第8章 光電式傳感器與轉(zhuǎn)速檢測(cè)

【教學(xué)目標(biāo)】熟悉光電式傳感器的結(jié)構(gòu)及種類；掌握光電式傳感器的測(cè)量原理及應(yīng)用；了解光電式傳感器的特性與技術(shù)參數(shù)；學(xué)會(huì)合理選用光電式傳感器構(gòu)成測(cè)光檢光電路。【教學(xué)重點(diǎn)】光電式傳感器的結(jié)構(gòu)及特性；光電式傳感器的工作原理?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】光電式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路；光電式傳感器測(cè)試應(yīng)用。第八章光電式傳感器與轉(zhuǎn)速檢測(cè)【教學(xué)內(nèi)容】光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光伏效應(yīng)第八章光電式傳感器與轉(zhuǎn)速檢測(cè)【教學(xué)內(nèi)容】光電器件光電管

光電倍增管

光敏電阻光電池光敏二極管和光敏晶體管第八章光電式傳感器與轉(zhuǎn)速檢測(cè)【教學(xué)內(nèi)容】光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的類型光電式轉(zhuǎn)速表光電式濁度儀帶材跑偏檢測(cè)儀聲、光、觸摸三控自動(dòng)燈第八章光電式傳感器與轉(zhuǎn)速檢測(cè)58.1光電效應(yīng)1.外光電效應(yīng)2.內(nèi)光電效應(yīng)3.光伏效應(yīng)1外光電效應(yīng)在光線照射下，使電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。根據(jù)外光電效應(yīng)制成的光電器件有光電管、光電倍增管等。外光電效應(yīng)可用愛因斯坦光電方程來描述1/2mv2=hf-W(8-1)式中，v是電子逸出物體表面時(shí)的初速度；m是電子質(zhì)量；W是金屬材料的逸出功（金屬表面對(duì)電子的束縛）。2內(nèi)光電效應(yīng)在光線照射下，使物體的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。根據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電器件有光敏電阻、光敏二極管與光敏三極管等。3光伏效應(yīng)在光線照射下，使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，簡稱光伏效應(yīng)。（1）勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。（2）側(cè)向光電效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，有載流子濃度梯度將會(huì)產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)時(shí)，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)。基于該效應(yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）。118.2光電器件8.2.1光電管8.2.2光電倍增管8.2.3光敏電阻8.2.4光電池8.2.5光敏二極管和光敏晶體管8.2.1光電管光電管是一種光敏元件，當(dāng)它受到輻射后，能夠從陰極釋放出電子。光電管種類很多，它是個(gè)裝有光陰極和陽極的真空玻璃管，結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。圖8-1光電管光電管分為真空光電管和充氣光電管兩種。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)，光電子就從極層內(nèi)發(fā)射至真空。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。8.2.2光電倍增管光電倍增管是可將微弱光信號(hào)通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)并利用二次發(fā)射電極轉(zhuǎn)為電子倍增的電真空器件。它利用二次電子發(fā)射使逸出的光電子倍增，獲得遠(yuǎn)高于光電管的靈敏度，能測(cè)量微弱的光信號(hào)。圖8-5光電倍增管外形圖1.光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理（1）光電倍增管的結(jié)構(gòu)光電倍增管由光電陰極、倍增極、陽極、真空玻璃管等組成。光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖8-6所示.圖8-6光電倍增管（2）光電倍增管的工作原理光電倍增管陰極室的結(jié)構(gòu)與光陰極的尺寸和形狀有關(guān),它的作用是把陰極在光照下由外光電效應(yīng)產(chǎn)生的電子聚焦在面積比光陰極小的第一倍增極的表面上。二次發(fā)射倍增系統(tǒng)是最復(fù)雜的部分。倍增極主要選擇那些能在較小入射電子能量下有較高的靈敏度和二次發(fā)射系數(shù)的材料制成。2.

光電倍增管的主要參數(shù)（1）暗電流光電倍增管接上工作電壓后，在沒有光照的情況下陽極仍會(huì)有一個(gè)很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流．光電倍增管在工作時(shí)，其陽極輸出電流由暗電流和信號(hào)電流兩部分組成。當(dāng)信號(hào)電流比較大時(shí)，暗電流的影響可以忽略，但是當(dāng)光信號(hào)非常弱，以至于陽極信號(hào)電流很小甚至和暗電流在同一數(shù)量級(jí)時(shí)，暗電流將嚴(yán)重影響對(duì)光信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性。（2）光譜響應(yīng)特征光電倍增管對(duì)不同波長的光入射的響應(yīng)能力是不相同的，這一特性可用光譜響應(yīng)率表示。在給定波長的單位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流大小稱為光電倍增管的絕對(duì)光譜響應(yīng)率，表示為s(λ)=I(λ)/P(λ)(8-3)3.光電倍增管的應(yīng)用由于光電倍增管增益高和響應(yīng)時(shí)間短，又由于它的輸出電流和入射光子數(shù)成正比，所以它被廣泛使用在天體光度測(cè)量和天體分光光度測(cè)量中。其優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量精度高，可以測(cè)量比較暗弱的天體，還可以測(cè)量天體光度的快速變化。8.2.3光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）光敏電阻的結(jié)構(gòu)通常，光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。當(dāng)它受到光的照射時(shí)，半導(dǎo)體片（光敏層）內(nèi)就激發(fā)出電子—空穴對(duì)，參與導(dǎo)電，使電路中電流增強(qiáng)。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，它是在一定的掩膜下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。一般光敏電阻器結(jié)構(gòu)如圖8-7所示。（2）光敏電阻的工作原理光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了提高靈敏度，兩電極常做成梳狀。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，成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴，電子—空穴對(duì)的出現(xiàn)使電阻率變小。光照愈強(qiáng)，光生電子—空穴對(duì)就越多，阻值就愈低。當(dāng)光敏電阻兩端加上電壓后，流過光敏電阻的電流隨光照增大而增大。入射光消失，電子—空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值，電流也逐漸減小。2.光敏電阻的分類根據(jù)光敏電阻的光譜特性，光敏電阻器可分為3類：（1）紫外光敏電阻器：對(duì)紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測(cè)紫外線。（2）紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測(cè)、非接觸測(cè)量、人體病變探測(cè)、紅外光譜，紅外通信等國防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。（3）可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。3.光敏電阻的主要參數(shù)（1）光電流、亮電阻光敏電阻器在一定的外加電壓下，當(dāng)有光照射時(shí)，流過的電流稱為光電流，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻，常用“100LX”表示。（2）暗電流、暗電阻光敏電阻在一定的外加電壓下，當(dāng)沒有光照射的時(shí)候，流過的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻，常用“0LX”表示。（3）靈敏度靈敏度是指光敏電阻不受光照射時(shí)的電阻值（暗電阻）與受光照射時(shí)的電阻值（亮電阻）的相對(duì)變化值。（4）額定功率額定功率是指光敏電阻用于某種線路中所允許消耗的功率，當(dāng)溫度升高時(shí)，其消耗的功率就降低。（5）伏安特性曲線伏安特性曲線用來描述光敏電阻的外加電壓與光電流的關(guān)系，對(duì)于光敏器件來說，其光電流隨外加電壓的增大而增大。伏安特性曲線如圖8-8所示。（6）光照特性光照特性指光敏電阻輸出的電信號(hào)隨光照度而變化的特性。圖8-8光敏電阻的伏安特性曲線

圖8-9光敏電阻的光照特性曲（7）光譜響應(yīng)。光譜響應(yīng)又稱光譜靈敏度，是指光敏電阻在不同波長的單色光照射下的靈敏度。若將不同波長下的靈敏度畫成曲線，就可以得到光譜響應(yīng)的曲線。光譜特性曲線如圖8-10所示。（8）溫度系數(shù)。光敏電阻的光電效應(yīng)受溫度影響較大，部分光敏電阻在低溫下的光電靈敏較高，而在高溫下的靈敏度則較低。溫度特性曲線如圖8-11所示。圖8-10光敏電阻的光譜特性曲線

圖8-11光敏電阻的溫度特性4.光敏電阻的應(yīng)用（1）光敏電阻調(diào)光電路圖8-12典型的光控調(diào)光電路圖8-13典型的光控調(diào)光電路8.2.4光電池光電池是一種在光的照射下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的半導(dǎo)體元件。光電池的種類很多，常用有硒光電池、硅光電池和硫化鉈、硫化銀光電池等。1.光電池的結(jié)構(gòu)與工作原理光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖8-15（a）所示。光電池的工作原理如圖8-15（b）所示。圖8-16光電池符號(hào)和基本工作電路2.基本特性（1）光照特性開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線短路電流，指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。圖8-17硅光電池的光照特性曲線圖（2）光電池的光譜特性光電池的光譜特性是指相對(duì)靈敏度和入射光波長之間的關(guān)系。如圖8-18所示為硒光電池和硅光電池的光譜特性曲線。光電池的光譜特性決定于材料。8-18硒光電池和硅光電池的光譜特性曲線（3）頻率特性光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖8-19所示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。圖8-19光電池的頻率特性（4）溫度特性光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。圖8-20光電池的溫度特性8.2.5光敏二極管和光敏晶體管1．工作原理光敏二極管和普通二極管相比雖然都屬于單向?qū)щ姷姆蔷€性半導(dǎo)體器件，但在結(jié)構(gòu)上有其特殊的地方。光敏二極管在電路中的符號(hào)如圖8-21所示。2．主要參數(shù)表8-1光敏二極管的主要參數(shù)表8-2光敏三極管的主要參數(shù)（1）暗電流光敏二極管的暗電流是指光敏二極管無光照射時(shí)還有很小的反向電流。暗電流決定了低照度時(shí)的測(cè)量界限。光敏三極管的暗電流就是它在無光照射時(shí)的漏電流。（2）短路電流光敏二極管的短路電流是指PN結(jié)兩端短路時(shí)的電流，其大小與光照度成比例。（3）正向電阻和反向電阻當(dāng)無光照射時(shí)，光敏二極管正向電阻和反向電阻均很大。當(dāng)有光照射時(shí)，光敏二極管有較小的正向電阻和較大的反向電阻。3．基本特性（1）光照特性從圖8-23所示的光敏二極管和光敏晶體管的光照特性可以看出，光敏二極管的光電流與光照強(qiáng)度呈線性關(guān)系。（2）光譜特性光敏二極管的光譜特性如圖8-24所示。圖8-24光敏二極管和光敏三極管的光譜特性（3）伏安特性圖8-25所示為光敏二極管的伏安特性。（4）響應(yīng)時(shí)間硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間約為10~6-10~7S左右，光敏晶體管的響應(yīng)速度則比相應(yīng)的二極管大約慢一個(gè)數(shù)量級(jí)，而鍺管的響應(yīng)時(shí)間要比硅管小一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此在要求快速響應(yīng)或入射光調(diào)制頻率較高時(shí)，應(yīng)選用硅光敏二極管。（5）溫度特性溫度變化對(duì)亮電流的影響不大，但對(duì)暗電流影響非常大，并且是非線性曲線的。4．光敏三極管的應(yīng)用（1）測(cè)量光亮度（2）光電隔離圖8-27光電耦合器的結(jié)構(gòu)（3）非接觸測(cè)量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器在旋轉(zhuǎn)軸上安裝著60條齒縫的測(cè)速輪，在傳感器外殼上安裝的一只由發(fā)光二極管及光敏三極管組成的槽型光電開關(guān)架，測(cè)速輪的每一個(gè)齒將發(fā)光二極管的光線遮擋住時(shí)，光敏三極管就輸出一個(gè)高電平，當(dāng)光線通過齒縫射到光敏管的窗口時(shí)，光敏管就輸出一個(gè)低電平，旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈就可得到60個(gè)脈沖，因此，每秒鐘檢測(cè)到的脈沖數(shù)恰好等于每分鐘的轉(zhuǎn)速值。8.3光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器由光源、光學(xué)元器件和光電元器件組成光路系統(tǒng)，結(jié)合相應(yīng)的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路而構(gòu)成，如圖8-29所示。圖中x1和x2和為被測(cè)信號(hào)。常用的光源有各種白熾燈、發(fā)光二極管和激光等，常用的光學(xué)元件有各種反射鏡、透鏡和半反半透鏡等。圖8-29光電傳感器組成框圖1.光電式傳感器的類型光電式傳感器在檢測(cè)與控制中應(yīng)用非常廣泛，按輸出形式可以分為模擬式傳感器和脈沖式傳感器兩種。按光的傳輸路徑可以分為反射式與遮斷