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1、传感器技术及应用机械09,20112012第二学期 2012年3月,第8章 光电式传感器,是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件 。 以光电器件作为转换元件. 特点：非接触、响应快、性能可靠,8-1 概述,X1 表示被测量能直接引起光量变化的检测方式， X2 表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。 光，可以直接作为被检测量X1，亦可作为被测量X2的中间媒介,冲床安全保护器,光电保护响应时间20ms，光电保护工作寿命106次， 紧急制动时间200ms，,光的特性,常用光源,光电效应,外光电效应,内光电效应,光电导效应,光生伏特效应,光的 调制,波长,频率,能量,光电转换元
2、件,光源,光通路,光电阻,光电管,光电池,8-2 光源,8-2-1 对光源的要求 1、必须有足够的照度 2、应保证均匀、无遮挡或阴影 3、照射方式应符合测量方式 4、发热量尽可能小 5、必需具有合适的光谱范围,8.2-2 光的特性波长、频率、能量,一、波长 光是电磁波谱中一员，按波长划分：,波长：10纳米1毫米,电 磁 波,光波,微波,无线电波,超短波,短波,长波,中波,波长：1毫米1米,波长：1米10米,波长：10米100米,波长：100米1000米,波长：1000米,波长：10纳米,射线,电磁波波谱分布图,光波：波长为10纳米1毫米的电磁波,可见光： 波长380780 纳米 红外线： 波长
3、780纳米1毫米 近红外线： 波长3微米的,紫外线： 波长38010 纳米 近紫外线： 波长380300 纳米 远紫外线： 波长300200 纳米 极远紫外线： 波长20010 纳米,二、光波的频率：, C/ ，与波长成反比 其中：C光速， C3108m/s,300GHz30MGHz,电 磁 波,光波,微波,无线电波,超短波,短波,长波,中波,300MHz300GHz,30MHz300MHz,3MHz30MHz,300KHz3MHz,30KHz 300KHz,30MGHz,射线,三、光的能量,1、光子的能量： h h C/ ， h普朗克常数， 频率， 波长 光是由能量相同的一束粒子(光子)组成
4、， 2、 光的能量光子数光子能量 光的能量与频率成正比,8.2.3 常用光源及特性,1. 热辐射光源温度越高，光越亮 常用：白炽灯、卤素灯 发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，辐射光谱是连续；任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。,2. 气体放电光源,定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。光谱与气体的种类及放电条件有关 。 特点： 光谱是不连续的，可用作单色光源。 消耗能量仅为白炽灯1/21/3。 如涂以荧光剂，可以使气体放电发出某一范围的波长，如，照明日光灯。,3. 发光二极管（LED）,发
5、光范围：与材料有关，有可见光、红外光。 参数：峰值波长p决定发光颜色，峰的宽度（用描述）决定光的色彩纯度。 特点：其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。,*白光LED,发光原理 ：单晶型和多晶型两类 单晶型： 单色的LED发光二极管加上相应的荧光粉 单晶型通常采用两种方式： 蓝光LED发光二极管激发黄色荧光粉产生白光， 紫外光LED激发RGB三波长萤光粉来产生白光。,4. 激光器,激光的三个重要特性：高方向性、高单色性、高亮度 发光范围：波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。 激光器种类（按工作物质分）： 固体激光器、 气体激光器、 半导体激光器、 液体激
6、光器。,全固化固体激光器,大功率激光二极管 取代闪光灯泵浦 优点： （1）转换效率高； （2） 性能可靠、寿命长； （3） 输出光束质量好,8.3 光电效应及器件,光电传感器的工作原理基于光电效应。 光电效应：指物体将吸收的光能转换为该物体中某些电子的能量，而产生的电效应。 分为外光电效应和内光电效应。,8.3.1 外光电效应及器件,一、外光电效应： 在光的照射下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。 为使电子从物体表面逸出，光子的能量应大于该物体的表面逸出功A0。,超过部分的能量表现为逸出电子的动能。,光电效应产生的条件,二、红限频率与临界波长 红限频率f0：对应某一种物质
7、的光频阀值, f 0A 0/h 红限波长：对应红限频率的波长称为临界波长， 0 hC/ A0,三、基于外光电效应原理工作的光电器件,1、构成：装有光电阴极和阳极的真空玻璃管，,（一）光电管,2、工作原理: 光阴极受到适当光照射后发射电子， 电子被阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。,3、光电管的光照特性,当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。 光电管的灵敏度：光照特性曲线的斜率,（二）光电倍增管,Photo Multiplier Tube，简称PMT 入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流只有零点几A，很不容易探测。常用光电倍增管对电流进行放大。
8、1. 结构和工作原理 构成：由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的。,工作原理,利用二次电子释放效应,将光电流放大。 阳极收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍，即光电倍增管的放大倍数、光电倍增管的灵敏度 因此在很微弱的光照时，能产生很大的光电流。,2. 主要参数,（1）倍增系数M M n 二次电子发射系数；n倍增级数 阳极电流 I 为： I = i n i 光电阴极的光电流 光电倍增管的电流放大倍数= I / i =M M与所加电压有关，M在105108之间，稳定性为1左右，加速电压稳定性要在0.1以内。 一般阳极和阴极之间的电
9、压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。对所加电压越稳越好。,（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度,一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。,（3）暗电流和本底电流,即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。 如
10、果与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。,（4）光电倍增管的光照特性,对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4 lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。,光照特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。,光电倍增管产品1： 侧窗型光电倍增管（R105）,技术指标： 直径（28mm）、 九级倍增、， 硼硅玻壳、锑铯光阴极、 300650nm谱响应， 最大响
11、应波长：400nm 阴极与阳极间电压：1250Vdc 光照灵敏度： 阴极：40 A/lm 阳极：400 A/lm 阳极暗电流(最大) ：50nA,光电倍增管产品2： 端窗型光电倍增管（CR110）,技术指标： 直径（28mm）、 11级倍增、， 硼硅玻壳、锑铯光阴极、 300650nm谱响应， 最大响应波长：420nm 阴极与阳极间电压：1500Vdc 光照灵敏度： 阴极：95 A/lm 阳极：200 A/lm 阳极暗电流(最大) ：10nA,光电倍增管产品3： 高温光电倍增管 （CR162）,技术指标： 直径（28mm）、盒栅式11级倍增、， 硼硅玻壳、锑钾钠光阴极 、 耐高温铜铍倍增极 三
12、种温度可供选择：125/150/175 300650nm谱响应， 最大响应波长：42020 nm 阴极与阳极间电压：1800Vdc 光照灵敏度(最小)： 阴极：20 A/lm 阳极：8 A/lm 阳极暗电流(最大) ：10nA,光电倍增管电源,输入电压： 12V2V 输出电压： 0+1500V 输出电流： 1mA 外形：503825(mm) 重量： 100g,CPM端窗式光电倍增管,Channel Photomultipliers,CPM工作原理：,通过安装在端窗式光窗口内表面的一个半透明的光电阴，接收非常微弱的入射光，并转换成光电子。 然后光电子从阴极到阳极,穿过一个窄的半导体通道，光电子每
13、次撞击弯曲通道的内表面时，产生类似于光电倍增管的雪崩效应，发射出倍增的二次电子。 这个效应沿着整个倍增通道，发生许多次，导致雪崩效应，增益达到108。弯曲的玻璃管形状加强了倍增效应。,与传统PMT比较,尺寸紧凑，最小的端窗式探测器，包括外壳直径10.5mm，有 1/3、1/2、3/4等尺寸规格； 只需要一个3000伏的电源，无外部电压分配网络要求，,特点：,超高的阳极灵敏度，比传统PMT超过一到两个数量级，比雪崩二极管APD超过5个数量级； （在3000伏最大偏置电压下，增益达到108A/W；在2400伏时，典型增益为3x106A/W） 极低的暗电流，比传统的PMT降低了一到两个数量级，扩展了
14、动态探测范围，典型值3pA、106增益 非常高稳定的暗电流，CPM半导体内表面没有充电效应，不会产生突变脉冲电流； 非常低的等效输入噪声(低于10-17W)； 多种光电阴极窗口材料，响应光谱范围：115 n m900 n m；,典型应用：,荧光、紫外、可见、红外分光光度计，色度光度计 高精度、高效率光子探测和闪烁计数应用 荧光探测分析，荧光分光光度计 微弱光探测 精密分析仪器和生化分析、医疗仪器 生物发光和化学发光研究 环境射线剂量监测 射线和射线探测 高能物理,高压电源,高度稳定的高压电源，可调电压范围0(-)3000V， 最大输出电流为100uA， 5V工作电压， 150us门控时间， 短
15、路电流保护。,8.3.2 内光电效应及其器件,当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。 根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应（结光电效应）两类,半导体 光电器件,光敏 电阻,光电耦合器,光 电池,光电导 效应,光电 三极管,结光电效应,光电 二极管,一、 光电导效应及其器件,1、光电导效应：半导体材料受到光照时，导电性增强，阻值减低的现象。 过程： 当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，由价带越过禁带跃入导带，,使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。,
16、为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，,禁带宽度取决于材料的光导性能 一种光电导材料，总存在一个照射光波长限c，只有波长小于c 的光照射在上面，才能产生电子能级间的跃进，从而使其电导率增加。 基于光电导效应的光电器件：光敏电阻,2、光敏电阻,1）工作原理 没有极性，为纯粹的电阻器件。 光照引起的附加电导十分明显，表现出较高的灵敏度。 在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小,2）光敏电阻结构特点,电极一般采用梳状图案，减小电极间的距离以提高灵敏度,Cd S,3）光敏电阻封装,金属封装的硫化镉光敏电阻的结构 玻璃底板 半导体光导层。 金属电极与引出线，,为减小潮湿的影响，必须有严密的外壳封装,环氧树脂封装的光敏电阻,暗电阻： 0.6 M 亮电阻：510 k 100/100.5,3、光敏电阻的主要参数和基本特性,（1）暗电阻、亮电阻、光电流 暗电阻 不受光照射时的阻值，一般在兆欧量级。此时流过
