光電式傳感器

第9章光電式傳感器2，光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。

將被測物理量通過光量的變化轉(zhuǎn)換為電量變化，工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)按原理又分為以下3種：1，外光電效應(yīng)：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面，在回路中形成光電流的現(xiàn)象。3，內(nèi)光電效應(yīng)：又稱光導(dǎo)電效應(yīng)，在光照作用下，物體導(dǎo)電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象。光電式傳感器

外光電效應(yīng)：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面，形成光電流。頻率為ν的光子能量為：光子能量被電子吸收后，能量轉(zhuǎn)化為電子逸出功A和動能，即：式中：h——普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；

ν——入射光頻率，s-1；

m——電子質(zhì)量；

v——電子逸出速度；

A——物體的逸出功。一、外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)

光電子逸出時所具有的初始動能Ek與光的頻率有關(guān)，頻率高則動能大。a.光電子逸出物體表面的必要條件

由于不同材料具有不同的逸出功，因此對某種材料而言便有一個頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發(fā)出電子；反之，當(dāng)入射光的頻率高于此極限頻率時，即使光線微弱也會有光電子發(fā)射出來，這個頻率限稱為“紅限頻率”。b.在足夠外加電壓作用下，入射光頻率不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與入射光強成正比。因為光越強，光子數(shù)越多，產(chǎn)生的光電子也相應(yīng)增多。c.欲使光電子初始速度為零，需要在陽極加上反向截止電壓。外光電效應(yīng)光電管金屬底層光電管光透明光電管在真空玻璃管內(nèi)裝入兩個電極——光電陰極與光電陽極。光電管的陰極受到適當(dāng)?shù)墓饩€照射后發(fā)射電子，這些電子在電壓作用下被陽極吸引，形成光電流。充氣光電管——在玻璃管內(nèi)充入氬、氖等惰性氣體。當(dāng)光電子被陽極吸引時會對惰性氣體進行轟擊，從而產(chǎn)生更多的自由電子，提高了光電轉(zhuǎn)換靈敏度。外光電效應(yīng)應(yīng)用器件光電管的基本特性12光電管的基本特性光電管的基本特性光電管的基本特性光電管的基本特性

其他特性：暗電流：無光照時，光電流不為零的現(xiàn)象；溫度特性：光電管的光照特性、伏安特性等會受溫度影響；頻率特性：當(dāng)光強按照一定頻率變化時，光電流隨頻率變化的關(guān)系；穩(wěn)定性和衰老：短期穩(wěn)定性好；入射光越強衰老越快。光電倍增管

在一個玻璃泡內(nèi)除裝有光電陰極和光電陽極外，還有若干個光電倍增極。倍增極上涂有在電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料。前一級倍增極反射的電子恰好轟擊后一級倍增極，在每個倍增極間依次增大加速電壓。光電倍增管的靈敏度高，適合在微弱光下使用，但不能接受強光刺激，否則容易損壞。外光電效應(yīng)應(yīng)用器件光電倍增管光電倍增管的基本特性光電倍增管的基本特性光電倍增管的基本特性

內(nèi)光電效應(yīng)：又稱光導(dǎo)電效應(yīng)，在一定波長光照作用下，物體導(dǎo)電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)產(chǎn)生的自由電子停留在物體內(nèi)部，不發(fā)生電子逸出。內(nèi)光電效應(yīng)器件：光敏電阻、由光敏電阻制作的光導(dǎo)管。

光敏電阻是純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻具有靈敏度高、體積小、重量輕、光譜響應(yīng)范圍寬、機械強度高、耐沖擊和振動、壽命長等優(yōu)點。制作光敏電阻的材料有硫化鎘、硫化鉛、硒化銦、硒化鎘、硒化鉛等。特點：無極性二、內(nèi)光電效應(yīng)

光敏電阻的結(jié)構(gòu)：管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電半導(dǎo)體，一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，電極一般采用梳狀圖案。光敏電阻內(nèi)光電效應(yīng)器件：光敏電阻、由光敏電阻制作的光導(dǎo)管。光敏電阻是純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻的結(jié)構(gòu)：管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電半導(dǎo)體，一般都做成薄層。2MΩ(在光強度0.當(dāng)光線由光密媒質(zhì)(折射率n1)射入光疏媒質(zhì)(折射率n2，n1＞n2)時，若入射角大于等于臨界角f＝sin－1(n2/n1)，在媒質(zhì)界面上會發(fā)生全反射現(xiàn)象。光電二極管、光電三極管比較硫化鉛光敏電阻的暗電阻為1MΩ,亮電阻為0.頻率為ν的光子能量為：這類光纖傳感器可以充分利用現(xiàn)有的性能優(yōu)良的敏感元件來提高靈敏度。阻擋層——內(nèi)建電場——PN結(jié)將被測量轉(zhuǎn)換為斷續(xù)變化的光電流，光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài),也就是“通”、“斷”的開關(guān)狀態(tài),所以也稱為光電元件的開關(guān)運用狀態(tài)。光照度指單位面積上所接受的光通量，單位勒克斯（lx），1lx=1lm/m2光電子逸出時所具有的初始動能Ek與光的頻率有關(guān)，頻率高則動能大。2μm，硫化鉛光敏電阻處于V1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為6V，電流約為6μA。這類傳感器要求光電元件靈敏度高,而對光電特性的線性要求不高。光敏電阻基本特性光敏電阻基本特性光敏電阻基本特性光敏電阻基本特性05001000150020002500光電子逸出時所具有的初始動能Ek與光的頻率有關(guān)，頻率高則動能大。光敏電阻是純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。1、光電效應(yīng)能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物質(zhì)表面的溢出功。光敏電阻基本特性實際中，一般要求光源的尺寸小、發(fā)光面積大、波長合適、足夠亮、穩(wěn)定性好、噪聲小、壽命長、安裝方便等。目前，已研發(fā)出測量位移、速度、加速度、壓力、溫度、流量、電場、磁場等各種物理量的數(shù)百種光纖傳感器。金屬底層光電管光透明光電管在足夠外加電壓作用下，入射光頻率不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與入射光強成正比。一、外光電效應(yīng)2MΩ(在光強度0.一、外光電效應(yīng)功能型光纖傳感器又稱傳感型光纖傳感器，主要使用單模光纖，基本結(jié)構(gòu)原理如圖所示。一、外光電效應(yīng)暗電流：無光照時，光電流不為零的現(xiàn)象；v——電子逸出速度；光敏電阻基本特性Xi’anJiaotongUniversity1、光電效應(yīng)能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物質(zhì)表面的溢出功。2、基于光生伏特效應(yīng)的光電器件有光電二極管、光電三極管和光電池。3、入射光強改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)。4、光電池作為測量元件使用時，應(yīng)利用開路電壓與照度有較好線性關(guān)系的特點，可當(dāng)做光電檢測使用光照射——光電子空穴對——內(nèi)建電場作用——光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)——光電動勢阻擋層——內(nèi)建電場——PN結(jié)

光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。三、光生伏特效應(yīng)硅光電池結(jié)構(gòu)

硅光電池因為性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高、價格低廉等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用，又稱為太陽能電池。N型硅片上用擴散的方式摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成一個大面積的PN結(jié)，當(dāng)入射光照射到P型表面時，光生電子在PN結(jié)電場作用下被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，從而形成光生電動勢。

利用光生伏特效應(yīng)工作的光敏器件主要包括光電池、光敏二極管和光敏三極管。光電池光電池包括硅光電池、硒光電池、砷化鎵光電池等。光電池最廣。

光照度指單位面積上所接受的光通量，單位勒克斯（lx），1lx=1lm/m2光電池的基本特性用光電池作為測量元件時，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用，不宜用作電壓源。光電池的基本特性光電池的基本特性光電池的基本特性光電池的基本特性

頻率指光強變化的頻率光電二極管光電三極管基區(qū)按其輸出量的性質(zhì)可分為脈沖式光電傳感器和模擬式光電傳感器。功能型光纖傳感器中光纖是連續(xù)的，結(jié)構(gòu)比較簡單，但為了能夠靈敏地感受外界因素的變化，往往需要用特種光纖作探頭，使得制造比較困難。光電二極管、光電三極管比較這類光纖傳感器可以充分利用現(xiàn)有的性能優(yōu)良的敏感元件來提高靈敏度。V2、V3構(gòu)成二級負(fù)反饋互補放大器，火焰的閃動信號經(jīng)二級放大后送給中心控制站進行報警處理。纖芯外圍的圓筒形外殼稱為包層，通常也是由玻璃或塑料制成。硅光電池因為性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高、價格低廉等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用，又稱為太陽能電池。頻率為ν的光子能量為：溫度特性：光電管的光照特性、伏安特性等會受溫度影響；在足夠外加電壓作用下，入射光頻率不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與入射光強成正比。光照射——光電子空穴對——內(nèi)建電場作用——光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)——光電動勢1）由被測量控制光電變換器處于“通”或“斷”兩種狀態(tài)，如光電式轉(zhuǎn)速表、光電繼電器、光電計數(shù)器、光電開關(guān)、目標(biāo)探測等。特點：無極性將被測物理量通過光量的變化轉(zhuǎn)換為電量變化，工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。由于光纖具有許多新的特性，所以不僅在通信方面，在傳感器等方面也獲得了應(yīng)用。光電二極管、光電三極管比較光電二極管、光電三極管比較光電二極管、光電三極管比較光電二極管、光電三極管比較

響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗電磁干擾強，可實現(xiàn)非接觸測量。一般由光源、光學(xué)元件、光電變換器三部分構(gòu)成。1）由被測量控制光電變換器處于“通”或“斷”兩種狀態(tài)，如光電式轉(zhuǎn)速表、光電繼電器、光電計數(shù)器、光電開關(guān)、目標(biāo)探測等。2）光電變換器輸出光電流是輸入光通量的函數(shù)，如光電位移計、測振計、照度計、光電探測器等。

按其輸出量的性質(zhì)可分為脈沖式光電傳感器和模擬式光電傳感器。四、光電傳感器的特點和應(yīng)用脈沖光電傳感器：將被測量轉(zhuǎn)換為斷續(xù)變化的光電流，光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài),也就是“通”、“斷”的開關(guān)狀態(tài),所以也稱為光電元件的開關(guān)運用狀態(tài)。這類傳感器要求光電元件靈敏度高,而對光電特性的線性要求不高。主要用于零件或產(chǎn)品的自動計數(shù)、光控開關(guān)、計算機的光電輸入設(shè)備、光電編碼器及光電報警裝置等方面。光電傳感器的特點和應(yīng)用光電傳感器的特點和應(yīng)用

光電傳感器的應(yīng)用

1.火焰探測報警器圖9-32是采用以硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測器電路圖。硫化鉛光敏電阻的暗電阻為1MΩ,亮電阻為0.2MΩ(在光強度0.01W/m2下測試)，峰值響應(yīng)波長為2.2μm，硫化鉛光敏電阻處于V1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為6V，電流約為6μA。V1管集電極電阻兩端并聯(lián)68μF的電容，可以抑制100Hz以上的高頻，使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器。V2、V3構(gòu)成二級負(fù)反饋互補放大器，火焰的閃動信號經(jīng)二級放大后送給中心控制站進行報警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長時間使用后，器件阻值的變化不至于影響輸出信號的幅度，保證火焰報警器能長期穩(wěn)定的工作。圖9-32火焰探測報警器電路圖2.光電式濁度光纖式傳感器

光(導(dǎo))纖(維)是20世紀(jì)70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地。光纖的出現(xiàn)產(chǎn)生了光纖通信技術(shù)，特別是光纖在有線通信方面的優(yōu)勢越來越突出，它為人類21世紀(jì)的通信基礎(chǔ)——信息高速公路奠定了基礎(chǔ)，為多媒體通信提供了實現(xiàn)的必需條件。由于光纖具有許多新的特性，所以不僅在通信方面，在傳感器等方面也獲得了應(yīng)用。光纖式傳感器

當(dāng)光纖受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電場、磁場等條件變化時，光纖的傳輸特性將隨之改變，且二者之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系，由此便研制出光纖傳感器。20世紀(jì)70年代初研制出第一根實用光纖后，20世紀(jì)80年代已發(fā)展了60多種不同的光纖傳感器。目前，已研發(fā)出測量位移、速度、加速度、壓力、溫度、流量、電場、磁場等各種物理量的數(shù)百種光纖傳感器。光纖式傳感器

光纖傳感器的優(yōu)點如下

(1)具有很高的靈敏度。

(2)頻帶寬、動態(tài)范圍大。

(3)可根據(jù)實際需要做成各種形狀。

(4)可以用很相近的技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器，這些物理量包括聲場、磁場、壓力、溫度、加速度、轉(zhuǎn)動(陀螺)、位移、液位、流量、電流、輻射等。光纖式傳感器(5)便于與計算機和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制。

(6)可用于高溫、高壓、強電磁干擾、腐蝕等各種惡劣環(huán)境。

(7)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能少。光纖的結(jié)構(gòu)

如圖所示，中心圓柱體稱為纖芯，由某種玻璃或塑料制成。纖芯外圍的圓筒形外殼稱為包層，通常也是由玻璃或塑料制成。包層外面有涂敷層，之外是一層塑料保護外套。光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，機械強度取決于塑料保護外套。光纖的傳光原理

當(dāng)光線由光密媒質(zhì)(折射率n1)射入光疏媒質(zhì)(折射率n2，n1＞n2)時，若入射角大于等于臨界角f＝sin－1(n2/n1)，在媒質(zhì)界面上會發(fā)生全反射現(xiàn)象。

光纖傳感器的基本組成

光纖傳感器主要包括光導(dǎo)纖維、光源、光探測器三個重要部件。

①光源

分為相干光源(各種激光器)和非相干光源(白熾光、發(fā)光二極管)。實際中，一般要求光源的尺寸小、發(fā)光面積大、波長合適、足夠亮、穩(wěn)定性好、噪聲小、壽命長、安裝方便等。光纖傳感器的基本組成

②光探測器

包括光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管、光電池等。光探測器在光纖傳感器中有著十分重要的地位，它的靈敏度、帶寬等參數(shù)將直接影響傳感器的總體性能。

光纖傳感器的分類

光纖傳感器一般可分為功能型和非功能型兩大類。1.功能型光纖傳感器

功能型光纖傳感器又稱傳感型光纖傳感器，主要使用單模光纖，基本結(jié)構(gòu)原理如圖所示。光纖在這類傳感器中不僅是傳光元件，而且利用光纖本身的某些特性來感知外界因素的變化，所以它又是敏感元件。

光纖傳感器的分類

在功能型光纖傳感器中，由于光纖本身是敏感元件，因此改變幾何尺寸和材料性質(zhì)可以改善靈敏度。功能型光纖傳感器中光纖是連續(xù)的，結(jié)構(gòu)比較簡單，但為了能夠靈敏地感受外界因素的變化，往往需要用特種光纖作探頭，使得制造比較困難。

光纖傳感器的分類

2.非功能型光纖傳感器

非功能型光纖傳感器又稱傳光型光纖傳感器。它是利用在兩根光纖中間或光纖端面放置敏感元件，來感受被測量的變化，光纖僅起傳光作用，如圖所示。

光纖傳感器的分類

這類光纖傳感器可以充分利用現(xiàn)有的性能優(yōu)良的敏感元件來提高靈敏度。為了獲得較大的受光量和傳輸光的功率，這類傳感器使用的光纖