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1、11:54 PM,1,电气测试技术,电气测试技术,电子信息与自动化学院贺晓蓉,11:54 PM,2,4.7 光电传感器,4.7.1 光电效应及光电器件,光电传感器是将光量转换为电量。光电器件的物理基础是光电效应。,光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量的光子轰击这些物体的表面；光子与物体之间的联接体是电子。所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应可分成外光电效应和内光电效应两类。,11:54 PM,3,1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。,11:54 PM,4,一.外光电效应 在光
2、线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电发射效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。,根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量大于该物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A，因此对某特定材料而言，将有一个频率限o(或波长限o)，称为“红限”。当入射光的频率低于o时(或波长大于o)，不论入射光有多强，也不能激发电子；当入射频率高于o时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。红限波长可用下式求得：,c_光速;h_普朗克常数,动画,11:54
3、PM,5,光电效应的规律是： 任何一种金属都有一个_频率, 入射光的频率必须_这个频率, 才能产生光电效应; (2) 光电子的最大初动能与 无关, 只随着 的增大而增大; (3) 入射光照射到金属上时, 光电子的发射几乎是_; (4) 产生光电效应时, 光电流的强度与 成正比.,极限,大于,入射光的强度,入射光频率,瞬时的,入射光的强度,11:54 PM,6,基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光电倍增管等。光电管有真空光电管和充气光电管。,1. 光电管,光电管受光照发射电子,光电管阳极A通过RL与电源连接在管内形成电场。光电管的阴极K受到适当的照射后便发射光电子，这些光电子
4、在电场作用下被具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。电阻RL上产生的电压降正比于空间电流，其值与照射在光电管阴极K上的光成函数关系。如果在玻璃管内充入惰性气体(如氩、氖等)即构成充气光电管。由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电子，从而提高光电变换的灵敏度。,11:54 PM,7,紫外光电管外形,当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。,紫外线,11:54 PM,8,在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，尚装有若干个光电倍增极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料
5、。光电倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间均依次增大加速电压。设每级的培增率为，若有n级，则光电倍增管的光电流倍增率将为n。,2.光电倍增管,因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点,11:54 PM,9,光电倍增管,典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。侧窗型光电倍增管（R系列）是从玻璃壳的侧面接收入射光，端窗型光电倍增管（CR系列）则从玻璃壳的顶部接收射光。,11:54 PM
6、,10,二.内光电效应在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应分为：光电导效应、光生伏特效应,1.光电导效应：半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和光敏二、三极管 。,11:54 PM,11,1）光敏电阻,结构原理,光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性， 纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，
7、电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。,11:54 PM,12,光敏电阻是一种光电效应半导体器件，应用于光存在与否的感应（数字量）以及光强度的测量（模拟量）等领域。它的体电阻系数随照明强度的增强而减小，容许更多的光电流流过。这种阻性特征使得它具有很好的品质：通过调节供应电源就可以从探测器上获得信号流，且有着很宽的范围。,11:54 PM,13,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，
8、阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,11:54 PM,14,2)光敏二极管和光敏三极管,光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光电转换过程。将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光照射。光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。,11:54 PM,15,光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态。PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特
9、效应工作。处于反向偏置的PN结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此光照时的反向电流基本上与光强成正比。,光敏二极管,11:54 PM,16,红外发射、接收对管外形,红外发射管,红外接收管,11:54 PM,17,光敏二极管的反向偏置接法,在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的
10、电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。,光敏二极管接线图,11:54 PM,18,光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。其结构如图所示。 当光敏三极管按图b)所示的电路连接时，它的集电结反向偏置，发射结正向偏置。无光照时仅有很小的穿透电流流过，当光线通过透明窗口照射集电结时，和光敏二极管的情况相似，将使流过集电结的反向电流增大，这就造成基区中正电荷的空穴的积累，发射区中的多数载流子(电子)将大量注人基区，由于基区很薄，只有一小部分从发射区注入的电子与基区的空穴复合，而大部分电子将穿过基区流向与电源正极相接的集电极，形成集电极电
11、流IC。这个过程与普通三极管的电流放大作用相似，它使集电极电流IC是原始光电流的(l+)倍。这样集电极电流IC将随入射光照度的改变而更加明显地变化。,光敏三极管,多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外形与光敏二极管相似，从外观上很难区别。,11:54 PM,19,光敏三极管外形,11:54 PM,20,2. 光生伏特效应：半导体材料受到光照后产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应型器件是自发电式的，是有源器件。常用的光生伏特器件有光电池。,11:54 PM,21,光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。当PN结两端没有外加电场时，在PN结
12、势垒区内仍然存在着内建结电场，其方向是从N区指向P区，如图所示。当光照射到结区时，光照产生的电子空穴对在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产生的电动势，这一现象称为光生伏特效应。由于它可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。因此光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。,PN结光生伏特效应原理图,11:54 PM,22,也称硅太阳能电池，它是用单晶硅制成，在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一
13、个大面积的P-N结，P层做得很薄,从而使光线能穿透到P-N结上。硅太阳能电池具有轻便、简单，不会产生气体或热污染，易于适应环境。因此凡是不能铺设电缆的地方都可采用太阳能电池，尤其适用于为宇宙飞行器的各种仪表提供电源。,硅光电池,11:54 PM,23,光电池外形,光敏面,11:54 PM,24,能提供较大电流的大面积光电池外形,11:54 PM,25,光电池在动力方面的应用,太阳能赛车,太阳能电动机模型,太阳能硅光电池板,11:54 PM,26,光电池在动力方面的应用（续）,太阳能发电,11:54 PM,27,光电池在动力方面的应用（续）,光电池在人造卫星上的应用,11:54 PM,28,太阳
14、能广告屏/太阳能广告牌/太阳能广告灯箱,11:54 PM,29,主要用于道路十字路口、道路变窄、路面障碍、事故易发路口等危险路段，通过LED的闪烁发光，提醒司机行车注意，控制车速行驶。工作原理是利用太阳能电池白天将太阳能转化为电能储存在可充电电池中，发光时LED将电能转化为光能，实现太阳能黄闪灯的闪烁发光，从而起到引导交通的作用。,11:54 PM,30,4.7.2 光电式传感器的形式,工作原理：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。分类：按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。,1. 脉冲式光电传感器(开关式） 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元
15、件的输出仅有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。这类传感器要求光电元件灵敏度高,而对光电特性的线性要求不高。主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。,11:54 PM,31,2. 模拟式光电传感器模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性,其光通量是随被测量而变,光电流就成为被测量的函数,故又称为光电传感器的函数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。,被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、
16、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。,恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。,11:54 PM,32,被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。,被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等。,
