光电传感器解析实用教案

1、 3.5.1 光电测量原理 光电传感器的工作基础是光电效应。每个光子具有的能量为h（为光的频率，h=6.6262010-34J.s为普朗克常数）。用光照射某一物体，即为光子与物体的能量交换(jiohun)过程，这一过程中产生的电效应称为光电效应。光电效应按其作用原理又分为外光电效应、内光电效应和光生伏打效应。 第1页/共47页第一页，共48页。 1外光电效应 在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应，亦称光电子发射效应。在这一过程中光子所携带的电磁能转换为光电子的动能。 金属中存在大量的自由电子，通常，它们在金属内部作无规则的热运动，不能离开金属表面。但当电子从外界获取到等

2、于或大于电子逸出功的能量时，便可离开金属表面。为使电子在逸出时具有一定的速度(sd)，就必须使电子具有大于逸出功的能量。这一过程的定量分析如下。第2页/共47页第二页，共48页。 一个光子(gungz)具有的能量 E=h （3-45） 当物体受到光辐射时，其中的电子吸收了一个光子(gungz)的能量h，该能量的一部分用于使电子由物体内部逸出所作的逸出功A，另一部分则为逸出电子的动能 ，即 h= +A （3-46） 式中 m电子质量； v电子逸出速度； A物体的逸出功。 式（3-46）称为爱因斯坦光电效应方程式，它阐明了光电效应的基本规律。由上式可知：221mv第3页/共47页第三页，共48页。

3、 1）光电子逸出表面的必要条件是hA。因此，对每一种光电阴极材料，均有一个确定的光频率(pnl)阈值。当入射光频率(pnl)低于该值时，无论入射光的强度多大，均不能引起光电子发射。反之，入射光频率(pnl)高于阈值频率(pnl)，即使光强极小，也会有光电子发射，且无时间延迟。对应于此阈值频率(pnl)的波长0，称为某种光电器件或光电阴极的“红限”，其值为 （3-47） 式中 c光速，c=3108m.s-1。 2）当入射光频率(pnl)成分不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光光强成正比。光强愈大，意味着入射光子数多，逸出的光电子数亦愈多。Ahc0第4页/共47页第四页，共48页。 3）对于外

4、光电效应器件来说，只要光照射在器件阴极上，即使阴极电压(diny)为零，也会产生光电流，这是因为光电子逸出时具有初始动能。要使光电流为零，必须使光电子逸出物体表面时的初速度为零。为此要在阳极加一反向截止电压(diny)U0，使外加电场对光电子所作的功等于光电子逸出时的动能，即 （3-48） 式中 e电子的电荷，e=1.60210-19C。 反向截止电压(diny)U0仅与入射光频率成正比，与入射光光强无关。 外光电效应器件有光电管和光电倍增管等。0221Uemv 第5页/共47页第五页，共48页。 2内光电效应 在光照作用下，物体的导电性能如电阻率发生改变的现象称内光电效应，又称光导效应。内光

5、电效应与外光电效应不同，外光电效应产生于物体表面层，在光辐射作用下，物体内部的自由电子逸出到物体外部，而内光电效应则不发生电子逸出。这时，物体内部的原子吸收光能量，获得能量的电子摆脱原子束缚(shf)成为物体内部的自由电子，从而使物体的导电性发生改变。 内光电效应器件主要为光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管。第6页/共47页第六页，共48页。 3光生伏打效应 在光线照射下能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏打效应。基于光生伏打效应的器件有光电池，可见光电池也是一种有源器件。它广泛用于把太阳能直接转换成电能，亦称为太阳能电池。光电池种类很多，有硅、硒、砷化镓、硫化镉、硫化铊光电池等。其中

6、硅光电池由于其转换效率高、寿命长、价格便宜而应用最为广泛。硅光电池较适宜(shy)于接收红外光。硒光电池适宜(shy)于接收可见光，但其转换效率低（仅有002%）、寿命低。它的最大优点是制造工艺成熟、价格便宜，因此仍被用来制作照度计。砷化镓光电池的光电转换效率稍高于硅光电池，其光谱响应特性与太阳光谱接近，且其工作温度最高，耐受宇宙射线的辐射，因此可作为宇航电源。 第7页/共47页第七页，共48页。常用的硅光电池结构如图3-44所示。在电阻率为0.11cm的N型硅片上进行硼扩散以形成P型层，再用引线将P型和N型层引出形成正、负极，便形成了一个光电池。接受光辐射时，在两极间接上负载便会有电流(di

7、nli)通过。第8页/共47页第八页，共48页。 图3-44 硅光电池结构( jigu) 第9页/共47页第九页，共48页。 光电池的作用原理：当光辐射至PN结的P型面上时，如果光子能量(nngling)h大于半导体材料的禁带宽度，则在P型区每吸收一个光子便激发一个电子-空穴对。在PN结电场作用下，N区的光生空穴将被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区。结果，在N区便会积聚负电荷，在P区则积聚正电荷。这样，在P区和N区之间形成电势差，若将PN结两端以导线连接起来，电路中就会有电流流过。第10页/共47页第十页，共48页。 光电池的基本特性包括光照特性、频率响应、光谱特性和温度特性等。常用的硅光电

8、池的 光谱范围为 0.451.1m，在800 左右有一个峰值；而硒光电池的光谱范围为0.340.57m，比硅光电池的范围窄得多，它在500 左右有一个峰值。此外(cwi)，硅光电池的灵敏度为68nAmm-21x-1，响应时间为数微秒至数十微秒。第11页/共47页第十一页，共48页。 3.5.2 光电元件 1真空光电管或光电管 光电管主要(zhyo)两种结构形式（见图3-45），图a中光电管的光电阴极K由半圆筒形金属片制成。用于在光照射下发射电子。阳极A为位于阴极轴心的一根金属丝，用于接收阴极发射电子。阴极和阳极被封装于一个抽真空的玻璃罩内。 第12页/共47页第十二页，共48页。光电管的特性(

9、txng)主要取决于光电阴极材料，不同的阴极材料对不同波长的光辐射有不同的灵敏度。表征光电阴极材料特性(txng)的主要参数是它的频谱灵敏度、红限和逸出功。如银氧铯（Ag-Cs2O）阴极在整个可见光区域均有一定的灵敏度，其频谱灵敏度曲线在近紫外光区（4.5103 ）和近红外光区（7.51038103 ）分别有两个峰值。因此常用来作为红外光传感器。它的红限约为7103 ，逸出功为0.74eV，是所有光电阴极材料中最低的。第13页/共47页第十三页，共48页。 图3-45 光电管的结构形式(xngsh) a）金属底层光电阴极光电管 b）光透明阴极光电管 第14页/共47页第十四页，共48页。 真空

10、光电管的光电特性是指在恒定工作电压和入射光频率成分条件下，光电管接收的入射光通量与其输出光电流I之间的比例关系（见图3-46）。图3-46a给出两种光电阴极的真空光电管的光电特性。其中(qzhng)氧铯光电阴极的光电管在很宽的入射光通量范围上都具有良好的线性度，因而氧铯光电管在光度测量中获得广泛的应用。 光电管的伏安特性是光电管的另一个重要性能指标，指在恒定的入射光的频率成分和强度条件下，光电管的光电流I与阳极电压Ua之间的关系（见图3-46b）。由图可见，光通量一定时，当阳极电压Ua增加时，管电流趋于饱和，光电管的工作点一般选在该区域中。第15页/共47页第十五页，共48页。 图3-46 真

11、空光电管特性 a）光电特性 b）伏安(f n)特性 1-锑铯光电阴极的光电管 2-氧铯光电阴极的光电管第16页/共47页第十六页，共48页。 2.光电倍增管 光电倍增管在光电阴极和阳极之间装了若干个“倍增极”，或叫“次阴极”。倍增极上涂有在电子轰击下能反射更多电子的材料，倍增极的形状和位置设计成正好使前一级倍增极反射的电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间依次增大加速电压，如图3-47a所示。设每极的倍增率为（一个电子能轰击产生出个次级电子），若有n次阴极，则总的光电流倍增系数M=（C）n（C为各次阴极电子收集率），即光电倍增管阳极电流I与阴极电流I0之间满足关系(gun x)I=I0M=

12、I0（C）n，倍增系数与所加电压有关。第17页/共47页第十七页，共48页。 常用的光电倍增管的基本电路如图3-47b所示，各倍增极电压由电阻分压获得(hud)，流经负载电阻RA的放大电流造成的压降，给出输出电压。一般阳极与阴极之间的电压为10002000V，两个相邻倍增电极的电位差为50100V。 电压越稳定越好，以减少由倍增系数的波动引起的测量误差。由于光电倍增管的灵敏度高，所以适合在微弱光下使用，但不能接受强光刺激，否则易于损坏。第18页/共47页第十八页，共48页。 3光敏电阻(un mn din z) 某些半导体材料（如硫化镉等）受到光照时，若光子能量h大于本征半导体材料的禁带宽度，

13、价带中的电子吸收一个光子后便可跃迁到导带，从而激发出电子-空穴对，于是降低了材料的电阻率，增强了导电性能。阻值的大小随光照的增强而降低，且光照停止后，自由电子与空穴重新复合，电阻恢复原来的值。 光敏电阻(un mn din z)的特点是灵敏度高、光谱响应范围宽，可从紫外一直到红外，且体积小、性能稳定，因此广泛用于测试技术。光敏电阻(un mn din z)的材料种类很多，适用的波长范围也不同。如硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）适用于可见光（0.40.75m）的范围；氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）适用于紫外光范围；而硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）则适用于红外光范

14、围。第19页/共47页第十九页，共48页。 图3-47 光电倍增管的结构及电路 a）结构 b）电路 1-入射光 2-第一倍增极 3-第三(d sn)倍增极 4-阳极A 5-第四倍增极 6-第二倍增极 7-阴极K第20页/共47页第二十页，共48页。 光敏电阻的主要特征参数有以下几种： （1）光电流、暗电阻、亮电阻 光敏电阻在未受到光照(gungzho)条件下呈现的阻值称为“暗电阻”，此时通过的电流称为“暗电流”。光敏电阻在特定光照(gungzho)条件下呈现的阻值称为“亮电阻”，此时通过的电流称为“亮电流”。亮电流与暗电流之差称为“光电流”。光电流的大小表征了光敏电阻的灵敏度大小。一般希望暗电

15、阻大，亮电阻小，这样暗电流小，亮电流大，相应的光电流大。光敏电阻的暗电阻大多很高，为兆欧量级，而亮电阻则在千欧以下。 （2）光照(gungzho)特性 光敏电阻的光电流I与光通量F的关系曲线称为光敏电阻的光照(gungzho)特性。一般说来光敏电阻的光照(gungzho)特性曲线呈非线性，且不同材料的光照(gungzho)特性不同。第21页/共47页第二十一页，共48页。 （3）伏安(f n)特性 在一定光照下，光敏电阻两端所施加的电压与光电流之间的关系称为光敏电阻的伏安(f n)特性。当给定偏压时，光照度越大，光电流也越大。而在一定的照度下，所加电压越大，光电流也就越大，且无饱和现象。但电压

16、实际上受到光敏电阻额定功率、额定电流的限制，因此不可能无限制地增加。 （4）光谱特性 对不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不一样的。光敏电阻的光谱与材料性质、制造工艺有关。如硫化镉光敏电阻随着掺铜浓度的增加其光谱峰值从500nm移至640nm；而硫化铅光敏电阻则随材料薄层的厚度减小其峰值也朝短波方向移动。因此在选用光敏电阻时，应当把元件与光源结合起来考虑，才能获得所希望的效果。 第22页/共47页第二十二页，共48页。 （5）响应时间特性 光敏电阻的光电流对光照强度的变化有一定的响应时间，通常用时间常数来描述(mio sh)这种响应特性。光敏电阻自光照停止到光电流下降至原值的63%时所经

17、过的时间称为光敏电阻的时间常数。不同的光敏电阻的时间常数不同，因而其响应时间特性也不相同。 （6）光谱温度特性 与其他半导体材料相同，光敏电阻的光学与化学性质也受温度影响。温度升高时，暗电流和灵敏度下降。温度的变化也影响到光敏电阻的光谱特性。因此有时为提高光敏电阻对较长波长光照（如远红外光）的灵敏度，要采用降温措施。第23页/共47页第二十三页，共48页。 4光敏晶体管 光敏晶体管分光敏二极管和光敏晶体管，其结构原理分别如图3-48、图3-49所示。光敏二极管的PN结安装在管子顶部，可直接接受光照，在电路中一般处于反向工作状态（见图3-48b）。在无光照时，暗电流很小。当有光照时，光子打在PN

18、结附近，从而在PN结附件产生电子-空穴对。它们(t men)在内电场作用下作定向运动，形成光电流。光电流随光照度的增加而增加。因此在无光照时，光敏二极管处于截止状态，当有光照时，二极管导通。第24页/共47页第二十四页，共48页。 图3-48光敏二极管 a）光敏二极管符号(fho) b）光敏二极管的连接 第25页/共47页第二十五页，共48页。 图3-49光敏晶体管 a）光敏晶体管符号(fho) b）光敏晶体管的连接 第26页/共47页第二十六页，共48页。 光敏晶体管有NPN型和PNP型两种，结构与一般晶体三极管相似。由于光敏晶体管是由光致导通的，因此它的发射极通常做得很小，以扩大光的照射面

19、积。当光照到三极管的PN结附近时，在PN结附件(fjin)有电子-空穴对产生，它们在内电场作用下作定向运动，形成光电流。这样使PN结的反向电流大大增加。由于光照发射极所产生的光电流相对于晶体管的基极电流，因此集电极的电流为光电流的倍，因此光敏晶体管的灵敏度比光敏二极管的灵敏度高。 光敏晶体管的基本特性有： （1）光照特性 光敏二极管特性曲线的线性度要好于光敏晶体管，这与三极管的放大特性有关。第27页/共47页第二十七页，共48页。（2）伏安特性 在不同照度下，光敏二极管和光敏晶体管的伏安特性曲线跟一般晶体管在不同基极电流时的输出特性一样。并且光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管的光电流大数百倍

20、。由于光敏二极管的光生(un shn)伏打效应使得光敏二极管即使在零偏压时仍有光电流输出。（3）光谱特性 当入射波长增加时，光敏晶体管的相对灵敏度均下降，这是由于光子能量太小，不足以激发电子-空穴对。而当入射波长太短时，灵敏度也会下降，这是由于光子在半导体表面附近激发的电子-空穴对不能到达PN结的缘故。 第28页/共47页第二十八页，共48页。 （4）温度特性 光敏晶体管的暗电流受温度变化的影响较大，而输出电流受温度变化的影响较小。使用应考虑温度因素的影响，采取补偿措施。 （5）响应时间 光敏管的输出与光照之间有一定的响应时间，一般(ybn)锗管的响应时间为210-4s左右，硅管为110-5s

21、左右。第29页/共47页第二十九页，共48页。 3.5.3 光电传感器的应用 光电传感器可应用于检测多种非电量。由于光通量对光电元件作用方式的不同所涉及的光学装置是多种多样的，按其输出性质可分为两类： 1模拟量光电传感器 把被测量(cling)转换成连续变化的光电流，它与被测量(cling)间呈单值对应关系。属于这一类的光电元件有以下几种形式： 1）光源本身是被测物（见图3-50a）其能量辐射到光电元件上。这种形式的光电传感器可用于光电比色高温计中，它的光辐射的强度和光谱的强度分布都是被测温度的函数。第30页/共47页第三十页，共48页。 2）恒光源(gungyun)所辐射的光穿过被测物，部分

22、被吸收，而后到达光电元件上（见图3-50b）。吸收量取决于被测物质的被测参数。例如，测液体、气体的透明度、混浊度的光电比色计、混浊度计的传感器等。 3）恒光源(gungyun)所辐射的光照到被测物（见图3-50c），由被测物反射到达光电元件上。表面反射状态取决于该表面的性质，因此成为被测非电量的函数。如测量表面粗糙度等仪器的传感器。 4）恒光源(gungyun)所辐射的光遇到被测物，部分被遮挡，而后到达光电元件上（见图3-50d），由此改变了照射到光电元件上的光通量。在某些检测尺寸或振动的仪器中，常采用这类传感器。第31页/共47页第三十一页，共48页。 图3-50应用光电元件的几种形式 a）

23、被测量(cling)是光源 b）被测量(cling)吸收光能量 c）被测量(cling)反射光能量 d）被测量(cling)阻挡光能量 1-被测物 2-光电元件 3-恒光源 第32页/共47页第三十二页，共48页。 2开关量光电传感器 把被测量转换成断续变化的光电流，而自动检测系统输出的为开关量或数字电信号。属于这一类的传感器大多(ddu)用在光机电结合的检测装置中。如电子计算机的光电输入机、转速表的光电传感器与用于精确角度测量的光电式编码器。 这类传感器为数字传感器，具有以下优点： 1）能借助于微电子技术，达到足够高的精度，避免了人为的读数误差； 2）易于实现系统的快速、自动和数字化； 3）

24、测量系统量程大，长度可达数米甚至更长，可在360范围内进行角度测量； 4）测量系统安装方便、使用维护简单、工作性能可靠。第33页/共47页第三十三页，共48页。 由于上述优点，已在机床业的数控、自动化以及计量业中广泛应用。本节着重介绍角度-数字编码器。 角度-数字编码器结构最为简单，广泛用于简易数控机械系统中。按工作原理加以区分，可分为脉冲盘式和码盘式两种。 （1）脉冲盘式角度-数字编码器 脉冲盘式角度-数字编码器的结构如图3-51所示。在个圆盘的边缘上开有相等角距的狭缝（分成透明及不透明的部分），在开缝(ki fn)圆盘的两边分别安装光源及光敏元件。使圆盘随工作轴一起转动。每转过一个缝隙就发

25、生一次光线的明暗变化，经过光敏元件，就产生一次电信号的变化，再经整形放大，可以得到一定幅值和功率的电脉冲输出信号。脉冲数等于转过的缝隙数。若将得到的脉冲信号送到计数器中，则计数码即可反映圆盘转过的角度。第34页/共47页第三十四页，共48页。 图3-51 脉冲盘式角度(jiod)-数字编码器的结构示意图 第35页/共47页第三十五页，共48页。 若采用两套光电转换(zhunhun)装置，使其相对位置有一定的关系，以保证它们产生的信号在相位上相差1/4周期，这样可以判断轴的旋转方向。如图3-52所示。 正转时光敏元件2比光敏元件1先感光，此时与门DA1有输出，将加减控制触发器置“1”，使可逆计数

26、器的加法母线为高电位。同时DA1的输出脉冲又经或门送到可逆计数器的计数输入端，计数器进行加法计数。反转时光敏元件1比光敏元件2先感光，计数器进行减法计数。这样就可以区别旋转方向，自动进行加法或减法计数。第36页/共47页第三十六页，共48页。 图3-52 辨向环节(hunji)的逻辑电路图第37页/共47页第三十七页，共48页。 （2）码盘式角度-数字编码器 码盘式角度-数字编码器是按角度直接进行编码的传感器，通常把它装在检测轴上。按其结构可把它分为接触式、光电式和电磁式。码盘结构如图3-53所示。 图3-53a为一个接触式四位二进制码盘，涂黑部分为导电区。所有导电部分连接在一起接高电位。空白

27、部分为绝缘区。在每圈码道上都有一个电刷，电刷经电阻接地。当码盘与轴一起转动时，电刷上将出现相应的电位，对应一定的数码。 若采用n位码盘，则能分辨的角度为 位数n越大，能分辩的角度越小，测量精度越高。二进制码盘很简单，但实际应用中对码盘的制作和电刷（或光电元件）的安装要求十分严格，否则就会出错。例如，当电刷（0111）向（1000）位过渡时，若电刷位置安装不准，可能(knng)出现815之间的任一十进制数，这是不允许的。这种误差属于非单值误差。n2360第38页/共47页第三十八页，共48页。 图3-53 码盘结构(jigu)见图 a）二进制码盘 b）四位循环码盘第39页/共47页第三十九页，共

28、48页。 为了消除非单值误差，通常用循环码代替二进制码（见图3-53b）。循环码的特点是相邻的两个数码只有一位是变化的，因此即使制作和安装不准，产生的误差最大也只是一位数。 接触式码盘的优点是简单、体积小、输出信号功率大；缺点是有磨损、寿命短、转速不能太高。 （3）光电式角度-数字编码器 近年来，大部分编码器采用光电式结构( jigu)。通常它的码盘是用玻璃制成的，码盘上有代表编码的透明和不透明的图形。这些图形是采用照相制板真空镀膜工艺形成的，相当于接触式编码器码盘上的导电区和非导电区。第40页/共47页第四十页，共48页。 一个完整的光电式角度-数字编码器包括：光源、光学系统、码盘、读数系统

29、和电路系统。结构如图3-54所示。编码器的精度主要由码盘的精度决定，目前(mqin)的分辨率可以达到0.15，径向线条宽度为0.06rads。为了保证精度，码盘的透明和不透明的图形边缘必须清晰、锐利，以减少光电元件在电平转换时产生的过渡噪声。光学系统的边缘效应是限制编码器精度的重要因素之一。第41页/共47页第四十一页，共48页。 图3-54 光电式角度-数字编码器结构示意图 1-光源(gungyun) 2-透镜 3-码盘 4-狭缝 5-光电元件第42页/共47页第四十二页，共48页。 为了提高编码器的分辨率，在光电式角度-数字编码器中采用了二进制码盘、脉冲增量式码盘再加细分电路构成的高位数绝对( judu)式角度数字编码器。 例如，有1219分之一分辨率的编码器，它的码盘内有14条码道，通过光学系统产生14位二进制数字输出码。外层码道有两路增