传感器58章光电式1课件

传感器技术及应用

机械092011～2012第二学期2012年3月第8章光电式传感器是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件

。以光电器件作为转换元件.特点：非接触、响应快、性能可靠8-1概述X1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式，X2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。光，可以直接作为被检测量X1，亦可作为被测量X2的中间媒介冲床安全保护器光电保护响应时间≤20ms，光电保护工作寿命≥106次，紧急制动时间≤200ms，光的特性常用光源光电效应外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应光的调制波长频率能量光电转换元件光源光通路光电阻光电管光电池8-2光源8-2-1对光源的要求1、必须有足够的照度2、应保证均匀、无遮挡或阴影3、照射方式应符合测量方式4、发热量尽可能小5、必需具有合适的光谱范围电磁波波谱分布图光波：波长为10纳米—1毫米的电磁波可见光：

波长380—780纳米红外线：

波长780纳米—1毫米近红外线：波长<3微米远红外线：波长>3微米的近紫外远紫外可见光近红外远红外极远紫外0.01（10nm）0.11100.050.55波长/μm紫外线：波长380—10纳米近紫外线：波长380－300纳米远紫外线：波长300—200纳米极远紫外线：波长200—10纳米二、光波的频率：

＝C/，与波长成反比其中：C——光速，C≈3×108m/s

300GHz~30MGHz电磁波光波微波无线电波超短波短波长波中波300MHz~300GHz30MHz~300MHz3MHz~30MHz300KHz~3MHz30KHz~300KHz>30MGHz射线8.2.3常用光源及特性1.热辐射光源——温度越高，光越亮常用：白炽灯、卤素灯发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，辐射光谱是连续；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。2.气体放电光源定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。光谱与气体的种类及放电条件有关。特点：光谱是不连续的，可用作单色光源。消耗能量仅为白炽灯1/2—1/3。如涂以荧光剂，可以使气体放电发出某一范围的波长，如，照明日光灯。

3.发光二极管（LED）发光范围：与材料有关，有可见光、红外光。参数：峰值波长λp决定发光颜色，峰的宽度（用Δλ描述）决定光的色彩纯度。特点：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。

λp=565nm0.20.40.60.81.0

06007008009001000λp=670nmλp=655nmGaAsPλp=950nmGaAs

发光二极管的光谱特性

λ/nm相对灵敏度GaPλp=655nmGaAsP4.激光器激光的三个重要特性：高方向性、高单色性、高亮度发光范围：波长从0.24μm到远红外整个光频波段范围。激光器种类（按工作物质分）：

固体激光器、

气体激光器、

半导体激光器、液体激光器。全固化固体激光器

大功率激光二极管取代闪光灯泵浦优点：（1）转换效率高；（2）性能可靠、寿命长；（3）输出光束质量好8.3光电效应及器件光电传感器的工作原理基于光电效应。

光电效应：指物体将吸收的光能转换为该物体中某些电子的能量，而产生的电效应。分为外光电效应和内光电效应。光电效应产生的条件二、红限频率与临界波长红限频率f0：对应某一种物质的光频阀值,f0＝A0/h红限波长：对应红限频率的波长称为临界波长，0＝hC/A0三、基于外光电效应原理工作的光电器件1、构成：装有光电阴极和阳极的真空玻璃管，（一）光电管2、工作原理:光阴极受到适当光照射后发射电子，电子被阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。

3、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。光电管的灵敏度：光照特性曲线的斜率光电管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51与光照有关的单位制辐射度学光度学光子学光通量瓦W流明lm光子/s能量焦耳J流明lm光子工作原理利用二次电子释放效应,将光电流放大。阳极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、光电倍增管的灵敏度因此在很微弱的光照时，能产生很大的光电流。2.主要参数（1）倍增系数M

M＝δ

nδ——二次电子发射系数；n——倍增级数阳极电流I为：I=i·δ

ni—光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数β=I/i=MM与所加电压有关，M在105~108之间，稳定性为1％左右，加速电压稳定性要在0.1％以内。一般阳极和阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V。对所加电压越稳越好。

（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。（4）光电倍增管的光照特性对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。光电倍增管的光照特性与直线最大偏离是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA处饱和10－1410－1010－610－2光通量/1m阳极电流/A光照特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。光电倍增管产品1：

侧窗型光电倍增管（R105）技术指标：直径（28mm）、九级倍增、，硼硅玻壳、锑铯光阴极、300～650nm谱响应，最大响应波长：400nm阴极与阳极间电压：1250Vdc光照灵敏度：阴极：40A/lm阳极：400A/lm阳极暗电流(最大)：50nA光电倍增管产品2：

端窗型光电倍增管（CR110）技术指标：直径（28mm）、11级倍增、，硼硅玻壳、锑铯光阴极、300～650nm谱响应，最大响应波长：420nm阴极与阳极间电压：1500Vdc光照灵敏度：阴极：95A/lm阳极：200A/lm阳极暗电流(最大)：10nA光电倍增管产品3：

高温光电倍增管（CR162）技术指标：直径（28mm）、盒栅式11级倍增、，硼硅玻壳、锑钾钠光阴极、耐高温铜铍倍增极三种温度可供选择：125℃/150℃/175℃300～650nm谱响应，最大响应波长：420±20nm阴极与阳极间电压：1800Vdc光照灵敏度(最小)：阴极：20A/lm阳极：8A/lm阳极暗电流(最大)：10nA光电倍增管电源输入电压：12V±2V输出电压：0～+1500V输出电流：1mA外形：50×38×25(mm)重量：100gCPM端窗式光电倍增管ChannelPhotomultipliersCPM工作原理：通过安装在端窗式光窗口内表面的一个半透明的光电阴，接收非常微弱的入射光，并转换成光电子。然后光电子从阴极到阳极,穿过一个窄的半导体通道，光电子每次撞击弯曲通道的内表面时，产生类似于光电倍增管的雪崩效应，发射出倍增的二次电子。这个效应沿着整个倍增通道，发生许多次，导致雪崩效应，增益达到108。弯曲的玻璃管形状加强了倍增效应。与传统PMT比较尺寸紧凑，最小的端窗式探测器，包括外壳直径10.5mm，有1/3‘’、1/2‘‘、3/4’’等尺寸规格；只需要一个3000伏的电源，无外部电压分配网络要求，特点：超高的阳极灵敏度，比传统PMT超过一到两个数量级，比雪崩二极管APD超过5个数量级；（在3000伏最大偏置电压下，增益达到108A/W；在2400伏时，典型增益为3x106A/W）极低的暗电流，比传统的PMT降低了一到两个数量级，扩展了动态探测范围，典型值3pA、106增益非常高稳定的暗电流，CPM半导体内表面没有充电效应，不会产生突变脉冲电流；非常低的等效输入噪声(低于10-17W)；多种光电阴极窗口材料，响应光谱范围：115nm～900nm；

典型应用：荧光、紫外、可见、红外分光光度计，色度光度计高精度、高效率光子探测和闪烁计数应用荧光探测分析，荧光分光光度计微弱光探测精密分析仪器和生化分析、医疗仪器生物发光和化学发光研究环境射线剂量监测β射线和γ射线探测高能物理

高压电源高度稳定的高压电源，可调电压范围0…(-)3000V，最大输出电流为100uA，5V工作电压，150us门控时间，短路电流保护。

8.3.2内光电效应及其器件当光照射在物体上，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（结光电效应）两类半导体光电器件光敏电阻光电耦合器光电池光电导效应光电三极管结光电效应光电二极管一、光电导效应及其器件1、光电导效应：半导体材料受到光照时，导电性增强，阻值减低的现象。过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，由价带越过禁带跃入导带，导带价带禁带自由电子所占能带价电子所占能带Eg使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，禁带宽度取决于材料的光导性能一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λc，只有波长小于λc

的光照射在上面，才能产生电子能级间的跃进，从而使其电导率增加。基于光电导效应的光电器件：光敏电阻导带价带禁带Eg2、光敏电阻1）工作原理没有极性，为纯粹的电阻器件。光照引起的附加电导十分明显，表现出较高的灵敏度。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RGRLEI2）光敏电阻结构特点电极一般采用梳状图案，减小电极间的距离以提高灵敏度Cd

S3）光敏电阻封装金属封装的硫化镉光敏电阻的结构玻璃底板半导体光导层。金属电极与引出线，为减小潮湿的影响，必须有严密的外壳封装环氧树脂封装的光敏电阻暗电阻：0.6M

亮电阻：5～10k100/10＝0.53、光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电阻、亮电阻、光电流暗电阻不受光照射时的阻值，一般在兆欧量级。此时流过的电流称为暗电流。亮电阻受光照射时的电阻（越小越好），此时流过的电流称为亮电流。光电流

亮电流与暗电流之差（其值越大越好）。光电流大，其相应的灵敏度增大。光敏电阻的暗电阻与亮电阻的比值值

＝lg(暗电阻/亮电阻)/lg(亮光照度值/暗光照度值)实用的光敏电阻的暗电阻为MΩ级，而亮电阻则为kΩ级。一般：最小＝lg(R10/R100)/lg(100/10)

＝lg(R10/R100)＝0.5～0.94、光电器件的特性光照特性光谱特性响应时间峰值探测率温度特性伏安特性（1）光照特性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。012345I/mAL/lx10002000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。（2）光谱特性相对灵敏度K与入射光波长之间的关系光谱特性与光敏电阻的材料有关。选用时，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。204060801004008001200160020002400λ/nm123相对灵敏度1－硫化铅在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；2－硫化镉、3－硒化镉的峰值在可见光区域。（3）频率