光电式传感器设计与应用论文

1、光电式传感器程涛 刘宪爽 尹晓阳1.概述光电式传感器的组成光电式传感器的组成光量光量光量光量电量电量测量输出测量输出12光电式传感器的组成光电式传感器的组成2.物理特性 2.2.物理特性：物理特性： 2.1 2.1 外光电效应外光电效应 2.2 2.2 内光电效应内光电效应 2.3 2.3 外光电效应器件外光电效应器件 2.4 2.4 内光电效应器件内光电效应器件 2.物理特性 光电效应光电效应 所谓光电效应是指物体吸收光能以后转化为该物体中某些电子的能量而产生所谓光电效应是指物体吸收光能以后转化为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。又可分为内光电效应和外光电效应两类。的电效应。又可分为内光

2、电效应和外光电效应两类。2.2.1 1 外光电效应外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。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，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。根据能量守恒定理 ： n光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸

3、出功A A0 0。不同。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。即使光线微弱，也会有光电子射出。n当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强

4、愈大，意味着入当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。n光电子逸出物体表面具有初始动能光电子逸出物体表面具有初始动能mvmv0 02 2 /2/2 ，因此外光电效应器件（如光电管）即使，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。且截止电压与入射光的频率成正比。02021Amh根据能量守恒定理根据能量守恒定理 ：（m电子

5、质量；v0电子逸出速度）物理特性2.物理特性2.物理特性2.22.2内光电效应内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。(1)(1)光电导效应光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。（2 2）光生伏特效应）光生伏特效应 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和光敏二极管、三极管。2.32.3 外光电

6、效应器件外光电效应器件 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，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。的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。2.3.12.3.1光电管光电管 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。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。光电管的结构示意图2.物理特性 （1 1） 光电管的伏安特性光电管的伏安特性 在在

7、一定的光照射下一定的光照射下，对光，对光电器件的阴极所加电压与阳极电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。光电传感器参数的主要依据。光电管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012IA/ A2.物理特性（2 2） 光电管的光照特性光电管的光照特性 通常指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。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯

8、阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。 光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/ A1.02.512.物理特性2.3.2 2.3.2 光电倍增管光电倍增管 光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。 光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。（1 1）结构）结构2.物理特性由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳

9、极三部分组成。次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105-106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。（2 2）工作原理）工作原理2.物理特性2.32.3 内光电效应器件内光电效应器件利用物质在光的照射下电导性能改变（）或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。2.3.12.3.1光敏电阻光敏电阻(1) 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理当无光照时，光敏电阻值当无光照时，光敏电阻值(暗电阻暗电阻)很大，电

10、路中电流很小很大，电路中电流很小 ；当有光照时，光敏电阻值当有光照时，光敏电阻值(亮电阻亮电阻)急剧减少，电流迅速增加急剧减少，电流迅速增加2.物理特性a.a.暗电阻和暗电流暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。b.b.亮电阻亮电阻 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。电流称为亮电流。c.c.光电流光电流 亮电流与暗电流之差，称

11、为光电流。亮电流与暗电流之差，称为光电流。2.物理特性（3）光敏电阻的基本特性）光敏电阻的基本特性 a.伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系 在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。2.

12、物理特性b.光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系 由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。 2.物理特性c.光谱特性 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的 2.物理特性不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。 2.物理特性e.温度特性 光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。 温度系数温度系数: 121212%100)(CRTTRR在一定光照下，温度每在一定光照下，

13、温度每变化变化1，光敏电阻阻值的平均变光敏电阻阻值的平均变化率化率 硫化镉光敏电阻的温度特性 2.物理特性2.3.22.3.2光敏二极管光敏二极管工作原理工作原理结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中，在电路中一般是处于反向工作状态的。 光敏二极管 在无光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，称为暗电流。此时光敏二极管处于载止状态，只有少数载流子在反向偏压作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流。 当有光照射时，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

14、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，形成光电流。 光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系，所以适合检测等方面的应用。2.物理特性2.3.32.3.3光敏光敏三极管三极管与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。 它可以看成是一个bc结为光敏二极管的三极管。其原理和等效电路见图。在光照作用下，光敏二极管将光信号转换成电流信号，该电流信号被晶体三极管放大。显然，光敏三极管的光电流要比相应的光敏二极管大倍。 （1）工作原理）工作原理2.物理特性（2）基本特性）基本特性a.光谱特性硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性硅和锗光敏二极（

15、晶体）管的光谱特性 b.光照特性 硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照特性 2.物理特性d.频率响应具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系硅光敏晶体管的频率响应硅光敏晶体管的频率响应 c.温度特性其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。2.物理特性2.3.42.3.4光电池光电池有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负) 。用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的

16、方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。太阳能手机充电器太阳能手机充电器太阳能电池太阳能电池2.物理特性3.光电传感器的特性及参数 3.3.光电传感器的特性及参数：光电传感器的特性及参数： 3.1 3.1 测量的物理量及其范围测量的物理量及其范围 3.2 3.2 光电传感器的特性光电传感器的特性 3.3 3.3 参考价格及生产厂家参考价格及生产厂家 3.4 3.4 光电检测的优缺点光电检测的优缺点 3.1 3.1 测量的物理量及其范围测量的物理量及其范围光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的

17、非电量，如光强、器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等光照度、辐射测温、气体成分分析等; ;也可用来检测能转也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。作状态的识别等。光电传感器的敏感波长在可见光（光电传感器的敏感波长在可见光（0 038380 076um76um）附近，包括红外线（）附近，包括红外线（0 076761000um1000um）和紫外线）和紫外线波长（

18、波长（0 00050050 04um4um）。）。3.光电传感器的特性及参数3.2 3.2 光电传感器的特性光电传感器的特性在选择和使用光电传感器进行光电系统设计的时候，需要考虑光电传感器的特性和相关的参数。一般情况下，光电传感器有以下特性。（1）灵敏度 光电传感器对单色辐射光通量的响应称为光谱灵敏度，反映了光电传感器对单色辐射光的相应能力，即光电传感器对连续辐射光通量的响应称为积分灵敏度，反映了光电传感器的输出电压（电流）与入射的总的辐射光通量之比，即式中，Rv和RI分别为光电传感器的电压灵敏度和电流灵敏度。测量光电传感器灵敏度的光源选用500K的黑体。3.光电传感器的特性及参数273.光电

19、传感器的特性及参数（2）脉冲响应特性光电传感器对阶跃光信号的响应，从稳态值的10%上升到90%所需要的时间称为上升时间，用tr表示，从稳态值的90%下降到10%所需要的时间称为下降时间，用tf表示，如图所示光电传感器的脉冲时间响应特性反映了响应时间的快慢。（3）频率响应特性光电传感器的输出电压（电流）的振幅或相对光谱灵敏度随入射光辐射通量的调制频率而变化的关系称为频率响应特性。图1-2所示为硫化铅、硫化铊材料制造的光电传感器的频率响应特性。3.光电传感器的特性及参数（4）光照特性光电传感器的积分灵敏度或光谱灵敏度与入射光辐射通量的关系称为光照特性，如图1-3所示。3.光电传感器的特性及参数（5

20、）光谱特性 光电传感器的相对光谱灵敏度与入射光线波长的关系称为光谱特性，该特性反映了一定波长的辐射源只适应特定的光电传感器。（6）温度特性 温度特性是指在一定的温度范围内，环境温度对光电传感器的灵敏度、暗电流、光电流的影响，通常由温度系数表示。温度系数表示在给定的温度范围内，温度变化1时，光电流的相对平均增量或灵敏度的变化。（7）伏安特性在入射光谱不变的情况下，光电传感器的电流与电压之间的关系称为伏安特性。（8）量子效率量子效率是指在一定的波长下，单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比，它反映了光电器件的光电转换能力。3.光电传感器的特性及参数3.4 3.4 光电检测的优缺点光电检测的优

21、缺点 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。其缺点是在某些应用方面，光学器件和电子器件价格较贵，并且对测量的环境要求较高。但随着薄膜工艺、平面工艺和大规模继承电路技术的发展，产品的成本大为降低。近年来，新的光电器件不断涌现。3.光电传感器的特性及参数4.光纤传感器的应用4.4.光纤传感器的应用光纤传感器的应用 4.1 4.1 光纤结构组成光纤结构组成 4.2 4.2 光纤导光原理光纤导光原理 4.3 4.3 光纤光栅传感器的研制光纤光栅传感器的研制 4.14.1光纤结构组成光纤结构组成及原理及

22、原理光纤波导简称光纤，它是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构成的光通路。它由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率，n2较小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。缓冲涂覆层包层纤芯光纤全反射演示4.光纤传感器的应用光纤传感的原理:通过检测光纤中传输的光波强度、相位、频率（波长）、偏振的变化，感知外界物理量的变化。光纤传感器可制做成分立的、准连续和分布式的传感测量系统。可以测量温度、位移、加速度、压力、应变、电场、磁场、转动、气体浓度、流速等各种变量。4.24.2光纤导光原理光纤导光原理当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射 （a a

23、）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b b）临界状态：）临界状态： （c c）全反射）全反射 ：rinnsinsin21)/arcsin(120nni0ii4.光纤传感器的应用jinnsinsin10rknnsinsin21当当r =90的临界状态时，的临界状态时， 22210sinnniSin iSin i定义为定义为“数值孔径数值孔径”NANA（Numerical ApertureNumerical Aperture） 2sin10ni121/ )(nnn 相对折射率差相对折射率差 arcsinNAarcsinNA是一个临界角，是一个临界角，i i arcsinNA arcsinNA，光线进入光纤后