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1、第10章 光电式传感器 101 光电式传感器的工作原理及基本组成 102 光电式传感器中的敏感元件 103 光电式传感器的类型及设计 104 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 测量光学量时光电器件是作为敏感元件使用而测量其它物理量时它作为变换元件使用 光电式传感器由光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
2、路部分完成从光信号到电信号的转换 常用的光电转换元件有真空光电管充气光电管光电倍增管光敏电阻光电池光电二极管及光敏三极管等它们的作用是检测照射其上的光通量选用何种形式的光电转换元件取决于被测参数所需的灵敏度响应的速度光源的特性及测量环境和条件等 102光电式传感器中的敏感元件 当光照射在某些物体上时光能量作用于实测物而释放出电子这种现象称为光电效应所放出的电子叫光电子光电效应一般分为外光电效应和内光电效应两大类根据这些效应可以做出相应的光电转换元件简称光电元件或光敏器件 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
3、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 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 利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件一般都是真空的或充气的光电器件如光电管和光电倍增管 1光电管及其基本特性 1 结构与工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类两者结构相似如图所示它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射材料阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形置于玻璃管的中央当光照在阴极上时中央阳极可收集从阴极上逸出的电子在
4、外电场作用下形成电流I 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 2 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其特性曲线如下图所示 3 光电管的光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性因此光电管对光谱也有选择性保持光通量和阴极电压不变阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性 一般对于光电阴极材料不同的光电管它们有不同的红限频率n0因此它们可用于不同的光谱范围除此之外即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率n0并且强度相同随
5、着入射光频率的不同阴极发射的光电子的数量也会不同即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同这就是光电管的光谱特性所以对各种不同波长区域的光应选用不同材料的光电阴极 2光电倍增管及其基本特性 1结构与工作原理 当入射光很微弱时普通光电管产生的光电流很小只有零点几个微安很不容易探测这时常用光电倍增管对电流进行放大下图是光电倍增管的外形和工作原理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材料而形成的阳极是最后用来收集电子的 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倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极设这时第一倍
6、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 的乘积如果n个倍增电极的i都一样则阳极电流I为 3暗电流 一般在使用光电倍增管时必须把管放在暗室里避光使用使其只对入
7、射光起作用但是由于环境温度热辐射和其它因素的影响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暗电流主要是热电子发射引起它随温度增加而增加不过暗电流通常可以用补偿电路加以消除 4光电倍增管的光谱特性 光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光谱特性很相似 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 1光敏电阻 1结构和原理 光敏电阻又称光导管是
8、利用光电导效应制成的由于光的照射使半导体的电阻变化所以称为光敏电阻 如果把光敏电阻连接到外电路中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并非一切纯半导体都能显示出光电特性对于不具备这一特性的物质可以加入杂质使之产生光电效应用来产生这种效应的物质由金属的硫化物硒化物碲化物等组成 2 光敏电阻的特性 1 暗电阻亮电阻与光电流 光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻此时流过的电流称为暗电流 在受到光照时的电阻称为亮电阻此时的电流称为亮电流 亮电流与暗电流之差称为光电流一般暗电阻越大亮电阻越小光敏电阻的灵敏度越高 光敏电阻的暗电阻的阻值一般在兆欧数量级亮电阻在几千欧以下暗电阻与亮电阻之比一般
9、在102106之间 2 光敏电阻的伏安特性 在一定照度下 流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系 一定光照R一定I正比于U所加的电压越高光电流越大而且没有饱和现象 一定电压I随着光照E增强而增大 3 光敏电阻的光照特性 光敏电阻的光照特性用于描述光电流I和光照强度之间的关系绝大多数光敏电阻光照特性曲线是非线性的光敏电阻一般用作开关式的光电转换器而不宜用作线性测量元件 4 光敏电阻的光谱特性 对于不同波长的光不同的光敏电阻的灵敏度是不同的从图中可以看出硫化镉的峰值在可见光区域而硫化铅的峰值在红外区域在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑才能获得满意的结果 5 光敏电阻的响应时间
10、和频率特性 光敏电阻的光电流不能随着光照量的改变而立即改变即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性这个惰性通常用时间常数t来描述 时间常数为光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63所需要的时间因此时间常数越小响应越迅速 6 光敏电阻的温度特性 随着温度不断升高光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降同时温度变化也影响它的光谱特性曲线下图示出了硫化铅的光敏温度特性曲线从图中可以看出它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动因此有时为了提高元件的灵敏度或为了能够接受较长波段的红外辐射应采取一些致冷措施 2光敏二极管和光敏三极管 1结构和原理 光敏二极管是一种PN结型半导体元件其结构和基本使用电路如图所示光敏二极管
11、在没有光照射时反向电阻很大光电二极管处于载止状态反向电流很小反向电流也叫暗电流受光照射时PN结附近受光子轰击吸收其能量而产生电子-空穴对从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加即使P型中的电子数增多也使N型中的空穴增多即产生了新的自由载流子在外加反向偏压和内电场的作用下 P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区 N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区从而使通过PN结的反向电流大为增加这就形成了光电流如果入射光的照度变动则电子和空穴的浓度也跟着相应地变动因此通过外电路的电流也随之变化这样就把光信号变成了电信号 光敏三极管有PNP型和NPN型两种由于后者性能较优因此实用较多光敏三极管的外型结构与光敏二极管相
12、似通常也只引出两个电极 无基极引线 内部结构与普通三极管很相似只是它的发射极一边做得很大以扩大光的照射面积光线由窗口对着集电极的PN结 采用N型单晶和硼扩散工艺的光敏二极管称为Pn结构采用P型单晶和磷扩散工艺的称为 nP结构按国内半导体器件命名规定硅Pn结构为2CU型nP结构为2DU型硅nPn结构为3DU型 光敏三极管是兼有光敏二极管特性的器件它在把光信号变为电信号的同时又将信号电流放大下图给出了它的结构和基本使用电路光敏三极管的电路连接也与普通三极管相同基极开路集电结反偏发射结正偏 2光敏三极管的特性 1光谱特性 光敏三极管的光谱特性是光电流随入射光的波长而变化的关系光敏三极管存在一个最佳灵
13、敏度的峰值波长当入射光的波长增加时相对灵敏度要下降因为光子能量太小不足以激发电子空穴对当入射光的波长缩短时相对灵敏度也下降这是由于光子在半导体表面附近就被吸收并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结因而使相对灵敏度下降 5光敏三极管的频率特性 光敏三极管的频率特性是光电流与光强变化频率的关系光敏二极管的频率特性是很好的其响应时间可以达到107108s因此它适用于测量快速变化的光信号光敏三极管由于存在发射结电容和基区渡越时间发射极的载流子通过基区所需要的时间所以光敏三极管的频率响应比光敏二极管差而且和光敏二极管一样负载电阻越大高频响应越差 综上所述可以把光敏二极管和三极管的主要差别归纳为 光电流 光敏二极管一般只有几个到几百微安而光敏三极管一般都在几毫安以上至少也有几百微安两者相差十倍至百倍光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大一般都不超过l微安 响应时间 光敏二极管的响应时间在100ns以下而光敏三极管为510s因此当工作频率较高时应选用光敏二极管只有在工作频率较低时才选用光敏三极管 输出特性 光敏二极管有很好的线性特性而光敏三极管的线性较差 硒光电池是在铝片上涂硒再用溅射的工艺在硒层上形成一层半透明的氧化镉在正反两面喷上低融合金作为电极如图所示在光线照射下镉材料带负电硒材料上带正电形成光电流或电动势 4光电位置敏感器件PSD
