第七章-光电式传感器

第七章光电式传感器

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。7.1光电效应7.2光电器件7.4光纤传感器7.5光栅式传感器7.1光电效应

由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后，转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类7.1.1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。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）

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。根据能量守恒定理该方程称为爱因斯坦光电效应方程。式中m—电子质量；v0—电子逸出速度。（1）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。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，即使光线微弱，也会有光电子射出。（2）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。（3）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（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，而且截止电压与入射光的频率成正比。

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，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。7.1.2内光电效应过程：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，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，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。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg

材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。

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，即

（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。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。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。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）。

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，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。1、光电管及其基本特性a.结构与工作原理

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。7.2光电器件一外光电效应器件光电管的结构示意图

光阳极光电阴极光窗b.主要性能

光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。（1）

光电管的伏安特性

在一定的光照射下，对光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光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。光电管的伏安特性5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压/VIA/μA（2）

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255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.512、光电倍增管

当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大。

由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，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。结构和工作原理入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极

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。

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。1、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。二内光电效应器件1.光敏电阻的工作原理和结构

管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案。A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体1--光导层;2--玻璃窗口;3--金属外壳;4--电极;5--陶瓷基座;6--黑色绝缘玻璃;7--电阻引线。RG1234567(a)结构(b)电极(c)符号它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种硫状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的代表符号。CdS光敏电阻的结构和符号

光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，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，其连线电路如图所示。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。

RGRLEI2.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。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。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。

（2）光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性。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。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mAL/lx10002000二、光电池

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。命名方式：

把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。硅光电池是在一块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+光PN－SiO2RL(a)光电池的结构图(b)光电池的工作原理示意图I光PN光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。(a)IU(b)

光电池符号和基本工作电路L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光电池(b)硒光电池（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2.基本特性开路电压短路电流短路电流短路电流，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。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0三、光敏二极管和光敏三极管

光敏二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几μA到几十μA。1.光敏二极管光敏二极管的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.PN光光敏二极管符号RL

光PN光敏二极管接线

光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流．当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，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，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。光敏二极管的反向偏置接法

在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。

光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示

在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。

当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。

光敏二极管的反向偏置接法UO+—光照2.光敏三极管光敏三极管有PNP型和NPN型两种。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。PPNNNPeb

bcRLEec光敏晶体管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性

光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。

光纤传感器可以分为两大类:一类是功能型（传感型）传感器;另一类是非功能型（传光型）传感器。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制过的信号进行解调,从而得出被测信号。非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传输介质。光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为2~12μm,很细的纤芯半径接近于光源波长的长度,仅能维持一种模式传播,一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤;光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。7.4光纤传感器

为了满足特殊要求,出现了保偏光纤、低双折射光纤、高双折射光纤等。所以采用新材料研制特殊结构的专用光纤是光纤传感技术发展的方向。

7.4.1光纤的结构和传输原理

1．光纤的结构光导纤维简称为光纤,目前基本上还是采用石英玻璃,其结构示于下图。中心的圆柱体叫纤芯,围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2,在包层外面还常有一层保护套,多为尼龙材料。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质,而光纤的机械强度由保护套维持。光纤结构简图

2．光纤的传输原理

众所周知,光在空间是直线传播的。在光纤中,光的传输限制在光纤中,并随光纤能传送到很远的距离,光纤的传输是基于光的全内反射。当光纤的直径比光的波长大很多时,可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。设有一段圆柱形光纤,如图所示,它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θ角时,根据斯涅耳光的折射定律,在光纤内折射成θ′,然后以φ角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射,则纤芯与界面的光线入射角φ应大于临界角φc,即

φ≥φc=arcsin

并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射,直至传播到另一端面。为满足光在光纤内的全内反射,光入射到光纤端面的临界入射角θc应满足下式:

所以

实际工作时需要光纤弯曲,但只要满足全反射条件,光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。一般光纤所处环境为空气,则n0=1。这样在界面上产生全反射,在光纤端面上的光线入射角为

θ≤θc=arcsin

说明光纤集光本领的术语叫数值孔径NA,即

NA=sinθc=

数值孔径反映纤芯接收光量的多少。其意义是:无论光源发射功率有多大,只有入射光处于2θc的光锥内,光纤才能导光。如入射角过大,如图中角θr,经折射后不能满足要求,光线便从包层逸出而产生漏光。所以NA是光纤的一个重要参数。一般希望有大的数值孔径,这有利于耦合效率的提高,但数值孔径过大,会造成光信号畸变,所以要适当选择数值孔径的数值。

7.4.3光纤传感器的实际应用光纤传感器由于它的独特的性能而受到广泛的重视,它的应用正在迅速地发展。下面我们介绍几种主要的光纤传感器。光纤传光原理

１．光纤加速度传感器光纤加速度传感器的组成结构如图所示。它是一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光,透射光作为参考光束,反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时,由于质量块M对光纤的作用,从而使光纤被拉伸,引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号,经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。光纤加速度传感器原理图

２．光纤温度传感器

光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而广泛使用的光纤传感器。根据工作原理可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。这里仅介绍一种光强调制型的半导体光吸收型光纤温度传感器,图为这种传感器的结构原理图,它的敏感元件是一个半导体光吸收器,光纤用来传输信号。传感器是由半导体光吸收器、光纤、发射光源和包括光控制器在内的信号处理系统等组成。它体积小、灵敏度高、工作可靠,广泛应用于高压电力装置中的温度测量等特殊场合。

光纤温度传感器

这种传感器的基本原理是利用了多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性,如图所示,材料的吸收光波长将随温度增加而向长波方向移动,如果适当地选定一种波长在该材料工作范围内的光源,那么就可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化,从而达到测量温度的目的。这种光纤温度传感器结构简单、制造容易、成本低、便于推广应用,可在-10~300℃的温度范围内进行测量,响应时间约为2s。３．光纤旋涡流量传感器光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入流管,当液体或气体流经与其垂直的光纤时,光纤受到流体涡流的作用而振动,振动的频率与流速有关系,测出频率便可知流速。这种流量传感器结构示意图如图所示。半导体光透过率特性光纤旋涡流量传感器

当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时,根据流体力学原理,在某些条件下,在非流线体的下游两侧产生有规则的旋涡,其旋涡的频率f近似与流体的流速成正比，即

f≈式中:v——流速;d——流体中物体的横向尺寸大小;S——斯特罗哈（Strouhal）数,它是一个无量纲的常数,仅与雷诺数有关。上式是旋涡流体流量计测量流量的基本理论依据。由此可见,流体流速与涡流频率呈线性关系。

在多模光纤中,光以多种模式进行传输,在光纤的输出端,各模式的光就形成了干涉花样,这就是光斑。一根没有外界扰动的光纤所产生的干涉图样是稳定的,当光纤受到外界扰动时,干涉图样的明暗相间的斑纹或斑点发生移动。如果外界扰动是由流体的涡流引起的,那么干涉图样的斑纹或斑点就会随着振动的周期变化来回移动,这时测出斑纹或斑点移动,即可获得对应于振动频率f的信号,根据式推算流体的流速。这种流量传感器可测量液体和气体的流量,因为传感器没有活动部件,测量可靠,而且对流体流动不产生阻碍作用,所以压力损耗非常小。这些特点是孔板、涡轮等许多传统流量计所无法比拟的。7.5.1结构与分类

1.定义：

等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件

在玻璃尺或玻璃盘上类似于刻线标尺或度盘那样，进行长刻线（一般为10-12mm）的密集刻划，得到如图所示的黑白相间、间隔相同的细小条纹，没有刻划的白的地方透光，刻划的发黑，不透光。这就是光栅。7.5光栅传感器2.分类

实际上，光栅很早就被人们发现了，但应用于技术领域只有一百多年的历史。早期人们利用光的衍射现象分析光谱、测定波长，这种光栅称之为物理光栅；到了20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹现象测量精密位移，人们把这种光栅称为计量光栅，以示区别。按形状和用途，光栅可分为长光栅和圆光栅两种。长光栅---直线位移；圆光栅---角位移

按运动形式分：直线型---主光栅为直尺形→直线移动旋转型---主光栅为圆盘形→旋转运动按光学形式分：透射式---光源与光电元件在两侧→透射光反射式---光源与光电元件同一侧→反射光反射式光栅透射式光栅透射式圆光栅固定3.基本结构构成：主光栅---标尺光栅，定光栅；指示光栅---动光栅长度---测量范围；刻线密度---测量精度(10、25、50、100、125线/mm)4.基本参数

光栅上的刻线称为栅线，栅线的宽度为a，缝隙宽度为b，一般都取a=b，而W＝a+b，如图所示。W称为光栅的栅距(也称光栅常数或光栅的节距)，它是光栅的重要参数。

长光栅栅线的疏密(即栅距W的大小)常用每毫米长度内的栅线数(也称栅线密度)表示。例如W＝0.02mm，其栅线密度为50线／mm。7.5.2工作原理