第4章光电式传感器

1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。

第4章光电式传感器1发光器件1、钨丝白炽灯用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。

第一节光源22、气体放电灯定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，目前荧光剂的选择范围很广，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如，照明日光灯。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。33、发光二极管LED（LightEmittingDiode）由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350表LED材料44、激光器激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光频波段范围。激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器。5光电效应光是由一连串具有一定能量的粒子(称为光子)所构成，每个光子具有的能量hv正比于光的频率v(h为普朗克常数)。用光照射某一物体，就可以看作这物体受到一连串能量为hv的光子所轰击，而光电效应就是由于这物体吸收到光子能量为hv的光后产生的电效应。

光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。第二节光电效应h=6.626x10-34J.S光的频率越高（波长越短），光子的能量越大。61、外光电效应（演示）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。物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出功，电子就逸出物体表面，产生光电发射，逸出电子的功为，为逸出功。光子能量大于逸出功，电子发射。当光子能量等于逸出功，逸出的电子速度为零，此时光子的频率为该物质产生外光电效应的最低频率，称为红限频率。注1爱因斯坦光电效应方程7解释爱因斯坦光电效应方程：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A0。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，即使光线微弱，也会有光电子逸出。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。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2

，因此外光电效应器件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，而且截止电压与入射光的频率成正比。注28当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ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）光电导效应在光线作用下，半导体中原子受激发成为自由电子与空穴，他们参加导电，而引起半导体的电导率ρ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和光敏二极管、光敏三极管。2、内光电效应9（2）

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。由于在光线照射下，PN结附近被束缚的价电子吸收光子能量，受激发产生电子-空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，使P区带正电，N区带负电，于是在P区和N区之间产生了电动势。

基于该效应的光电器件有光电池.

10一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。一、光电管及其基本特性演示：光电管的结构1.结构与工作原理光电管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。第三节外光电效应器件光阳极光电阴极光窗阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。11演示动画：光电管结构及电路连接演示动画：光电管测量电路光电管的结构(K-光电阴极A-阳极)12光阴极材料的频谱灵敏度

银氧铯在阴极在整个可见光区域均有一定的灵敏度，且在近紫外光区和近红外光区分别有两个峰值，常用于红外光传感器，且它的逸出功是光电阴极材料中最低的。锑铯在红外光以外的整个可见光区域上有着比银氧铯高得多的灵敏度。两种光阴极材料的频谱灵敏度曲线1-银氧铯阴极2-锑铯阴极2、光电管主要特性阴极表面所发射的光电子的平均数13远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/μm波数/cm-1频率/Hz光子能量/eV1061051041035×1055×1045×10310155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速C=2.99793×1010cm/s，通常C≈3×108cm/s。光的波长λ和频率γ的关系为

γ的单位为Hz，λ的单位为cm。γλ=C=3×108cm/s14性能主要有：伏安特性、光电特性、频谱特性、频率响应、噪声以及热稳定性和暗电流等。（1）光电管的伏安特性2、光电管其它主要特性伏安特性：在恒定的入射光频率成分和强度条件下光电管的光电流和阳极电压之间的关系。光通量一定时，当阳极电压增加，光电流趋于一定值(饱和)，光电管的工作点一般选在该区域中。15（2）

光电管的光电特性

1-锑铯光电阴极的光电管2-氧铯光电阴极的光电管光电特性：在工作电压和入射光的频率成分恒定条件下，光电管接收的入射光通量值与其输出光电流之间的比例关系。呈线性关系的材料在测量中应用广泛。16常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。一、光敏电阻光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。

第四节内光电效应器件17光敏电阻当光敏电阻受到光照时，阻值减小。18光敏电阻演示

暗电流（越小越好）当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。191.光敏电阻的主要参数和基本特性（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。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。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几KΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。20（2）光照特性在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。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。012345I/mAL/lx1000200021（3）光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。光敏电阻对于不同波长的入射光，其相对灵敏度也是不同的。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。204060801004080120160200240λ/μm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅22（4）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，在给定电压下,光照度较大，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5010015020012U/V02040象。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。I/μA23（6）温度特性：其性能(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。光谱特性曲线的峰值随温度上升向波长短的方向移动，如图B。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射而采取降温措施。I/μA100150200-50-10305010-30T/ºC2040608010001.02.03.04.0λ/μmKr/%+20ºC-20ºC（A）（B）24二、光电池（又称太阳能电池）

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。+光PN－SiO2RL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。1.光电池的结构和工作原理25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PI光PN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。26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。27能提供较大电流的大面积光电池外形28光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板29光电池在动力方面的应用太阳能发电301.光敏二极管其结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。因此，在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。

PN光光敏二极管符号RL

光PN光敏二极管接线三、光敏二极管和光敏三极管31光敏二极管和发光二极管区别光敏二极管：因有光照而改变电阻值，检测是否有光存在。发光二极管：一通电就会发光（光电耦合器件中常用）32光敏三极管有PNP型和NPN型两种。其结构与一般三极管很相似。当光线照射在PN结上时,会产生电子-空穴对,它们在内电场的作用下,发生定向运动形成光电流。2.光敏三极管PPNNNPecRLEecbb33第五节光电式传感器应用光电耦合器简称光耦，它的发光和接收元件都封装在一个外壳内,发光元件为发光二极管，受光元件为光敏三极管或光敏可控硅。光电耦合器件的分类

根据其结构和用途不同，可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。34光电耦合器和光电开关的区别光电耦合器即光耦，它的原理是通过发光二极管照射三极管从而使得三极管导通和关断，通过调节二极管电压大小调节发光强度，从而使流过三极管的电流变化，常常用光耦做反馈用。光电开关原理类似，不过它只是用来当作开关用的，也就是发光，三极管开通，需要一个挡光的东西,但并不需要调节电流大小。35光电耦合器(a)(b)(c)(d)按照组合形式的不同，光电耦合器大致可分为如下四种类型。该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。该形式采用功率器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。36光电开关的结构：(a)透射式；(b)反射式。(a)(b)光电开关光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。37光电开关的特点是小型、高速、非接触，与TTL、MOS等电路容易结合。用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高-低”（1-0）之分即可。如图(a)、(b)表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况，(c)表示用晶体管放大光电流的情况。光电开关的基本电路(a)(b)(c)38脉冲编码器Vi为24V电源电压，Vo为输出电压，N为光栅转盘上总的光栅辐条数，R1和R2为限流电阻器，A和B分别是发光二极管的发射端和接收端。当转轴受外部因素的影响而以某一转速n转动时，光栅转盘也随着以同样的速度转动。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。可见，输出V0的频率f由转速n确定：f=nN39光电扫描笔40第六节光电式传感器的类型41(a)辐射式被测物体本身是光辐射源，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数。光电高温计、光电比色高温计、红外侦察、红外遥感和天文探测等均属于这一类。这种方式还可用于防火报警，火种报警和构成光照度计等。(a)辐射式42(b)透射式（吸收式）

光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。可以测量液体、气体的透明度、混浊度，对气体进行成分分析，测定液体中某种物质的含量等。也可用于防火报警，烟雾报警等。(b)透射式（吸收式）43（c）反射式(c)反射式恒定光源释出的光投射到被测物体上，再从其表面反射到光电元件上，根据反射的光通量多少测定被测物表面性质和状态。可以测量零件表面粗糙度、表面缺陷、表面位移以及表面白度、露点、湿度等。44定区域反射式光电开关原理

定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号。检测距离检测距离45反射型光电开关外形电源指示信号指示46应用（续）商标方向检测47(d)投射式（遮光式）恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到