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1、 第9章光电式传感器 9 1概述 9 2光电元件 9 3光栅测量装置 9 1概述 光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器 一般都是由光源 光学元件和光电元件三个部分组成 光电阻传感器是将光信号转换为电阻变化的一种传感器 此种测量方法具有结构简单 非接触 高可靠性 高精度和反映快等特点 在检测和控制领域获得了广泛的应用 光源发射出一定光通量的光线 由光电元件接受 在检测时 被测量使光源发射出的光通量变化 因而使接收光通量的光电元件在输出电量时 也作相应的变化 最后用光量来表达被测量的大小 其输出的电量可以是模拟量 也可以是数字量 光电式传感器基本分类 1 光电转换系统的输出
2、端为 有 或 无 电信号两种稳定状态 亦即为 通 或 断 的开关状态 属于这一类的为光电式转速表 光电继电器等 2 光电转换系统中 当光作用在光电元件上时 产生的光电流是光通量的函数 属于这一类的为光电式位移计 光电式测振计等 3 光电转换系统将被测体的形状直接反映出来 这一类的传感器是利用电荷耦合摄象器件 CCD 作为光电元件的 主要用于再线的图案检查 文字识别等 光电传感器应用与优点 光电传感器是一种常用的传感器 应用领域也比较广泛 除可直接检测光信号外 还可以用来测量转速 位移 距离 温度 浓度 浊度等参量 也可以用作对各种产品的计数 机床的保护装置 光电传感器具有很多优良的特性 例如
3、精度高 不受电磁干扰的影响 非接触测量 体积小 重量轻 造价低的等优点 一 光源 光源是光电式传感器的一个组成部分 大多数的光电传感器都离不开光源 我们把通电后而发光的器件 统称为电光源 或者叫电光元件 普通的电光源可以分为四类 热辐射光源 即白炽灯 气体放电灯 如氖泡 日光灯 固体发光光源 电致发光器件 如发电二极管 场致发光灯 激光器 热辐射光源 热物体都会向空间发出一定的光辐射 基于这种原理的光源称为热辐射光源 物体温度越高 辐射能量越大 辐射光谱的峰值波长也就越短 白炽灯就是一种典型的热辐射光源 气体放电灯 气体放电光源 电流通过气体会产生发光现象 利用这种原理制成的光源称为气体放电光
4、源 气体放电光源的光谱不连续 光谱与气体的种类及放电条件有关 改变气体的成分 压力 阴极材料和放电电流的大小 可以得到主要在某一光谱范围的辐射源 低压贡灯 钠灯 氦灯等是光谱仪器中常用的光源 统称为光谱灯 固体发光光源 电致发光器件 固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光 它是将电能直接转换成光能的过程 利用这种现象制成的器件称为电致发光器件 如发电二极管 半导体激光器和电致发光屏 发电二极管与白炽灯相比 它具有体积小 功耗低 寿命长 响应快 机械强度高以及能和集成电路相匹配等优点 因此广泛地应用于计算机 仪器仪表和自动控制等设备中 二 光学元件与光路 在光电式传感器中 必须采用一
5、定的光学元件 并按照一些光学定律和原理构成各种各样的光路 常用的光学元件有各种反射镜和透镜 三 光电元件 光电元件在光电式传感器中是用来把光量变换成电量的一种器件 常用的有光敏电阻 光电池 光敏晶体管 光电倍增管 以及一些新型半导体光电器件 如电荷耦合摄像器 CCD 光电位置敏感器件 PSD 等 传统的光电器件是利用各种光电效应制成的器件 光电器件的理论基础是光电效应 所谓光电效应即是由于物体吸收能量E为的光后产生的电效应 从传感器的角度看光电效应可分为两大类型 外光电效应和内光电效应两大类 内光电效应又分为光导效应和光生伏特效应 外光电效应是指在光的照射下 材料中的电子逸出表面的现象 光电管
6、和光电倍增管即属此类 内光电效应是指在光的照射下 材料的电阻率发生改变的现象 光敏电阻即属此类 9 2光电元件 9 2 1光敏电阻光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的 为纯电阻元件 其阻值随光照增强而减小 如图9 1 1 光敏电阻的工作原理 在黑暗的环境下它的电阻是很高的 但当它受到光线照射时 若光子能量hy大于本征半导体材料的禁带宽度Eg 同禁带中的电子吸收一个光子后就足以跃迁到导带 激发出电子 空穴对 从而加强了导电性能 使阻值降低 且照射的光线愈强阻值也愈低 光照停止 自由电子与空穴逐渐复合 电阻有恢复原值 这种由于光线照射强弱而导致半导体电阻值变化的现象 称为光导效应 具有光导效
7、应的材料就称为 光敏电阻 用光敏电阻制成的器件称为光导管 但通常也叫光敏电阻 光敏电阻具有很高的灵敏度 光谱响应的范围可以从紫外区域到红外区域 且体积小 性能稳定 价格低 所以被广泛应用于自动测试系统中 但是 使用时需要有外部电源 同时当有电流通过它时 会产生热的问题 光敏电阻的种类繁多 一般由金属的硫化物 硒化物 锡化物等组成 图9 1光敏电阻的结构及表示符号 返回课程 2 光敏电阻的主要参数和基本特性 光电流 光敏电阻在不受光照射的阻值称 暗电阻 此时流过的电流称 暗电流 光敏电阻在受光照射时的阻值称 亮电阻 此时的电流称 亮电流 而亮电流与暗电流之差即为 光电流 当然 希望暗阻愈大愈好
8、而亮阻愈小愈好 也即光电流要尽可能大 这样光敏电阻的灵敏度就高 光敏电阻的伏安特性 在光敏电阻的两端所加电压和电流的关系曲线 称为光敏电阻的伏安特性 它是一条直线 所加电压U越高 光电流I也越大 而且没有饱和现象 在给定的光照下 电阻值与外加电压无关 在给定的电压下光电流值随光照的增加而增加 光敏电阻的光照特性 光敏电阻的光电流和光强的关系曲线称光敏电阻的光照特性 由于光敏电阻的光照特性曲线是非线性的 因此不适宜做线性敏感元件 这是光敏电阻的缺点之一 光敏电阻的光谱特性 光敏电阻对于不同波长的入射光 其相对灵敏度也是不同的 只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子 空穴对 而
9、光子能量的大小与光的波长有关 光敏电阻的频率特性 在使用光敏电阻时 就应注意 它的光电流并不是随光强改变而立刻作出相应的变化 而是具有一定的惰性 这也是光敏电阻的缺点之一 光敏电阻的光谱温度特性 光敏电阻随着温度的升高 其暗阻和灵敏度都下降 同时温度变化也影响其光谱特性 9 2 2光电池 光电池是基于光生伏特效应制成的 是自发电式有源器件 光电池是把光直接转变为电能的器件 由于它广泛用于把太阳能直接变电能 因此又称为太阳电池 光电池的种类很多 有硒 氧化亚铜 硫化镉 锗 硅光电池等 其中最受重视的是硅光电池 因为它有一系列优点 性能稳定 光谱范围宽 频率特性好 传递效率高 能耐高温辐射等 以硅
10、光电池为例 光生伏特效应利用光势垒效应 光势垒效应是指在光的照射下 物体内部产生一定方向的电势 9 2光电元件 光电池的工作原理 硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的PN结 当光照射P型面时 若光子能量hy大于半导体材料的禁带宽度Eg 则在P型区每吸收一个光子便产生一个自由电子 空穴对 在表面对光子的吸收最多 激发出的电子 空穴对最多 越向内部越小 由于浓度差便形成了从表面向体内扩散的自然趋势 空穴是P型区的多数载流子 入射光所产生的空穴浓度比原有产生空穴要少得多 而入射光所产生的电子则向内部扩散 若能在它复合之前到达PN结过渡区 就相当于在结电场作用下正好
11、将电子推向N型区 这样光照射所产生的电子 空穴对 图9 2光电池的构造和表示符号 光电池的基本特性 光电池的光谱特性 相对灵敏度Kr和入射光波长 间的关系 在实际使用时应根据光源性质选择光电池 但要注意光电池的光谱峰值不仅与制造光电池的材料有关 同时也随使用温度而变 光电池的光照特性 光生电动势U与照度Ee间的特性曲线称为开路电压曲线 光电流密度Je与照度Ee间的特性曲线称为短路电流曲线 把光电池作为敏感元件时 应该把它当作电流源的形式使用 即利用短路电流与光照度成线性的特点 这是光电池的主要优点之一 光电池的频率特性 光的调制频率f和光电池对输出电流Ir的关系 硅光电池具有较高的频率响应 而
12、硒光电池较差 因此在高速计数器 有声电影以及其它方面多采用硅电池 光电池的温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压U 短路电流I随温度T变化的曲线 由于它关系到应用光电池设备的温度漂移 影响到测量精度或控制精度等主要指标 因此它是光电池的重要特性之一 9 2光电元件 9 2 3光敏晶体管 光敏晶体管是一种利用受光照时载流子增加的半导体光电元件 它与普通的晶体管一样 也具有P N结 通常 我们把有一个P N结的叫做光敏二极管 而把有两个P N结的叫做光敏三极管 光敏三极管不一定有三根引出线 有时常常只装两根引出线 光敏二极管的PN结装在管的顶部 可以直接受到光照射 光敏二极管在电路中一般
13、是处于反向工作状态 在没有光照射时反向电阻很大 反向电流很小 当光照射光敏二极管时 光子打在PN结附近 使PN结附近产生光生电子 空穴对 它们在PN结处的内电场作用下定向运动形成光电流 光的照度越大 光电流越大 因此在不受光照射时 光敏二极管处于截止状态 受光照射时 光敏二极管处于导通状态 光敏晶体管的工作原理 光敏三极管的工作原理 当光照射到PN结附近时 使PN结附近产生光生电子 空穴对 它们在PN结处于内电场作用下 作定向运动 形成光电流 因此PN结的反向电流大大增加 由于光照射发射产生的光电流相当于三极管的基极电流 所以集电极电流是光电流的 倍 因此光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度
14、 图9 3光敏二极管 图9 4光敏三极管 光敏晶体管的基本特性 光敏晶体管的光谱特性 在可见光或探测赤热状态物体时 都采用硅管 但对红外光探测时 锗管较为合适 光敏晶体管的伏安特性 光敏晶体管在不同照度Ee下的伏安特性 就象一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样 只要将入射光在发射极与基极之间的PN结附近所产生的光电流看作基极电流 就可将光敏晶体管看成一般的晶体管 光敏晶体管的光照特性 光敏晶体管的输出电流IC和照度Ee之间可近似地看作是线性关系 光敏晶体管的温度特性 它给出了温度对暗电流及输出电流的关系 温度变化对输出电流的影响较小 主要由光照度所决定 而暗电流随温度变化很大 所以在应用
15、时应在线路上采取措施进行温度补偿 光敏晶体管的时间常数 一般锗管的时间常数约为2 10 4s 而硅管的时间常数在10 5s左右 当检测系统要求快速时 往往选择硅光敏晶体管 9 2 4光电倍增管 当入射光很微弱时 一般光电管能产生的光电流就很小 在这种情况下 即使光电流能被放大 但噪声也与信号同时被放大了 因此在微弱光时 采用光电倍增管 光电倍增管中 应用了电子的二次发射 所以可使光电灵敏度大大地提高 光电倍增管的放大倍数可高达106 108 另外它的信噪比也大 比一般光电管大几百倍 在一般情况下使用 线性度也好 工作频率也可高达100MHZ左右 所以它在弱光 光度测量方面得到了广泛的应用 二次
16、电子发射 当具有几百万伏电子伏动能的电子落到物体表面上时 它将一部分能量传给该物质中的电子 使这些电子能够从物体表面逸出 由于高速电子冲击而使物体产生电子发射的现象称为二次电子发射或次级电子发射 二次电子发射数值 与材料性质 物质的表面状况 以及射入的一次电子能量和入射角等因素有关 表征二次电子发射数值的参数是二次电子发射系数 它是二次发射电子数量之比值 即 I2 I1 二次发射系数I1 一次电子数I2 二次电子数 应当指出 这里所指的二次电子数 它除包括由一次电子打击出来的二次电子外 还包括有一次电子被弹性反射 散射 回来的一次电子数及非弹性反射的一次电子数 所谓非弹性反射的一次电子 即入射的电子把部分能量传给物质以后 它本身又离开物质表面的电子 每个二次发射的电子在离开发射表面时 所具有的能量是不一样的 一般具有不超过20eV能量的电子为最多 比这个能量高的电子数目逐渐减少 由于在二次发射电子中 包含有一部分弹性散射的一次电子 它的能量仍保持接近原来入射时的动能 所以二次发射电子中还有一部分接近一次发射电子能量的电子 但高于一次发射电子能量的电子几乎是没有的 另外 二次发射系数还受
