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1、第7章 光电式传感器,光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领域中。,7.1 光电效应及器件,根据爱因斯坦的光子假说：光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光于。每一个光子具有一定的能量其大小等于普朗克常数h乘以光的频率。所以不同频率的光子具有不同的能量。光的频率越高，其光子能量就越大。当具有一定能量的光子作用到某些物体上转化为该物体中一些电子的能量而产生电效应，这种现象称
2、为光电效应。 光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏特效应三类。后两类又称为内光电效应，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(或称光敏元件)。,是无源传感器,一、外光电效应 光线照射在某些物体上，而使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电子发射，逸出的电子称为光电子。 光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体。根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能传递给一个电子，因此单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电子。使自由电子的能量增加h。这些能量一部分用作电子逸出物体表面的逸出功A，另一部分变电子的初动能。即,1当光子能且大于选出功时，才会有光电广发射出来，才
3、会产生外光电效应；当光了能量小于逸出功时，不能产生外光电效应；当光子的能量恰好等于逸出功时，光电子的初速度0，可以产生此光电子的单色光频率为0，则。式中0为该物质产生光电效应的最低频率，称其为红限频率。显然，如果入射光的频率低与于红限频率，不论入射光的强度有多大，也不会使物质发射光电子。而对于高于红限频率入射光，即使是光线很弱也会产生光电子。 2当入射光的频谱成分不变时，光电流与入射光的强度成正比。 3由于电子逸出时具有一定的初动能可以形成光电流，为使光电流为零需加反向电压才能使其截止。,二、外光电效应的器件 1光电管及其结构 根据外光电效应制成的光电管类型很多，最典型的是真空光电管。也有充气
4、光电管，但由于线性不好在传感器中用得较少。真空光电管的结构如图所示，它由一个阴极K和一个阳极A构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴极K和电源负极相联，一个阳极A 通过负载电阻同电源正极相接，因此管内形成电场。当光照射阴极时、电子便从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成电流I，该电流及负载R L上的电压将随光照强弱而变化，从而实现了光信号转换为电传号的目的。,3光电倍增管 当入射光很微弱时，光电管产生的光电流很小，不易检测，这时常用光电倍增管对光电流放大以提高灵敏度。如图7-5所示。在光电管的阴极与阳极之间安装若干个倍增极D1、D2、Dn，就构成了光电倍增管。 光电倍增管的工作原理建立在光电发
5、射和二次发射的基础之上。工作时倍增极电位是逐级增高的，当入射光照射光电阴极K时，立刻有电子逸出，选出的电子受到第一倍增极D1正电位作用，使之加速打在D1倍增极上，产,生二次电子发射。同理D1发射的电子在D2更高正电位作用下，再次被加速打在D2极上，D2又会产生二次电子发射，这样逐级前进，直到电子被阳极A收集为止。通常光电倍增管的阳极与阴极间的电压为10002500V，两个相邻倍增电极的电位差为50100V，其灵敏度比普通真空光电管高几万到几百万倍，因此在很微弱的光照下也能产生很大的光电流。,三、光电导效应和光生伏特效应 物体受光照射后，其内部的原子释放出电子并不逸出物体表面，而仍留在内部，使物
6、体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。前者称为光电导效应，后者称为光生伏打效应。半导体材料在光线作用下电导率增加的现象就是光电导效应。 1光敏电阻 光敏电阻是一种用光电导材料制成的没有极性的光电元件，也称光导管。它基于半导体光电导效应工作。由于光敏电阻没有极性，工作时可加直流偏压或交流电压。当无光照时，光敏电阻的阻值(暗电阻)很大。,电路中电流很小。当它受到一定波长范围的光照射时，其阻值(亮电阻)急剧减小，电路中电流迅速增加，用电流表可以测量出电流。根据电流值的变化，即可推算出照射光强的大小。 暗电阻、亮电阻 光敏电阻未受光照时的阻值称为暗电阻，受强光照射时的阻值称为亮电阻。暗
7、电阻越大亮电阻越小灵敏度越高。, 光敏电阻的伏安特性 如下图所示。在一定光照下，所加的电压越高，电流越大；在一定的电压作用下，入射光的照度越强，电流越大，但并不一定是线性关系。 光敏电阻的光谱特性 对于不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。 光敏电阻的响应时间和（调制）频率特性 光电器件的响应时间反映它的动态特性。响应时间越短，表示动态特性越好。对于采用调制光的光电器件，调制频率的上限受相应时间的限制。光敏电阻的响应时间一般为10-110-3s,光敏二极管的响应时间约210-5s。, 光敏电阻的温度特性 随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降
8、，温度的变化也会影响光谱特性曲线。硫化铅光敏电阻等光电器件随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动，所以红外探测器往往采取制冷措施。,2光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管 半导体光敏二极管与普通二极管相比，有许多共同之处，它们都有一个PN结，均属单向导电性的非线性元件。光敏二极管一般在负偏压情况下使用，它的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。 光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大,，反向电流(暗电流)很小(处于载止状态)。受光照射时，结区产生电子 空穴对，在结电场的作用下，电子向N区运动、空穴向P区运动而形成光电流,光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系。,光敏三极管的结构与原
9、理 光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管。在正常工作情况下，此二极管应反向偏置。因此，不管是P-N-P还是N-P-N型光敏三极管，一般用基极 集电极结作为受光结。当集电极加上相对于发射极为正电压且基极开路时，基极 集电极结处于反向偏压下，它的工作机理完全与反偏压的光敏二极管相同。这里，入射光子在基区及收集区被吸收而产生电子 空穴对，形成光生电压。由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。因此，从这点可以更明确地说，光敏三极管是一种相当于将基极集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。,光敏三极管的光谱特性 与光敏电阻类
10、似，光敏三极管也存在最佳灵敏度的峰值波长。硅管的峰值波长约为900nm，锗管的峰值波长约为1500nm。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都选用硅管；但对红外线进行探测时，则采用锗管较合适。,光敏三极管的伏安特性 光敏三极管在不同的照度下的伏安特性与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性类似。因此，只要将入射的强度看作是三极管的基极电流ib，就可将光敏三极管看成一般的晶体管。光敏三极管不仅能把光信号变成电信号、而且输山的电信号较大。,光敏三极管的光照特性 光敏三极管的光照特性如右图所示。它给出了光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。它们之间呈近
11、似线性关系。当光照足够大(几千勒克斯)时，会出现饱和现象。因而在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。,光敏三极管的温度特性 温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从曲线看，温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。所以精密测量时，电子线路中应采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。,光敏三极管的（调制）频率特性 光敏三极管的频率特性曲线如下图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说。光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5000Hz以下，硅管的频率响应要比锗管好。实验证
12、明，光敏三极管的截止频率和它的基区厚度成反比关系。如果要求截比频率高，那么基区就要薄；但基区变薄，光电灵敏度将降低，在制造时要适当兼顾两者。,4. 光电池 光电池是根据光生伏特效应制成的将光能直接转变成电能的一种器件。其种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因转换效率低已很少使用。 目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。晒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。硅光电池与其它半导体光电池相比，不仅性能稳定，还是目前转换效率最高(达到17)的几乎接近理论极限的一种光电池。此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池等。薄膜光电池是把硫化镉等材料制成薄膜结
13、构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本。紫光电池是把硅光电池的PN结减薄至结深为0.20.3m，光谱响应峰值移到600nm左右，来提高短波响应，以适应外层空间使用。 异质结光电池利用不同禁带宽度的半导体材料做成异质PN结，入射光几乎全透过宽禁带材料一侧，而在结区窄禁带材料中被吸收，产生电子 空穴对。利用这种“窗口”效应提高入射光的收集效率，以获得高于同质结硅光电池的转换效率，理论上最大可达30，但目前因工艺尚未成熟，转换效率仍低于硅光电池。,光电池核心部分是一个PN结，一般做成面积较大的薄片状，来接收更多的入射光。左下图所示的是硒光电池的结构。制造工艺是：先在铝片上覆盖一层P型
14、硒，然后蒸发一层镉，加热后生成N型硒化镉，与原来P型硒形成一个大面积PN结，最后涂上半透明保护层，焊上电极，铝片为正极，硒化锦为镉极。 硅光电池是用单晶硅组成的（目前也有非晶硅的产品）。在一块N型硅片上扩散P型杂质(如硼)，形成一个扩散PN（P+N）结；或在P型硅片扩散N型杂质(如磷)，形成N+P的PN结，然后焊上两个电极。P端为光电池正极，N端为负极，一般在地面上应用作光电探测器的多为P+N型。如国产2CR型。N+P型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，可作为航天的太阳能电池，如国产2DR型。,(1) 光电池的光谱特性 硒光电池和硅光电他的光谱特性曲线如下图所示。从曲线上可以看出，不
15、同的光电池，光谱峰值的位置不同。例如硅光电池在800nm附近，硒光电池在540nm附近。硅光电池的光谱范围广，在4501100nm之间，硒光电池的光谱范围在340750nm之间。因此硒光电池适用于可见光，常用于照度计测定光的强度。,(2) 光电池的光照持性 光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。从曲线可以看出，短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此把光电池作为测量元件时，应把它当做电流源的形式来使用，不宜用作电压源。,(3) 光电池的频率特性 光电池在作为测量、计数、接收元件时，常用交变光照射。光电池的
16、频率特性就是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系，硅光电池有很高的频率响应，可用在高速计数、有声电影等方面。这是硅光电池在所有光电元件中最为突出的优点。 (4) 光电池的温度特性 光电他的温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。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。开路电压随温度升高而下降，而短路电流随温度升高而增加。因此当光电池作测量元件时，在设计中应该考虑到温度的漂移，采取相应的措施来进行补偿。,光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的敏感范围。此外，光电传感器的体积很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，几乎可以到处使用。最后，随着技术的不断发展，光电传感器在价钱方面可以同用其他技术制造的传感器竞争。7.2 光电传感器的类型 这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化，因此，输出的光电流也是连续变化的，并与被测量呈确定的函数关系，这类传感器
