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1、第六章第六章 光电型传感器光电型传感器 第一节第一节 外光电效应外光电效应第二节第二节 光电管特性光电管特性 第三节第三节 光电倍增管光电倍增管 第四节第四节 光敏电阻光敏电阻 第五节第五节 光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管第六节第六节 光光电电型型传传感器感器应应用用 第七节第七节 光电型传感器综合训练光电型传感器综合训练 光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。用这种传感器测量其它非电量（如转速、浊度）时，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。测量方法具有：结构简单、精度高、反应快、非接触等优点。 对光的认识，最早是有争议的。牛顿论文之中提出，光
2、的本质是微粒的，光是由许多球形微粒组成，微粒以高速作直线运动。当时的争议：法国的笛卡尔假说“微粒说”，但不以实验为根据，而是假说；英国胡克和荷兰的惠更斯“波动说”，宇宙间的物体内存在着一种看不见、摸不着的“以太”物质，把光与声音类比，认为光是一种机械波，发光体在“以太”（不存在）中激起不同深度和大小的颤动，依靠“以太”传播。牛顿偏向微粒，但他认为实验不充分，一直在做实验，牛顿环现象是光具有波动性的最好证明。一直到20世纪初，科学家已肯定光的波粒二象性。第一节第一节 外光电效应外光电效应 光的波粒二象性，光具有波动性和离子性的两重性质，是一种电磁波。光是由一定能量的粒子（光子）所形成，每个光子具
3、有的能量h正比于光的频率（h为普朗克常数）。用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为h的光子所轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称光电效应。 光电效应分为三类：在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称外光电效应。 例如：光电管、光电倍增管。在光电作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。 例如：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管。 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。 例如：光电池。一、光电管光电管 光电管结构如图6-1所示。金属阳极封装在一个玻璃壳内，当入射光照射在阴极上时，光子的能量传递给阴极表面的电子，当电子获得的能
4、量足够大时，就有可能克服金属表面对电子的束缚（称逸出功）而逸出金属表面形成电子发射。电子逸出金属表面的初速度由能量守恒定律得出 m= h-A 爱因斯坦光电方程。它揭示了光电效应之本质。根据光子假设，入射光的强度S的表达式： S=Nh。其中：N单位时间内通过单位垂直面积的频率的单色光的光电子数。由光电效应方程式可得出：照射在物体上的光线（入射光）通常不是单色光，而是含有多种频率的光。光电子逸出物体表面时具有出速度。当入射光频率 大于该金属极限频率（红限）时，光强度再弱也能发射电子；当入射光频率小于 时，光强度再大也不能发射电子。二、光电管工作原理光电管工作原理 由于逸出功与材料的性质有关，当材料
5、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h小于A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。当h大于A时光通量越大，逸出的电子数目也越多，光电流I就越大。 光电管的阴极和阳极分别接电源的负极和正极。没有光照射时，因光电管光阴极不发射电子，电路不通；有光照射时，光电阴极发射的光电子，在阳极高电位作用下形成光电流，可以在电阻R上取出与光电流成正比的信号电压。让光（被测）照射在光电管的阴极上，可通过测量电路中光电流（或R上的电压）的大小，来测量光电阴极发射的光电子数量。由这个数量在找出被测光强的大小。如图62所示。 第二节第二节 光电管特性光电管特性 单
6、色入射光的波长与绝对灵敏度的关系。如图63所示。 光电阴极对光谱有选择性，保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系二、光电管伏安特性光电管伏安特性 当入射光的频谱及光通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系称做伏安特性。如图64所示。 当阳极电压较小时，只有一部分到达阳极，其余受光子在真空中运动时所形成的负电场作用，回到阴极。随阳极电压的增大，光电流也增大。当阴极发射电子全部到阳极时，阳极电流很稳定，达到饱和三、光电管光电特性光电管光电特性 当阳极电压一定时，阳极电流I与入射在光电阴极上的光通量之间的关系。在阳极电压足够大时，使光电管工作在饱和电流条件下，光电管正常的光电特性是条直
7、线。如图65所示。用金属做阴极基底的光电管的光电特性线性度好。对于玻璃壳上覆盖锑铯阴极的光电管，当入射光太大时，会出现非线性。第三节 光电倍增管光电倍增管 当用光电管测量很微弱的入射光时，产生的光电流很小（小于几微安）不易检测，误差很大。在光电管的阴极与阳极之间安装若干个倍增极D1、D2、D3，构成光电倍增管。光电倍增管具有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。如图66所示。 从图66可看出，光电倍增管也有一个阴极K，一个阳极A。与光电管不同的是，在它的阴极和阳极之间设置许多次发射电极D1、D2、D3，它们又称为第一倍增极、第二倍增极，相邻的电极间通常加上100伏左
8、右的电压，其电位逐级升高，阴极电位最低，阳极电位最高，两者之差一般在（6001200）V左右。一、光电倍增管工作原理光电倍增管工作原理 当微光照射阴极K时，从阴极K上逸出的光电子被第一倍增极D1所加速，以高速轰击D1,入射光电子的能量传递给D1表面的电子，使它们由D1表面逸出，这些电子称为二次电子，一个入射光电子可以产生多个二次电子。D1发射出来的二次电子被D1、D2间的电场加速，射向D2, 并再次产生二次电子发射，得到更多的二次电子，这样逐级前进，一直到最后到达阳极A为止。若每级的二次电子发射倍增率为，共有n级（通常可达911级），则光电倍增阳极得到的光电流比普通光电管大n倍，因此，光电倍增
9、管灵敏度极高。 二、光电倍增管伏安特性光电倍增管伏安特性光电倍增管的伏安特性也叫阳极特性，是指阳极与各倍增极之间电压保持恒定的条件下，阳极电流（光电流）IA与最后倍增极和阳极电压UAD的关系。典型光电倍增管伏安特性如图67所示，它是不同光通量下的一组曲线族。象光电管一样，光电倍增管的伏安特性曲线也有饱和区。照射在光电阴极上的光通量越大，饱和阳极电压越大。当阳极电压非常大时，由于阳极电位A过高，使倒数第二级倍增极发出的电子直接奔向阳极，造成最后一级倍增极的入射电子数减少，影响了光电倍增管的倍增系数。因此，伏安特性曲线过饱和区段后略有下降。 三、光电倍增管光电特性光电倍增管光电特性 光电倍增管光电
10、特性是指阳极电流（光电流）IA与光电阴极接收到的光通量之间的关系。典型光电倍增管的光电特性如图68所示。图中光通量在10-410-13流明之间，光电特性曲线偏离线性不超过3%。当光通量超过10-4流明后，曲线就明显下降了，其主要原因是强光照射下，较大的光电流使后几级倍增极疲劳，灵敏度下降。因此，使用时光电流不要超过1mA。四、光电倍增管的倍增系数与工作电压的关系光电倍增管的倍增系数与工作电压的关系 若倍增极的二次电子发射系数为，则具有n个同样倍增极的光电倍增管的倍增系数应该为n.实际上，各倍增极的二次电子发射系数不完全相同，再加上一次电子的散射现象，光电倍增管的倍增系数M=Cn,其中C为收集系
11、数，它反映倍增极收集电子的效率。对一个有11倍增极的光电倍增管，它的倍增系数M大约为106（百万）数量级，故光电倍增管的灵敏度极高。例如，光电管测量流明光通量时，产生的光电流仅为5微安，而光电倍增管在测量流明光通量时，所产生的光电流竟达1000微安。光电倍增管的工作电压是指收集阳极A与光电阴极K之间的电压。光电倍增管倍增系数与工作电压的关系是光电倍增管的重要特性。图69是典型的光电倍增管倍增系数与工作电压的关系曲线，说明随着工作电压的增加，倍增系数M也增加。 第四节第四节 光敏电阻光敏电阻物体受光照射后，其内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象
12、称为内光电效应。 一、光敏电阻结构原理一、光敏电阻结构原理 结构：在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。如图6-10所示。 原理：当光敏电阻受到光照时，若光子能量h大于该半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子能量后跃迁到导带，就产生一个电子空穴对，使电阻率变小。光照愈强，阻值愈低。入射光消失，电子空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值。当无光照射时，由于光敏电阻的阻值太大使电路中电流很小；当有适当波长范围内的光线照射时，因阻值变小，电路中电流也就增加，根据电流表测出的电流值的变化，即可推算出照射光强的大小。二、光敏
13、电阻的暗、亮电阻二、光敏电阻的暗、亮电阻 暗电阻（1100兆）：置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，此时，流过电阻的电流称为暗电流。亮电阻（4兆）：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，此时，流过电阻的电流称为亮电流 三、光敏电阻的光电特性三、光敏电阻的光电特性 在光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与（光）亮电流间的关系（非线性）。如图611所示。 四、光敏电阻的伏安特性四、光敏电阻的伏安特性 光敏电阻两端所加电压和流过光敏电阻的电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性，如图612所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功
14、耗区。 第五节第五节 光敏二极管、光敏三极管、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管光敏晶闸管 光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管统称为光敏晶体管，他们的工作原理是基于内光电效应。光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差。而光敏晶闸管主要用于光控开关电路 一、光敏二极管结构及工作原理一、光敏二极管结构及工作原理 光敏二极管结构与一般二极管不同之处在于它的PN结装在透明管壳的顶部，可以直接受到光的照射。图613（a）是其结构示意图，它在电路中处于反向偏置状态，如图613（b）所示。在没有光照射时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层
15、）上时，在PN结附近产生电子空穴对，并在外电场的作用下，漂移越过PN结，产生光电流。入射光的照度增强，光产生的电子空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与光照度成正比。现已有一种雪崩式光敏二极管（APD）。由于APD利用了二极管PN结的雪崩效应（工作电压达100V左右），所以，灵敏度极高，响应速度极快，可达数百兆赫，可用于光纤通信及微光测量。 二、光敏三极管结构及工作原理二、光敏三极管结构及工作原理 光敏三极管有两个PN结，从而可以获得电流增益。它的结构、等效电路、图形符号及应用电路如图614所示。光线通过透明窗口落在集电结上，当电路按614（d）连接时，集电结反偏，发射结正偏。与光敏
16、二极管相似，入射光子在集电结附近产生电子空穴对，电子受集电结电场的吸引流向集电区，基区中留下的空穴构成“纯正电荷”，使基区电压提高，致使电子从发射区流向基区，由于基区很薄，所以，只有一小部分从发射区来的电子与基区的空穴结合，而大部分电子穿过基区流向集电区，这一段过程与普通三极管的电流放大作用相似。集电极电流Ic是原始光电流的倍，因此，光敏三极管比光敏二极管的灵敏度高许多倍。有时，生产厂家还将光敏三极管与另一只普通三极管制作在同一个管壳里，连接成复合管型式，如图614（e）所示，称为达林顿型光敏三极管。它的灵敏度更大（=12）。但是，达林顿光敏三极管的漏电（暗电流）较大，频响较差，温漂也较大。 三、光敏晶闸管的结构及工作原理三、光敏晶闸管的结构及工作原理 光敏晶闸管（LCR）也称为光控晶闸管，如图615所示。它有三个引出电极，即阳极A、阴极K和控制极G。有三个PN结，即J1、J2、J3。与普通晶闸管不同的是，光敏晶闸管的顶部有一个玻璃透镜，它能把光线集中照射到J2上。图615（b）是它的典型应用电路，光敏晶闸管的阳极接正极，阴极接负极，控制极通过电阻RG与阴极相连接。这时，J1、J3正偏
