第8章 光电式传感器与转速检测

【教学目标】熟悉光电式传感器的结构及种类；掌握光电式传感器的测量原理及应用；了解光电式传感器的特性与技术参数；学会合理选用光电式传感器构成测光检光电路。【教学重点】光电式传感器的结构及特性；光电式传感器的工作原理。【教学难点】光电式传感器测量转换电路；光电式传感器测试应用。第八章光电式传感器与转速检测【教学内容】光电效应外光电效应内光电效应光伏效应第八章光电式传感器与转速检测【教学内容】光电器件光电管

光电倍增管

光敏电阻光电池光敏二极管和光敏晶体管第八章光电式传感器与转速检测【教学内容】光电式传感器的应用光电式传感器的类型光电式转速表光电式浊度仪带材跑偏检测仪声、光、触摸三控自动灯第八章光电式传感器与转速检测58.1光电效应1.外光电效应2.内光电效应3.光伏效应1外光电效应在光线照射下，使电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应。根据外光电效应制成的光电器件有光电管、光电倍增管等。外光电效应可用爱因斯坦光电方程来描述1/2mv2=hf-W(8-1)式中，v是电子逸出物体表面时的初速度；m是电子质量；W是金属材料的逸出功（金属表面对电子的束缚）。2内光电效应在光线照射下，使物体的电阻率发生改变的现象称为内光电效应，也称为光电导效应。根据内光电效应制成的光电器件有光敏电阻、光敏二极管与光敏三极管等。3光伏效应在光线照射下，使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，简称光伏效应。（1）势垒效应（结光电效应）接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。（2）侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。118.2光电器件8.2.1光电管8.2.2光电倍增管8.2.3光敏电阻8.2.4光电池8.2.5光敏二极管和光敏晶体管8.2.1光电管光电管是一种光敏元件，当它受到辐射后，能够从阴极释放出电子。光电管种类很多，它是个装有光阴极和阳极的真空玻璃管，结构如图8-1所示。图8-1光电管光电管分为真空光电管和充气光电管两种。真空光电管（又称电子光电管）由封装于真空管内的光电阴极和阳极构成。当入射光线穿过光窗照到光阴极上时，由于外光电效应，光电子就从极层内发射至真空。充气光电管（又称离子光电管）由封装于充气管内的光阴极和阳极构成。它不同于真空光电管的是，光电子在电场作用下向阳极运动时与管中气体原子碰撞而发生电离现象。8.2.2光电倍增管光电倍增管是可将微弱光信号通过光电效应转变成电信号并利用二次发射电极转为电子倍增的电真空器件。它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。图8-5光电倍增管外形图1.光电倍增管的结构和工作原理（1）光电倍增管的结构光电倍增管由光电阴极、倍增极、阳极、真空玻璃管等组成。光电倍增管的结构如图8-6所示.图8-6光电倍增管（2）光电倍增管的工作原理光电倍增管阴极室的结构与光阴极的尺寸和形状有关,它的作用是把阴极在光照下由外光电效应产生的电子聚焦在面积比光阴极小的第一倍增极的表面上。二次发射倍增系统是最复杂的部分。倍增极主要选择那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏度和二次发射系数的材料制成。2.

光电倍增管的主要参数（1）暗电流光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流．光电倍增管在工作时，其阳极输出电流由暗电流和信号电流两部分组成。当信号电流比较大时，暗电流的影响可以忽略，但是当光信号非常弱，以至于阳极信号电流很小甚至和暗电流在同一数量级时，暗电流将严重影响对光信号测量的准确性。（2）光谱响应特征光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不相同的，这一特性可用光谱响应率表示。在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率，表示为s(λ)=I(λ)/P(λ)(8-3)3.光电倍增管的应用由于光电倍增管增益高和响应时间短，又由于它的输出电流和入射光子数成正比，所以它被广泛使用在天体光度测量和天体分光光度测量中。其优点是：测量精度高，可以测量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度的快速变化。8.2.3光敏电阻光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。1.光敏电阻的结构与工作原理（1）光敏电阻的结构通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。一般光敏电阻器结构如图8-7所示。（2）光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了提高灵敏度，两电极常做成梳状。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子—空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。2.光敏电阻的分类根据光敏电阻的光谱特性，光敏电阻器可分为3类：（1）紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。（2）红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。（3）可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。3.光敏电阻的主要参数（1）光电流、亮电阻光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。（2）暗电流、暗电阻光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。（3）灵敏度灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。（4）额定功率额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。（5）伏安特性曲线伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。伏安特性曲线如图8-8所示。（6）光照特性光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。图8-8光敏电阻的伏安特性曲线

图8-9光敏电阻的光照特性曲（7）光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。光谱特性曲线如图8-10所示。（8）温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。温度特性曲线如图8-11所示。图8-10光敏电阻的光谱特性曲线

图8-11光敏电阻的温度特性4.光敏电阻的应用（1）光敏电阻调光电路图8-12典型的光控调光电路图8-13典型的光控调光电路8.2.4光电池光电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电池的种类很多，常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。1.光电池的结构与工作原理光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。硅光电池的结构如图8-15（a）所示。光电池的工作原理如图8-15（b）所示。图8-16光电池符号和基本工作电路2.基本特性（1）光照特性开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。图8-17硅光电池的光照特性曲线图（2）光电池的光谱特性光电池的光谱特性是指相对灵敏度和入射光波长之间的关系。如图8-18所示为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线。光电池的光谱特性决定于材料。8-18硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线（3）频率特性光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图8-19所示为光电池的频率响应曲线。图8-19光电池的频率特性（4）温度特性光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。图8-20光电池的温度特性8.2.5光敏二极管和光敏晶体管1．工作原理光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件，但在结构上有其特殊的地方。光敏二极管在电路中的符号如图8-21所示。2．主要参数表8-1光敏二极管的主要参数表8-2光敏三极管的主要参数（1）暗电流光敏二极管的暗电流是指光敏二极管无光照射时还有很小的反向电流。暗电流决定了低照度时的测量界限。光敏三极管的暗电流就是它在无光照射时的漏电流。（2）短路电流光敏二极管的短路电流是指PN结两端短路时的电流，其大小与光照度成比例。（3）正向电阻和反向电阻当无光照射时，光敏二极管正向电阻和反向电阻均很大。当有光照射时，光敏二极管有较小的正向电阻和较大的反向电阻。3．基本特性（1）光照特性从图8-23所示的光敏二极管和光敏晶体管的光照特性可以看出，光敏二极管的光电流与光照强度呈线性关系。（2）光谱特性光敏二极管的光谱特性如图8-24所示。图8-24光敏二极管和光敏三极管的光谱特性（3）伏安特性图8-25所示为光敏二极管的伏安特性。（4）响应时间硅光敏二极管的响应时间约为10~6-10~7S左右，光敏晶体管的响应速度则比相应的二极管大约慢一个数量级，而锗管的响应时间要比硅管小一个数量级。因此在要求快速响应或入射光调制频率较高时，应选用硅光敏二极管。（5）温度特性温度变化对亮电流的影响不大，但对暗电流影响非常大，并且是非线性曲线的。4．光敏三极管的应用（1）测量光亮度（2）光电隔离图8-27光电耦合器的结构（3）非接触测量转速转矩传感器在旋转轴上安装着60条齿缝的测速轮，在传感器外壳上安装的一只由发光二极管及光敏三极管组成的槽型光电开关架，测速轮的每一个齿将发光二极管的光线遮挡住时，光敏三极管就输出一个高电平，当光线通过齿缝射到光敏管的窗口时，光敏管就输出一个低电平，旋转轴每转一圈就可得到60个脉冲，因此，每秒钟检测到的脉冲数恰好等于每分钟的转速值。8.3光电式传感器的应用光电式传感器由光源、光学元器件和光电元器件组成光路系统，结合相应的测量转换电路而构成，如图8-29所示。图中x1和x2和为被测信号。常用的光源有各种白炽灯、发光二极管和激光等，常用的光学元件有各种反射镜、透镜和半反半透镜等。图8-29光电传感器组成框图1.光电式传感器的类型光电式传感器在检测与控制中应用非常广泛，按输出形式可以分为模拟式传感器和脉冲式传感器两种。按光的传输路径可以分为反射式与遮断