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。當陰極受到適當波長的光線照射時便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。11演示動畫：光電管結(jié)構(gòu)及電路連接演示動畫：光電管測量電路光電管的結(jié)構(gòu)(K-光電陰極A-陽極)12光陰極材料的頻譜靈敏度

銀氧銫在陰極在整個可見光區(qū)域均有一定的靈敏度，且在近紫外光區(qū)和近紅外光區(qū)分別有兩個峰值，常用于紅外光傳感器，且它的逸出功是光電陰極材料中最低的。銻銫在紅外光以外的整個可見光區(qū)域上有著比銀氧銫高得多的靈敏度。兩種光陰極材料的頻譜靈敏度曲線1-銀氧銫陰極2-銻銫陰極2、光電管主要特性陰極表面所發(fā)射的光電子的平均數(shù)13遠紫外近紫外可見光近紅外遠紅外極遠紫外0.010.11100.050.55波長/μm波數(shù)/cm-1頻率/Hz光子能量/eV1061051041035×1055×1045×10310155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018光的波長與頻率的關(guān)系由光速確定，真空中的光速C=2.99793×1010cm/s，通常C≈3×108cm/s。光的波長λ和頻率γ的關(guān)系為

γ的單位為Hz，λ的單位為cm。γλ=C=3×108cm/s14性能主要有：伏安特性、光電特性、頻譜特性、頻率響應、噪聲以及熱穩(wěn)定性和暗電流等。（1）光電管的伏安特性2、光電管其它主要特性伏安特性：在恒定的入射光頻率成分和強度條件下光電管的光電流和陽極電壓之間的關(guān)系。光通量一定時，當陽極電壓增加，光電流趨于一定值(飽和)，光電管的工作點一般選在該區(qū)域中。15（2）

光電管的光電特性

1-銻銫光電陰極的光電管2-氧銫光電陰極的光電管光電特性：在工作電壓和入射光的頻率成分恒定條件下，光電管接收的入射光通量值與其輸出光電流之間的比例關(guān)系。呈線性關(guān)系的材料在測量中應用廣泛。16常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。一、光敏電阻光敏電阻又稱光導管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導效應，其阻值隨光照增強而減小。優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。

第四節(jié)內(nèi)光電效應器件17光敏電阻當光敏電阻受到光照時，阻值減小。18光敏電阻演示

暗電流（越小越好）當光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。191.光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1）暗電阻、亮電阻、光電流暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流，稱為“暗電流”。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流，稱為“亮電流”

。光電流：亮電流與暗電流之差。光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。實用的光敏電阻的暗電阻往往超過1MΩ,甚至高達100MΩ，而亮電阻則在幾KΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。20（2）光照特性在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。012345I/mAL/lx1000200021（3）光譜特性光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。光敏電阻對于不同波長的入射光，其相對靈敏度也是不同的。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。204060801004080120160200240λ/μm312相對靈敏度1——硫化鎘2——硒化鎘3——硫化鉛22（4）伏安特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時的伏安特性。由曲線可知，在給定電壓下,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)5010015020012U/V02040象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。I/μA23（6）溫度特性：其性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降。光譜特性曲線的峰值隨溫度上升向波長短的方向移動，如圖B。有時為了提高靈敏度，或為了能夠接收較長波段的輻射而采取降溫措施。I/μA100150200-50-10305010-30T/oC2040608010001.02.03.04.0λ/μmKr/%+20oC-20oC（A）（B）24二、光電池（又稱太陽能電池）

光電池是利用光生伏特效應把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結(jié)，當光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。+光PN－SiO2RL硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。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)。1.光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理25當光照到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)兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由PI光PN區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。26光電池外形光敏面光生伏特效應：在光線的作用下,物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。27能提供較大電流的大面積光電池外形28光電池在動力方面的應用太陽能賽車太陽能電動機模型太陽能硅光電池板29光電池在動力方面的應用太陽能發(fā)電301.光敏二極管其結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。因此，在不受光照射時，光敏二極管處于截止狀態(tài)；受光照射時，光敏二極管處于導通狀態(tài)。

PN光光敏二極管符號RL

光PN光敏二極管接線三、光敏二極管和光敏三極管31光敏二極管和發(fā)光二極管區(qū)別光敏二極管：因有光照而改變電阻值，檢測是否有光存在。發(fā)光二極管：一通電就會發(fā)光（光電耦合器件中常用）32光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似。當光線照射在PN結(jié)上時,會產(chǎn)生電子-空穴對,它們在內(nèi)電場的作用下,發(fā)生定向運動形成光電流。2.光敏三極管PPNNNPecRLEecbb33第五節(jié)光電式傳感器應用光電耦合器簡稱光耦，它的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi),發(fā)光元件為發(fā)光二極管，受光元件為光敏三極管或光敏可控硅。光電耦合器件的分類

根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，可分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關(guān)。34光電耦合器和光電開關(guān)的區(qū)別光電耦合器即光耦，它的原理是通過發(fā)光二極管照射三極管從而使得三極管導通和關(guān)斷，通過調(diào)節(jié)二極管電壓大小調(diào)節(jié)發(fā)光強度，從而使流過三極管的電流變化，常常用光耦做反饋用。光電開關(guān)原理類似，不過它只是用來當作開關(guān)用的，也就是發(fā)光，三極管開通，需要一個擋光的東西,但并不需要調(diào)節(jié)電流大小。35光電耦合器(a)(b)(c)(d)按照組合形式的不同，光電耦合器大致可分為如下四種類型。該形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。該形式采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動和較低頻率的裝置中。該形式采用功率器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。36光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)：(a)透射式；(b)反射式。(a)(b)光電開關(guān)光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號的器件。37光電開關(guān)的特點是小型、高速、非接觸，與TTL、MOS等電路容易結(jié)合。用光電開關(guān)檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有“高-低”（1-0）之分即可。如圖(a)、(b)表示負載為CMOS比較器等高輸入阻抗電路時的情況，(c)表示用晶體管放大光電流的情況。光電開關(guān)的基本電路(a)(b)(c)38脈沖編碼器Vi為24V電源電壓，Vo為輸出電壓，N為光柵轉(zhuǎn)盤上總的光柵輻條數(shù)，R1和R2為限流電阻器，A和B分別是發(fā)光二極管的發(fā)射端和接收端。當轉(zhuǎn)軸受外部因素的影響而以某一轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動時，光柵轉(zhuǎn)盤也隨著以同樣的速度轉(zhuǎn)動。所以在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動一圈的時間內(nèi)，接收端將接收到N個光信號，從而在其輸出端輸出N個電脈沖信號。可見，輸出V0的頻率f由轉(zhuǎn)速n確定：f=nN39光電掃描筆40第六節(jié)光電式傳感器的類型41(a)輻射式被測物體本身是光輻射源，被測物發(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)。光電高溫計、光電比色高溫計、紅外偵察、紅外遙感和天文探測等均屬于這一類。這種方式還可用于防火報警，火種報警和構(gòu)成光照度計等。(a)輻射式42(b)透射式（吸收式）

光源發(fā)射的光通量穿過被測物，一部分由被測物吸收，剩余部分投射到光電元件上，根據(jù)被測物對光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測定被測參數(shù)?？梢詼y量液體、氣體的透明度、混濁度，對氣體進行成分分析，測定液體中某種物質(zhì)的含量等。也可用于防火報警，煙霧報警等。(b)透射式（吸收式）43（c）反射式(c)反射式恒定光源釋出的光投射到被測物體上，再從其表面反射到光電元件上，根據(jù)反射的光通量多少測定被測物表面性質(zhì)和狀態(tài)?？梢詼y量零件表面粗糙度、表面缺陷、表面位移以及表面白度、露點、濕度等。44定區(qū)域反射式光電開關(guān)原理

定區(qū)域式光電開關(guān)有一個非常確定的檢測區(qū)域，不經(jīng)過該區(qū)域的被測物體不會引起光電開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)信號。檢測距離檢測距離45反射型光電開關(guān)外形電源指示信號指示46應用（續(xù)）商標方向檢測47(d)投射式（遮光式）恒光源發(fā)出的光通量在到達光電元件的途中遇到