4.7 光电式传感器

1,4.7光电式传感器,它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。,光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。,光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。,2,光谱光波：波长为10106nm的电磁波可见光：波长380780nm紫外线：波长10380nm，波长300380nm称为近紫外线波长200300nm称为远紫外线波长10200nm称为极远紫外线，红外线：波长780106nm波长3m（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3m的红外线称为远红外线。,3,光源（发光器件）,1、钨丝白炽灯,2、气体放电灯,3、发光二极管LED（LightEmittingDiode）,4、激光器,4,1光电效应及光电器件,外光电效应及其器件内光电效应及其器件光生伏特效应及其器件,光电传感器的物理基础是光电效应。当光照射到某些物质上时，使该物质的电特性发生变化，这种现象就是光电效应。光电效应通常分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。,5,1)外光电效应及其器件,当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，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。,6,根据能量守恒定理式中m电子质量；v0电子逸出速度。,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A，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。,该方程称为爱因斯坦光电效应方程。,可见：光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面逸出功。,即入射光波长小于波长限,时才能产生外光电效应,h普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）,7,光电管,光电管是装有光阴极和阳极的真空玻璃管，其阴极受到适当的光照后发射光电子，这些光电子被具有一定电位的阳极吸引，并在管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在光电管的外电路上接适当电阻，电阻上的电压降将和管内空间电流成正比，或与照射到光电管阴极上的光有函数关系，从而实现光电转换。,8,光电倍增管,光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成，并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。依据封装方法，可分成端窗式和侧窗式两大类。侧窗式阴极是通过管壳的侧面接收入射光，它的阴极通常为反射式阴极。,由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。,9,因此，光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光照特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。若将灵敏检流计串接在阳极回路中，则可直接测量阳极输出电流。若在阳极串接电阻RL作为负载，则可测量RL两端的电压，此电压正比于阳极电流。,RL,10,Siemens原装光电管QRA2,11,2）内光电效应及其器件,当光照射在物体上，使物体的导电率发生变化叫做内光电效应，它多发生于半导体内。,基于内光电效应的主要有：光敏电阻、光敏晶体管（光敏二极管、光敏三极管）,12,光敏电阻,当光敏电阻受到光照时，阻值减小。,内光电效应：在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象.,13,光敏电阻的结构,由一两边带有金属电极的光电半导体组成，电极与半导体之间呈欧姆接触，使用时在两电极上加直流或交流工作电压。,14,光敏电阻的主要参数,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，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。,（1）暗电阻、亮电阻、光电流,暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流称为暗电流。,亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流称为亮电流。,光电流：亮电流与暗电流之差。,实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。,15,光敏电阻的主要参数,（2）光谱响应范围与峰值波长,光谱响应特性表示光敏电阻对各种单色光的敏感程度。对应于一定敏感程度的波长区间称为光谱响应范围。对光谱响应最敏感的波长数值称为光谱响应峰值波长。,（3）时间常数,时间常数是指光敏电阻自停止光照起，到电流下降到原来值的63%所需的时间。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数。,16,伏安特性光照特性光谱特性频率特性温度特性,光敏电阻的基本特性,17,（1）伏安特性,在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。,图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。,由曲线可知：,但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。,照度为零,照度为某值,在给定偏压下,光照度越大，光电流也越大。,在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。,伏安特性是传感器设计时选择电参数的依据，实际使用时要注意不超过器件的允许功耗限。,18,（2）光照特性,在一定的外加电压作用下，光敏电阻的光电流与光通量之间的关系。,不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。,19,（3）光谱特性,光谱特性与光敏电阻的材料有关。,从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。,光敏电阻对不同波长的光，其灵敏度不同，该特性称为光谱特性。,20,（4）频率特性（反映时延特性）,当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。下图给出相对灵敏度与光强变化频率之间的关系曲线，可以看出硫化铅的使用频率比硫化铊高的多。但多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个缺陷。,常用响应时间来表示器件动态特性的好坏，响应时间越小，动态特性越好。,21,（5）温度特性,光敏电阻的性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，同时光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。,有时为为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，红外探测器往往采取制冷措施。,22,常用光敏电阻的性能参数,给出常用国产MG型光敏电阻的性能参数,表2.5（1）,常用的光敏电阻器型号有密封型的MG41、MG42、MG43和非密封型的MG45（售价便宜）。它们的额定功率均在200mW以下。,23,光敏晶体管,广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出装置等场合。,光敏二极管的结构与一般二极管相似，其PN结装在管顶，以便接受光照，上面有一个透镜制成的窗口，可使光线集中在敏感面上。,光敏二极管,24,红外发射、接收对管外形,红外发射管,红外接收管,25,当光不照射时，光敏二极管反偏，处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流，即暗电流；,光敏二极管的光电流I与照度之间呈近似线性关系。,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，因此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。,光敏二极管的光照特性是近似线性的，所以适合检测等方面的应用。,光敏二极管在电路中通常工作在反向偏压的状态下。,26,光敏二极管的反向偏置接线（及光电特性演示,在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。,当光照增加时，光电流I与光照度成正比关系。,光敏二极管的反向偏置接法,光照,27,光敏二极管的优点：线性好，响应速度快，对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，噪声低，小型轻量以及耐振动和冲击等。,光敏二极管的缺点：输出电流小。,28,光敏三极管,光敏三极管（晶体管）是光电传感器中响应特性良好、测量范围最广、利用价值最高的一种传感器。,其结构与一般三极管很相似，具有电流增益，且其基极不接引线（少数基极有引线，用于温度补偿等附加控制作用）。,29,为了适应光电转换要求，它的基区面积做得较大，入射光从基区吸收。它的集电极接正电位、发射极接负电位。无光照时，流过光敏三极管的电流，就是正常情况下集电极和发射极之间的穿透电流，此时称为暗电流。,当有光照射基区时，激发产生电子空穴对，在内电场作用下，使得集电结饱和电流大大增大，这就是光敏三极管的光生电流，该电流注入发射结进行放大，称为光敏三极管集电极和发射极之间的光电流。显然，光敏三极管利用普通半导体三极管的放大作用，将光生电流进行了放大，所以光敏三极管具有比二极管更高的灵敏度。,30,光敏管的基本特性,伏安特性光照特性光谱特性频率特性温度特性,31,（1）伏安特性,光敏二（三）极管的伏安特性曲线如图所示。,只要将入射产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。,光敏三极管的光电流比相同管型的二极管的光电流大上百倍。,32,（2）光照特性,光敏二（三）极管的光照特性如图所示。它给出了输出电流I和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。,光敏三极管当光照足够大(几Klx)时，将会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。,光敏二极管的光照特性曲线的线性较好。,33,（3）光谱特性（两者类似）,光敏二（三）极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。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。,故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。,在照度一定时，输出的光电流（或相对光谱灵敏度）随光波波长的变化而变化，这就是光敏管的光谱特性。,34,（4）频率特性,光敏管的频率特性与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。,硅光敏三极管的频率特性曲线如图所示。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，光敏三极管的响应时间为210-5s，光敏二极管的响应时间为比它小一个数量级。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好，响应时间要小一个数量级。,35,（5）温度特性,温度特性曲线反映的是光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。,从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响较小，而对暗电流的影响很大光敏管的暗电流是一种噪声电流。,减小方法：1.选用硅光敏管，因为硅管的暗电流比锗管小几个数量级；2.电路中采用温度补偿措施；3.将光信号进行调制，对输出的电信号采用交流放大，利用电路中隔直电容的作用，阻断暗电流。,36,常用光敏二极管主要参数,光敏二极管:2DU型和2CU型,2DU型是带有环极的(可减小暗电流，它接正电源);一般电路采用2CU型较多,37,38,常用光敏三极管主要参数,39,光敏二极管的应用,1.光电控制电路,如右图，一个路灯的自动控制电路。从图可知，在无光照射时，光敏二极管（反向）截止，电阻R1上的压降VA很小，则晶体管T1截止，T2截止，继电器J不动作，路灯保持亮。有光照时，光敏管产生光电流IL，R1电压升高，VA上升，光强达到某一值时T1导通，T2导通，J动作，常闭端打开，使路灯灭。即白天灯灭，晚上灯亮，实现了自动控制的作用。,40,2.光强测量电路,右图为稳压管、光敏二极管和电桥组成的测量电路。无光照时，VA很大，FET导通，调整RW，使电桥平衡，即指针为0。有光照时，光敏管产生IL，A点电位VA下降，R2上电流下降，VB减小，光照不同，IL不同，VA不同，R2上压降不同，光强可以通过电流计读数显示出来。,41,光敏三极管的应用,1.脉冲编码器,Vi为24V电源电压，V0为输出电压，N为光栅转盘上的总的光栅辐条数，R1和R2为限流电阻器，而A和B则分别是发光二极管和光敏三极管。,所以，在转轴转动一圈的时间内，接收端将接收到N个光信号，从而在其输出端输出N个电脉冲信号。,由此可知，脉冲编码器输出的电信号V0的频率f是由转轴的转速n确定的。于是有：，上式决定了脉冲编码器输出信号的频率f与转轴的转速之间的关系。,42,2.光电转速传感器,图a是透光式，在待测转速轴上固定一带孔的调置盘，在调置盘一边由白识灯产生恒定光，透过盘上的小孔到达光敏二极管组成光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速通过该脉冲频率测定。,图b是反光式，在待测转速的盘上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射信号，转换成电脉冲信号。,43,每分钟转速n与脉冲频率f的关系式为：,频率可用一般的频率计测量。光电元件多采用光电池、光敏二极管和光敏三极管以提高寿命、减小体积、减小功耗和提高可靠性。,式中N为孔数或黑白条纹数目。,44,3）光生伏特效应及其器件,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。,基于该效应的光电器件有光电池。,45,光电池,硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。,光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。,命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池。,46,硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结，为了提高效率，防止表面反射光，在器件的受光面上要进行氧化，以形成SiO2保护膜。,光电池的结构和工作原理,当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在PN结电场的作用下，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,47,光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。,I,U,(a),(b),图光电池符号和基本工作电路,48,光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压，光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器等。,49,光电池外形,光敏面,光生伏特效应：在光线的作用下,物体产生一定方向电动势的现象.,50,能提供较大电流的大面积光电池外形,51,4）新型光电器件（主要为光敏二极管）,高速光电二极管：主要用于光纤通信和光电自动控制的快速接受器件。PIN结光电二极管雪崩式光电二极管,色敏光电传感器：用来直接测量从可见光到红外光波段内的单色辐射的波长（原检测在一定波长范围内的光的强度）（如CS-1型）,光位置传感器（PSD）：用于机器人的眼睛及其它位置检测,52,3电荷耦合器件（CCD）,CCD(ChargeCoupledDevice)是一种半导体光固态图像传感器,具有集成度高、分辨力高、功耗小、固体化和自扫描等优点。广泛应用于自动控制和自动测量领域，尤其是图像识别技术。目前，CCD应用技术已经成为光、机、电和计算机相结合的高新技术，成为现代测试技术中最活跃最富有成果的新兴领域之一。,53,CCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。,CCD：大量的独立的光敏元件MOS（金属氧化物半导体）排列在一起每个光敏元件称为像素像素图像的基本单位：最小的视觉显示单位.,CCD光敏元显微照片,54,图像传感器实际上只能记录光线的灰度，也就是说，它能记录光线的强弱，但却没有办法分辨颜色，而我们最需要的却是光线的颜色。目前CCD主要的解决方式是在每一个光敏元件上都采用了滤光器，使对应的光敏元件只能记录相应单色光。各种单色分别被相邻的光敏元件记录下来，生成的图像颜色是分离的，最后还需要通过一些处理过程把这些数值合成为彩色的图像。数码相机里面，这个处理过程称之为插值。通常的做法是计算1个像素周围8个像素的颜色值，然后根据它自身所记录的颜色值，结合计算出最终像素的混合颜色值。,55,线阵CCD外形,56,线阵CCD检测工件尺寸,57,线阵CCD在扫描仪中的应用,58,线阵CCD在图像扫描中的应用,风云一号卫星可以对地球上空的云层分布进行逐行扫描,59,线阵CCD用于字符识别,60,面阵CCD,61,200万和1600万像素的面阵CCD,62,CCD用于图像记录,63,数码相机的结构解剖（索尼F828）,CCD,64,CCD数码摄像机,65,66,67,光电式传感器具有结构简单、隔离性能好、可靠性高、体积小、重量轻、价格低廉、灵敏度高和反应快等优点。在自动化、检测技术领域应用广泛。,4光电式传感器工作方式,68,光电传感器的分类,69,1）模拟式光电传感器,70,71,72,73,74,75,在自动计数、光控开关、光电编码器、光电报警装置及其它光电输入设备场合有广泛的应用。,2）开关式光电传感器,76,光电计