光电式传感器原理课件

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1、第10章 光电式传感器10.1 光电式传感器的工作原理及基本组成10.2 光电式传感器中的敏感元件10.3 光电式传感器的类型及设计10.4 光电式传感器的应用光电式传感器是利用光电器件把光信号 转换成电信号的装置，光电式传感器工作 时，先将被测量转换为光量的变化，然后 通过光电器件再把光量的变化转换为相应 的电量变化，从而实现非电量的测量。其 核心（敏感元件）是光电器件，基础是光 电效应。光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学 量的其它被测量，然后输出电信号。 测测量光学量时时，光电电器件是作为为敏感元件使用；而测测量 其它物理量时时，它作为变换为变换 元件使用。光电式传感器由光

2、路及电路两大部分组成，光路部分实现 被测信号对光量的控制和调制，电路部分完成从光信号到电信 号的转换。 10.1 光电式传感器的工作原理及基本组成常用的光电转换电转换 元件有真空光电电管、充气 光电电管、光电电倍增管、光敏电电阻、光电电池、光 电电二极管及光敏三极管等，它们们的作用是检测检测 照射其上的光通量。选选用何种形式的光电转换电转换 元件取决于被测测参数所需的灵敏度、响应应的速 度、光源的特性及测测量环环境和条件等。10.2光电式传感器中的敏感元件当光照射在某些物体上时时，光能量作用于实实 测测物而释释放出电电子，这这种现现象称为为光电电效应应，所 放出的电电子叫光电电子。光电电效应应

3、一般分为为外光电电 效应应和内光电电效应应两大类类。根据这这些效应应可以做 出相应应的光电转换电转换 元件，简简称光电电元件或光敏器 件。光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量 传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得 足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面 而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。爱因斯坦的光子假设：光子是具有能量的粒子，每一光子 的能量:h普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）不同频率的光子，具有不同的能量。 10.2.1 外光电效应型光电器件E=h根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子

4、从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该 物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。 外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属 释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理 该方程称为爱因斯坦光电效应方程。式中 m电子质量；v0电子逸出速度； A 表面电子逸出功不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对 应的极限频率，称为红限频率（），相应的极限波长称 为阈波长（）。光线频率低于红限频率，光子能量不足 以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强 再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频 率（波长小于阈波长），即使光线微弱，也会有光电子

5、射出 。从光子假设设中可看到: 某一金属（或某一物质）产生光电效应时，有一定的光 频阈值存在。光电子初动能决定于光的频率，而和入射光的强度无关。一个光子的全部能量是一次被一个电子所吸收，无需 积累能量的时间.利用物质质在光的照射下发发射电电子的外光电电效应应而制 成的光电电器件，一般都是真空的或充气的光电电器件，如光 电电管和光电电倍增管。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光电 效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子 产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止 电压与入射光的频率成正比。左图为光电发射检测装置，右图为测出的光电流随光强 的变化曲线，可

6、以看出：在足够的外加电压下，当入射光的 频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大 ，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。1.光电管及其基本特性(1)结构与工作原理 光电电管有真空光电电管和充气光电电管或称电电子光电电管和 离子光电电管两类类。两者结结构相似，如图图所示。它们们由一个 阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴 极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发电发 射材料。阳极通常 用金属丝丝弯曲成矩形或圆圆形，置于玻璃管的中央。当光照 在阴极上时时，中央阳极可收集从阴极上逸出的电电子，在外 电场电场 作用下形成电电流I。充气光电管管壳内充有低压惰性气体（通常是氩

7、气和氖气 ），由于气体被电离而形成的电子倍增效应，使到达阳极 的电子数目比真空光电管大10倍左右。与真空光电管相比 ，灵敏度高，但稳定性和频率特性差。(2)主要性能 1)光电管的伏安特性 在一定的光照射下，对光电器件的阳极所加电压与阳极所产生 的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。它是应用光电传感器 参数的主要依据。图（a）中，同一光强下，在020V范围内，阳极电压增大，光 电子到达阳极的数目也增大，阳极电流急剧增大，当阳极电压大 于20V后，随着电压的增大，电流几乎不变，这部分称为饱和区 。 另外，随着光强的增加，光电流增大，即光电流与光强成正比。图（a）真空光电管图（b）充气光电管2)光电

8、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。其特性曲线如下图所 示。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比 ）称为光电管的灵敏度。氧铯阴极光电管锑铯阴极光电管3)光电管的光谱特性由于光阴极对对光谱谱有选择选择 性，因此光电电管对对光谱谱也 有选择选择 性。保持光通量和阴极电压电压 不变变，阳极电电流与光 波长长之间间的关系叫光电电管的光谱谱特性。一般对对于光电电阴极材料不同的光电电管，它们们有不同 的红红限频频率n0，因此它们们可用于不同的光谱谱范围围。除此 之外，即使照射在阴极上的入射光的频频率高于红红限频频率 n0，并且强度相同

9、，随着入射光频频率的不同，阴极发发射的 光电电子的数量也会不同，即同一光电电管对对于不同频频率的 光的灵敏度不同，这这就是光电电管的光谱谱特性。所以，对对 各种不同波长长区域的光，应选应选 用不同材料的光电电阴极。国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红 限0=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效 率：25%30%。它适用于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构 成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外 ，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为30008500，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光

10、电阴极； 但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异， 因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜 任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。2.光电倍增管及其基本特性1）结结构与工作原理 当入射光很微弱时时，普通光电电管产产生的光电电流很小， 只有零点几个微安，很不容易探测测，这时这时 常用光电电倍增管 对电对电 流进进行放大，下图图是光电电倍增管的外形和工作原理图图 。光电倍增管由光阴极、倍增电极以及阳极三部分组成。光 阴极是由半导体光电材料锑铯做成。次阴极是在镍或钢铍 的衬底上涂上锑铯

11、材料而形成的。阳极是最后用来收集电子 的。在玻璃管4内由光电阴极1（K）、若干个倍增极2(Dn, n=414）和阳极3（A）三部分组成。由一定材料制成的光 电阴极K受入射光照射时,可发射出光电子,形成光电流i。 因倍增极和阳极上加有一定的电位（图中经分压电阻获得）, 光电阴极发射的光电子被第一倍增极D1的正电压所加速,而轰 击第一倍增极D1,打击出二次电子；同样,二次电子又 被第二倍增极D2的正 电压所加速,而轰击第 二倍增极D2,打击出更 多的二次电子。依次 下去,最后全部二次电 子被带正电位的阳极 A所收集,形成光电流i 。如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子,这 个电子将被第一

12、倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极。 设这时第一倍增极有个二次电子发出,这个电子又轰击第 二倍增极。而其产生的二次电子又增加倍。经过n个倍增极 后,原先一个电子将变为n个电子。这些电子最后被阳极所收 集而在光电阴极与阳极之间形成电流i,则i=in 式中： n为二次发射极数；为二次电子发射系数。故输 出电压 Usc=iR= in R光电倍增管的优点是放大倍数很高,可达106, 线性好,频率 特性好；缺点是体积大,需数百伏至1 kV的直流电压供电。 光电倍增管一般用于微弱光输入、要求反映速度很快的场合 。 2）主要参数 （1）倍增系数M 倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射系数i 的乘积 。如

13、果n个倍增电极的i都一样，则阳极电流I为（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阴 极的灵敏度。入射一个光子在阴极上，最后在阳极上能收集 到的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的电流放大倍数 为 （3）暗电流 一般在使用光电电倍增管时时，必须须把管放在暗室里 避光使用，使其只对对入射光起作用。但是，由于环环境 温度、热辐热辐 射和其它因素的影响，即使没有光信号输输 入，加上电压电压 后阳极仍有电电流，这这种电电流称为为暗电电流 。暗电电流主要是热电热电 子发发射引起，它随温度增加而增 加。不过过暗电电流通常可以用补偿电补偿电 路加以消除。

14、（4）光电电倍增管的光谱谱特性 光电电倍增管的光谱谱特性与相同材料的光电电管的光 谱谱特性很相似。内光电效应是指某些半导体材料在入射光能量的激发下 产生电子空穴对，致使材料电性能改变的现象。 这种效应可分为因光照引起半导体电阻值变化的光导 效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种。 基于光导效应的光电器件有光敏电阻；基于光生伏特效 应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管、光电位 置敏感器件（PSD）。10.2.2 内光电效应型光电器件光导效应原理：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，并使其由价带越过禁 带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带

15、内的空穴浓 度增加，从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料 ，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于0的光照射在 光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体 的电导率增加。电导率的变化体现了电阻率的变化。式中、分别为入射光的频率和波长。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，即光生伏特效应原理在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫 做光生伏特效应。 p 势垒效应（结光电效应）。接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便 引起光电动势，这就是结光电

16、效应。以PN结为例，主要光电转换过程如下:当用光子能量 hEg（ Eg为禁带宽度）的入射光照射半导体PN结时,半导 体内的电子吸收能量,可激发出电子空穴对。这些非平衡 载流子如果运动到PN结附近,就会在PN结内建电场E内的作用 下分离。电子逆着E内的方向向N区运动,而空穴沿着E内的方 向向P区移动,如图(a)所示。结果在N区边界积累了电子,在P 区边界积累了空穴,如图(b)所示。这样就产生了一个与平衡态 PN结内建场方向(由N区指向P区)相反的光生电场(由P区指向 N区),即在P区与N区间建立了光生电动势。这样就把光能转 化成了电能。若在两极间接上负载,则会有光生电流通过负载。 PN结的两个重要参数:短路电流Isc：光照下的PN结，外电路短路时，从P端流出，经过外 电路，从N端流入的电流称为短路电流I