《传感器与自动检测技术 第2版 教学课件 ppt 作者 张玉莲 第5章 光电式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与自动检测技术 第2版 教学课件 ppt 作者 张玉莲 第5章 光电式传感器（119页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/7/10,1,第5章 光电式传感器,2019/7/10,2,学习目的,了解光电式传感技术的基本原理 掌握光敏二极管、光敏晶体管、光敏电阻、 光电池等光电元件的结构、特性及应用 熟悉光纤传感器、电荷耦合器件和 红外传感器的结构、特性及应用,2019/7/10,3,5.1 光电效应及光电器件 5.2 光电式传感器的测量电路 5.3 光纤传感器 5.4 电荷耦合摄影器件 5.5 红外传感器 5.6 光电式传感器的应用 本章小结 复习思考题,主要内容,返回主目录,2019/7/10,4,5.1 光电效应及光电器件,5.1.1 光电效应 光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。利用这种传
2、感器测量非电量时，只需将这些非电量的变化转换成光信号的变化，就可以将非电量的变化转换成电量的变化而进行检测。光电式传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等特点。 光具有波粒二象性，光的粒子学说认为光是由一群光子组成的，每一个光子具有一定的能量，光子的能量 ，其中 为普朗克常数， ， 为光的频率。因此，光的频率越高，光子的能量也就越大。光照射在物体上会产生一系列的物理或化学效应。例如光合效应、光热效应、光电效应等。光电传感器的理论基础就是光电效应，即光照射在某一物体上，可以看作物体受到一连串能量为 的光子所轰击，被照射物体的材料吸收了光子的能量而发生相应电效应的物理现象，根据产生电
3、效应的不同，光电效应大致可以分为三类： 外光电效应 、内光电效应 、光生伏特效应,2019/7/10,5,1、外光电效应,在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象称为外光电效应，也称光电发射效应。逸出来的电子称为光电子。外光电效应可用爱因斯坦光电方程来描述:,电子逸出物体表面时的初速度,电子质量,金属材料的逸出功（金属表面对电子的束缚）,（5-1）,光子能量,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，并为此获得1921年诺贝尔物理学奖,2019/7/10,6,爱因斯坦光电方程的含义,爱因斯坦光电方程，它揭示了光电效应的本质。根据爱因斯坦的假设：一个光子的能量
4、只能给一个电子，因此一个单个的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为 ，这些能量一部分用于克服逸出功 ，另一部分作为电子逸出时的初动能 。由于逸出功 与材料的性质有关，当材料选定后，要使金属表面有电子逸出，入射光的频率 有一最低的限度，当 小于 时，即使光通量很大，也不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限频率。当 大于 时，光通量越大，逸出的电子数目也越多，光电流也就越大。 根据外光电效应制成的光电元器件有光电管、光电倍增管、光电摄像管,2019/7/10,7,2.内光电效应,在光线作用下，使物体导电能力发生变化的现象称为内光电效应，也称光电导效应。根据内光电效应
5、制成的光电元器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光敏晶闸管等。,2019/7/10,8,3.光生伏特效应,在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元器件是光电池。,2019/7/10,9,5.1.2 光电管、光电倍增管,1.光电管 光电管的外形如图5-1所示，光电阴极K和光电阳极A封装在真空玻璃管内。当入射光线穿过光窗照到光电阴极上时，光子的能量传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，就有可能克服金属表面对电子的束缚（逸出功）而逸出金属表面形成电子发射，这种电子称为光电子。,图5-1光电管,当光电管阳极加上适当电压（数十伏）时，从阴极表面逸
6、出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称为光电流。光电流正比于光电子数，而光电子数又正比于光通量。如果在外电路中串入一只适当阻值的电阻，则电路中的电流便转换为电阻上的电压。这电流或电压的变化与光成一定函数关系，从而实现了光电转换。,2019/7/10,10,2.光电倍增管,光电管的灵敏度较低，在微光测量中通常采用光电倍增管。光电倍增管由真空管壳内的光电阴极、阳极以及位于其间的若干个倍增电极构成。工作时在各电极之间加上规定的电压。当光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子，光电子在电场的作用下加速逐级轰击发射倍增电极，在末级倍增电极形成数量为光电子的 倍的次级电子。众多的次级电子最后为
7、阳极收集，在阳极电路中产生可观的输出电流。,如图5-2所示。通常光电倍增管的灵敏度比光电管要高出几万倍，在微光下就可产生较大的电流。例如，可用来探测高能射线产生的辉光等，由于光电倍增管有如此高的灵敏度，因此使用时应注意避免强光照射而损坏光电阴极。但由于光电倍增管是玻璃真空器件，体积大、易破碎，工作电压高达上千伏，所以目前已逐渐被新型半导体光敏元件所取代。,图5-2光电倍增管,2019/7/10,11,2019/7/10,12,5.1.3 光敏电阻,光敏电阻是一种利用内光电效应（光导效应）制成的光电元件。它具有精度高、体积小、性能稳定、价格低等特点，所以被广泛应用在自动化技术中作为开关式光电信号
8、传感元件。,2019/7/10,13,1.光敏电阻的结构与材料,光敏电阻由一块两边带有金属电极的光电半导体组成，电极和半导体之间呈欧姆接触，使用时在它的两电极上施加直流或交流工作电压，如图5-3所示。在无光照射时，光敏电阻 呈高阻，回路中仅有微弱的电流（称为暗电流）通过。在有光照射时，光敏材料吸收光能，使电阻率变小， 呈低阻态，从而在回路中有较强的电流（称为亮电流）通过。光照越强，阻值越小，亮电流越大。如果将该亮电流取出，经放大后即可作为其他电路的控制电流。当光照射停止时，光敏电阻又逐渐恢复原有的高阻状态。,图5-3 光敏电阻工作原理,2019/7/10,14,制作光敏电阻的材料种类很多，如金
9、属的硫化物、硒化物和锑化物等半导体材料。目前生产的光敏电阻主要是硫化镉，为提高其光灵敏度，在硫化镉中再掺入铜、银等杂质。结构如图5-4 所示。通常采用涂敷、喷涂等方法在陶瓷基片上涂上栅状光导电体膜（硫化镉多晶体）经烧结而成。为防止受潮，采用两种封闭方法： 金属外壳，顶部有透明玻璃窗口的密封结构； 没有外壳，但在其表面涂上一层防潮树脂。,图5-4 光敏电阻结构图,2019/7/10,15,光敏电阻,当光敏电阻受到光照时电阻较小,2019/7/10,16,光敏电阻,d）常见光敏电阻外形 图5- 4 光敏电阻的结构图、图形符号及外形图,2019/7/10,17,2.光敏电阻的主要参数,（1）暗电阻：
10、光敏电阻置于室温、全暗条件下，经一段时间稳定后测得的阻值称为暗电阻。这时在给定的工作电压下测得的电流称为暗电流。 （2）亮电阻：光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻。这时在给定工作电压下测得的电流称为亮电流。 （3）光电流：亮电流和暗电流之间的差称为光电流 。 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小，则性能越好，也就是说，暗电流要小，光电流要大，这样的光敏电阻的灵敏度就高。实际上，大多数光敏电阻的暗电阻往往超过 ，甚至高达 ，而亮电阻即使在正常白昼条件下也可降到 以下，可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。,2019/7/10,18,3.光敏电阻的主要特性,（1）光照特性：是指光敏
11、电阻的光电流I与光通量的关系。不同的光敏电阻，其光照特性不同，但多数光敏电阻的光照特性，为如图5-5所示曲线形状。由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不能用于光的精密测量，只能用作开关式的光电转换器。,图5-5光敏电阻的光照特性曲线,2019/7/10,19,（2）光谱特性,指光敏电阻对于不同波长 的入射光，其相对灵敏度K不同的特性。各种不同材料的光谱特性曲线如图5-6所示。从图中可以看出，不同材料的峰值所对应的光的波长是不一样的，因此，在选用光敏电阻时，应考虑光源的发光波长与光敏电阻的光谱特性峰值的波长相接近，这样才能获得高的灵敏度。,图5-6光敏电阻的光谱特性曲线,2019/7/10,20
12、,（3）伏安特性,表示光敏电阻两端所加电压与流过光敏电阻的电流之间的关系。如图5-7所示，光敏电阻的伏安特性为线性关系，且不同照度，其斜率也不同。同普通电阻一样，光敏电阻也有最大功率，超过额定功率将会导致光敏电阻永久性的损坏。,图5-7光敏电阻的伏安特性,2019/7/10,21,（4）响应时间,指光敏电阻中的光电流的变化滞后于光的变化的时间，即光敏电阻突然感受光照时，光电流并不是立刻上升到其稳定数值，且当光突然消失时光电流也不会立刻下降到零，这说明光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。尽管不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，但都存在着这种时延特性，因此，光敏电阻不能用在要求快速响应
13、的场合。,2019/7/10,22,（5）温度特性,指光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度的影响较大，随着温度的升高，它的暗电阻与灵敏度都下降的特性。,2019/7/10,23,5.1.4 光敏二极管、光敏晶体管,1.工作原理 光敏二极管、光敏晶体管的工作原理基于内光电效应。 光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件，但在结构上有其特殊的地方。光敏二极管在电路中的符号如图5-8 所示。光敏二极管的PN结装在透明管壳的顶部，可以直接受到光的照射。使用时要反向接入电路中，即P极接电源负极，N极接电源正极。无光照时，与普通二极管一样，反向电阻很大，电路中仅有很小的反向饱和漏电流
14、，称暗电流。当有光照射时，PN结受到光子的轰击，激发形成光生电子空穴对，因此在反向电压作用下，反向电流大大增加，形成光电流。光照越强，光电流越大，即反向偏置的PN结受光照控制。,图5-8光敏二极管,2019/7/10,24,2019/7/10,25,光敏二极管外形,光敏二极管阵列,2019/7/10,26,光敏晶体管,光敏晶体管和普通晶体管的结构相类似。不同之处是光敏晶体管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏晶体管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通晶体管。其结构及符号如图5-9所示。 当入射光子在基区及集电区被吸收而产生电子一空穴对时，
15、便形成光电流。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 倍的电流信号。光敏晶体管结构同普通晶体管一样，有PNP型和NPN型。在电路中，同普通晶体管的放大状态一样，集电结反偏，发射结正偏。反偏的集电结受光照控制，因而在集电极上则产生 倍的光电流，所以光敏晶体管比光敏二极管有着更高的灵敏度。,图5-9光敏晶体管,2019/7/10,27,光敏晶体管外形,2019/7/10,28,2. 基本特性,（1）光照特性：从图5-10的光敏二极管和光敏晶体管的光照特性可以看出，光敏二极管的光电流与光照度成线性关系。而光敏晶体管光照特性的线性没有二极管的好，而且在照度小时，光电流随照
16、度的增加而增加得较小，即其起始要慢。当光照足够大时，输出电流又有饱和现象（图中未画出），这是由于晶体管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。光敏晶体管的曲线斜率大，其灵敏度要高。,图5-10光敏晶体管光照特性,2019/7/10,29,（2）光谱特性,光敏二极管的光谱特性如图5-11所示。光敏二极管在入射光照度一定时，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感，这就是它的光谱特性。 由曲线可以看出，不管是硅管或锗管，当入射光波长增加时，相对灵敏度都下降。从曲线还可以看出，不同材料的光敏二极管，其光谱响应峰值波长也不同。硅管的峰值波长为0.8 左右，锗管的为1.4 ，由此可以确定光源与光电器件的最佳匹配。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管性能较差。故在探测可见光或赤热物体时，都用硅管；但对红外光进行探测，采
