光电式传感器

4.10.1光 电 效 应 及 其 器 件2光 电 元 件 的 特 性4.10.3光 电 信 号 的 检 测 方 法4.10.4光 电 式 传 感 器 的 应 用 举 例 光 电 式 传 感 器 是 基 于 光 电 效 应 的 传感 器 ， 在 受 到 可 见 光 照 射 后 即 产 生 光 电效 应 ， 将 光 信 号 转 换 成 电 信 号 输 出 。 由于 光 电 测 量 方 法 灵 活 多 样 ， 可 测 参 数 众多 ， 具 有 非 接 触 、 高 精 度 、 高 可 靠 性 和反 应 快 等 特 点 ， 使 得 光 电 传 感 器 在 检 测和 控 制 领 域 获 得 了 广 泛 的 应 用 。 光 照 射 在 某 些 物 质 上 ， 物 质 的 电 子 吸 收 光 子 的 能 量 而释 放 电 子 的 现 象 称 为 光 电 效 应 。 释 放 的 电 子 称 为 光 电 子 ，能 产 生 光 电 效 应 的 物 质 称 为 光 电 材 料 。 4.10.1.1 外 光 电 效 应 外 光 电 效 应 ： 当 光 线 照 射 在 某 些 光 电 材 料 上 ， 使 物 体内 的 电 子 克 服 正 离 子 的 束 缚 而 逸 出 物 体 表 面 的 现 象 称 为 外光 电 效 应 ， 也 称 为 光 电 发 射 ， 逸 出 的 电 子 称 为 光 电 子 。 基 于 外 光 电 效 应 的 光 电 器 件 有 ：光 电 管 和 光 电 倍 增 管 。 光 电 管 光 电 倍 增 管 光 子 能 量 ： 若 物 体 中 电 子 吸 收 的 入 射 光 的 能 量 足 以 克 服 逸 出 功 A时 ，电 子 就 逸 出 物 体 表 面 ， 产 生 电 子 发 射 。 因 此 要 使 一 个 电 子逸 出 ， 则 光 子 能 量 必 须 超 出 逸 出 功 A， 超 过 部 分 的 能 量 ， 表现 为 逸 出 电 子 的 动 能 ， 因 此 有 ： 爱 因 斯 坦 光 电 方 程 ： 式 中 ： h为 普 朗 克 常 数 ， ； 为 光 子 的 频 率 （ 单 位 ： s -1） ; m为 电 子 质 量 ； v为 逸 出 电 子 的 初 速 度 ； A为 电 子 的 逸 出 功 （ 或 物 体 表 面 束 缚 能 ） 。hE Amvh 221 s10626.6 34- Jh 基 本 规 律 ： 由 式 可 知 ： 光 电 子 能 否 产 生 ， 取 决 于 光 子 的 能 量 是否 大 于 该 物 体 的 表 面 电 子 逸 出 功 A。 不 同 物 体 具 有 不 同 的逸 出 功 ， 这 意 味 着 每 一 个 物 体 都 有 一 个 对 应 的 光 频 阀 值 ，称 为 红 限 频 率 或 波 长 限 。 光 线 频 率 小 于 红 限 频 率 的 入 射光 ， 光 强 再 大 也 不 会 逸 出 光 电 子 ， 说 明 。 在 能 产 生 外 光 电 效 应 的 前 提 下 ， 单 位 时 间 内 逸 出 的电 子 数 量 与 光 强 成 正 比 ， 即 光 电 流 与 光 强 成 正 比 。 光 电 子 逸 出 物 体 表 面 具 有 初 始 动 能 ， 因 此 外 光 电 效应 器 件 （ 表 面 加 铯 或 氧 化 铯 等 的 光 电 材 料 ） ， 如 光 电 管即 使 没 有 加 阳 极 电 压 ， 也 会 有 光 电 子 产 生 形 成 光 电 流 。 4.10.1.2 内 光 电 效 应 当 光 照 射 在 物 体 上 ， 绝 大 多 数 高 阻 率 的 半 导 体 由 于 吸 收了 光 子 的 能 量 ， 使 物 体 的 电 阻 率 发 生 变 化 而 导 电 的 现 象 称 为内 光 电 效 应 。 内 光 电 效 应 又 分 为 光 电 导 效 应 和 光 生 伏 特 效 应 。 光 电 导 效 应 在 光 线 作 用 下 ， 材 料 内 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 阻 率 变 化 的 现 象 称 为 光 电 导效 应 。 基 于 光 电 导 效 应 的 光 电 器 件 有 。 入 射 光 能 导 出 光 电 导 效 应 的 临 界 波 长 0为 ： 式 中 ， h为 普 朗 克 常 数 ； c为 光 速 ； Eg为 半 导 体 材 料能 级 宽 度 。 gEhc/0 电 子 能 级 的 价 带 、 导 带 和 禁 带 由 上 图 可 见 , 能 量 高 的 区 域 称 为 导 带 , 能 量 低 的 区 域 为 价 带 , 处 于 它 们 中 间 的 是 禁 带 , 它 表 示 电 子 在 其 中 不 能 存 在 的 状 态 。 当 半导 体 接 收 的 外 加 光 能 量 大 于 半 导 体 禁 带 时 , 会 使 半 导 体 原 子 中 价 带的 电 子 跃 迁 到 导 带 , 价 带 因 失 去 电 子 以 后 而 出 现 空 穴 , 所 以 由 光 的入 射 就 会 产 生 电 子 、 空 穴 对 , 当 外 部 加 上 电 压 时 , 会 使 这 些 电 子 、空 穴 对 移 动 , 从 而 产 生 电 流 。 光 生 伏 特 效 应 当 光 线 照 射 在 具 有 PN结 的 半 导 体 材 料 上 ， 在 PN结 两 边 产生 电 动 势 的 现 象 称 为 光 生 伏 特 效 应 。 基 于 光 生 伏 特 效 应 的 光电 器 件 有 光 电 池 、 光 敏 二 极 管 和 光 敏 晶 体 管 。 势 垒 效 应 （ 结 光 电 效 应 ） 在 PN结 半 导 体 光 电 元 件 中 ， 当 光 线 照 射 其 接 触 区 域 (P区 )时 ， 若 光 子 能 量 大 于 其 禁 带 宽 度 Eg， 使 价 带 电 子 跃 迁 到 导带 ， 产 生 电 子 空 穴 对 ， 由 于 阻 挡 区 内 电 场 的 作 用 ， 形 成 光电 动 势 的 现 象 称 为 势 垒 效 应 。 侧 向 光 电 效 应 当 半 导 体 光 电 器 件 受 光 照 不 均 匀 时 ， 由 于 载 流 子 （ 光照 产 生 的 电 子 空 穴 对 ） 浓 度 梯 度 的 存 在 将 会 产 生 侧 向 光 电效 应 。 光 照 强 的 部 分 带 正 电 ， 光 照 弱 的 部 分 带 负 电 。 4.10.1.3 光 电 管 光 电 管 的 结 构 和 工 作 原 理 结 构 ： 真 空 （ 或 充 气 ） 玻 璃 泡 内 装 两 个 电 极 ： 光 电 阴极 K和 阳 极 A， 阳 极 加 正 电 位 。 如 图 4.10.1.3所 示 。 原 理 ： 当 光 电 阴 极 K受 到 适 当 波 长 的 光 线 照 射 时 发 射 光电 子 ， 电 子 从 阴 极 表 面 逸 出 ， 被 光 电 阳 极 吸 引 ， 光 电 子 在光 电 管 内 形 成 电 子 流 ， 在 外 电 路 中 便 产 生 光 电 流 I， 在 负 载电 阻 上 的 压 降 为 输 出 电 压 。 图 4.10.1.3 光 电 管 的 结 构 和 工 作 原 理 LR 0U 4.10.1.4 光 电 倍 增 管 光 电 倍 增 管 的 结 构 和 工 作 原 理 结 构 ： 由 光 电 阴 极 、 若 干 倍 增 极 和 阳 极 组 成 ， 如 图4.10.1.4所 示 。 原 理 ： 光 电 倍 增 管 工 作 时 (要 求 直 流 供 电 )， 各 倍 增 极（ D1、 D2、 D3 ） 和 阳 极 均 加 上 电 压 ， 并 依 次 升 高 ， 阴 极 K电位 最 低 ， 阳 极 A电 位 最 高 。 入 射 光 照 射 在 阴 极 上 ， 打 出 光 电子 ， 经 倍 增 极 加 速 后 ， 在 各 倍 增 极 上 打 出 更 多 的 “ 次 级 电子 ” 。 对 倍 增 极 n=10， 光 电 倍 增 管 放 大 倍 数 K可 达 106左 右 ， 光电 倍 增 管 的 放 大 倍 数 很 高 ， 因 而 不 能 受 强 光 照 射 ， 否 则 容 易造 成 倍 增 管 永 久 损 坏 。 图 4.10.1.4 光 电 倍 增 管(a)结 构 图 ； (b)原 理 图 ； (c)供 电 电 路 4.10.1.5 光 电 池 光 电 池 是 利 用 光 生 伏 特 效应 将 光 能 直 接 转 变 成 电 能 的器 件 ， 它 广 泛 用 于 将 太 阳 能直 接 转 变 为 电 能 ， 因 此 又 称为 太 阳 能 电 池 。 光 电 池 的 种类 很 多 ， 应 用 最 广 的 是 硅 光电 池 和 硒 光 电 池 等 。 光 电 池 的 结 构 光 电 池 的 结 构 如 图 4.10.1.5所 示 ， 它 实 质 上 是 一 个 大 面积 的 PN结 。 当 光 照 射 到 半 导 体 P区 上 时 ， 便 在 PN结 两 端 产 生电 动 势 （ P区 为 正 ， N区 为 负 ） 形 成 电 源 ,如 果 外 接 负 载 ， 则光 电 池 就 会 源 源 不 断 给 负 载 供 电 。 图 4.10.1.5 光 电 池（ a） 结 构 图 ； （ b） 工 作 原 理 示 意 图 工 作 原 理 P型 半 导 体 与 N型 半 导 体 结 合 在 一 起 时 ， 由 于 载 流 子 的 扩 散作 用 ， 在 其 交 界 处 形 成 一 过 渡 区 ， 即 PN结 ， 并 在 PN结 形 成 一内 建 电 场 ， 电 场 方 向 由 N区 指 向 P区 ， 阻 止 载 流 子 的 继 续 扩 散 。当 光 照 射 到 PN结 上 时 ， 在 其附 近 激 发 电 子 -空 穴 对 ， 在 PN结 内 电 场 作 用下 ， N区 的 光 生空 穴 被 拉 向 P区 ，P区 的 光 生 电 子被 拉 向 N区 ， 结 果 在 N区 聚 集 了电 子 ， 带 负 电 ；P区 聚 集 了 空 穴 ，带 正 电 。 这 样 N区 和 P区间 出 现 了 电 位差 ， 若 用 导 线连 接 PN结 两 端 ，则 电 路 中 便 有电 流 流 过 ，电 流 方 向 由 P区 经 外 电 路 至N区 ； 若 将 电路 断 开 ， 便 可测 出 光 生 电 动势 。 4.10.1.5 光 敏 电 阻 光 敏 电 阻 的 结 构 和 工 作 原 理 光 敏 电 阻 由 梳 状 电 极 和 均 质 半 导 体 材 料 制 成 ， 基 于 内 光电 效 应 ， 其 电 阻 值 随 光 照 而 变 化 。 图 4.10.1.5示 出 其 结 构 、原 理 。 图 4.10.1.5 CDS光 敏 电 阻 结 构 和 工 作 原 理1-玻 璃 ； 2-光 电 导 层 ； 3-电 极 ； 4-绝 缘 衬 底 ； 5-金 属 壳 ； 6-黑 色 绝 缘 玻 璃 ； 7-引 线 光 敏 电 阻 是 纯 电 阻 器 件 ， 具 有 很 高 的 光 电 灵 敏 度 ， 常 作为 光 电 控 制 用 。 光 敏 电 阻 的 主 要 特 性 参 数 : 暗 电 阻 ： 光 敏 电 阻 在 室 条 件 下 ， 无 光 照 时 具 有 的 电 阻值 ， 称 为 暗 电 阻 （ 1M ） 。 此 时 流 过 的 电 流 称 为 暗 电 流 。 亮 电 阻 ： 光 敏 电 阻 在 一 定 光 照 下 所 具 有 的 电 阻 称 其 为 在该 光 照 下 的 亮 电 阻 （ 1k ） 。 此 时 流 过 的 电 流 称 为 亮 电 流 。 光 电 流 =亮 电 流 暗 电 流 。 4.10.1.6 光 敏 二 极 管 光 敏 管 的 结 构 和 工 作 原 理 光 敏 二 极 管 的 基 本 结 构 就 是 具 有 光 敏 特 性 的 PN结 ， 结 构和 工 作 原 理 与 光 电 池 相 似 。 如 图 4.10.1.6 (a)所 示 。 光 敏 二极 管 在 电 路 中 处 于 反 向 工 作 状 态 ， 4.10.1.6 (b)所 示 。 图 4.10.1.6光 敏 二 极 管 结 构 模 型 和 基 本 工 作 电 路 （ a） 结 构 简 化 模 型 ； （ b） 基 本 工 作 电 路 光 敏 二 极 管 的 特 性 无 光 照 时 ， 反 向 电 阻 很 大 ， 电 路 中 仅 有 反 向 饱 和 漏 电流 ， 一 般 为 10-8 10-9A， 称 为 暗 电 流 ， 相 当 于 光 敏 二 极 管截 止 ； 当 有 光 照 射 在 PN结 上 时 ， 由 于 内 光 电 效 应 ， 产 生 光生 电 子 空 穴 对 ， 使 少 数 载 流 子 浓 度 大 大 增 加 ， 因 此 ，通 过 PN结 的 反 向 电 流 也 随 之 增 加 ， 形 成 光 电 流 ， 相 当 于 光敏 二 极 管 导 通 ； 入 射 光 照 度 变 化 ， 光 电 流 也 变 化 。 可 见 ，光 敏 二 极 管 具 有 光 电 转 换 功 能 ， 故 又 称 为 光 电 二 极 管 。 4.10.1.6 光 敏 晶 体 管 光 敏 管 的 结 构 和 工 作 原 理 如 右 图 所 示 为 NPN型 光敏 晶 体 管 的 结 构 简图 和 基 本 电 路 。 当 光 照 射 在 集电 结 上 时 ， 就 会 在 集 电 结 附 近 产 生 电 子 -空 穴 对 ， 电 子 和 空 穴分 别 在 集 电 结 势 垒 电 场 的 作 用 下 分 别 向 N区 和 P区 移 动 ， 形 成光 电 流 ， 此 时 P区 的 空 穴 积 累 较 多 ， 提 高 了 基 射 结 的 偏 置 ，在 外 加 电 场 的 作 用 下 ， 形 成 集 电 极 电 流 ， 其 中 ， 为光 敏 晶 体 管 的 电 流 放 大 倍 数 ， 所 以 光 敏 晶 体 管 的 灵 敏 度 比 二极 管 的 高 。 NPN型 光 敏 晶 体 管 结 构 简 图 和 基 本 bI cI bc II 4.10.1.7 光 控 晶 闸 管 光 敏 光 控 晶 闸 管 的 结 构 光 控 晶 闸 管 是 利 用 光 信 号 控 制 电 路 通 断 的 开 关 元 件 ， 有PNPN四 层 结 构 ， 有 三 个 PN结 J1、 J2、 J3， 如 下 图 （ a） 所 示 。 光 敏 光 控 晶 闸 管 的 工 作 原 理 ： 光 敏 光 控 晶 闸 管 工 作 原 理 如 上 图 （ b） 所 示 。 光 敏 区 为 J2结 。 若 入 射 光 照 射 在 光 敏 区 ， 产 生 的 光 电 流通 过 J2结 ， 当 光 电 流 大 于 某 一 阈 值 时 ， 晶 闸 管 便 由 断 开 状态 迅 速 变 为 导 通 状 态 。 完 全 导 通 时 有 ： 光 控 晶 体 闸 流 管 一 旦 导 通 ， 即 使 撤 去 光 源 ， 它 仍 能 维持 导 通 状 态 ， 除 非 反 向 或 小 于 光 控 晶 体 闸 流 管 的 阀 值 电压 时 ， 光 控 晶 体 闸 流 管 才 会 截 止 。 LA II 21ACU 4.10.1.8 光 电 耦 合 器 光 电 耦 合 器 件 是 由 发 光 元 件 （ 如 发 光 二 极 管 ） 和 光 电 接 收元 件 合 并 使 用 ， 以 光 作 为 媒 介 传 递 信 号 的 光 电 器 件 。 光 电耦 合 器 中 的 发 光 元 件 通常 是 半 导 体 的 发 光 二 极管 ， 光 电 接 收 元 件 有 光敏 电 阻 、 光 敏 二 极 管 、光 敏 三 极 管 或 光 可 控 硅等 。 根 据 其 结 构 和 用 途不 同 ， 又 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 。 光 电 耦 合 器 的 结 构 和 工 作 原 理 光 电 耦 合 器 的 发 光 和 接 收 元 件 都 封 装 在 一 个 外 壳 内 ， 一般 有 金 属 封 装 和 塑 料 封 装 两 种 。 耦 合 器 工 作 原 理 如 下 图 所示 ： 图 ： 光 电 耦 合 器 工 作 原 理a.输 出 与 输 入 反 相 b.输 出 与 输 入 同 相 光 电 耦 合 器 的 结 构 和 工 作 原 理 图 a中 R为 限 流 电 阻 ， 目 的 是 为 了 保 护 光 耦 合 器 ， 不 至 过 大 而 将 其 永 久 性 损 坏 。 发 光 二 级 管 VD的 最 小 电 流 应 满足 ： ， 导 通 压 降 ,因 材 料 部 同 而不 同 ， 其 中 ： 输 出 与 输 入 反 相 ： 当 U=0时 ， VD不 发 光 ， 光 敏 晶 体 管 V截 止 ， IC=0， U0=UAC。 当 U=1时 （ 高 电 平 ） ， VD发 光 ， V饱和 导 通 ， U0=0。 输 出 与 输 入 同 相 ： 当 U=0时 （ 低 电 平 ） ， VD不 发 光 ， V截 止 ， U 0=0； 反 之 U=1时 ， U0=1。 FImAIF 10min VUD 2.4 6.1 F DI UUR 了 解 光 电 元 件 的 特 性 十 分 重 要 ， 主 要 包 括 ： 光 照 特 性 ： 指 光 电 元 件 外 加 电 压 一 定 时 ， 光 电 流 I与 入射 光 的 照 度 之 间 的 关 系 。 光 谱 特 性 ： 指 光 电 元 件 外 加 电 压 一 定 时 ， 其 输 出 电 流与 入 射 单 色 光 的 波 长 之 间 的 关 系 ， 即 I=F( )。 伏 安 特 性 ： 指 在 给 定 光 通 量 或 照 度 下 ， 光 电 流 与 外 加电 压 之 间 的 关 系 ， 即 I=F(U)。 频 率 特 性 ： 指 外 加 电 压 和 入 射 光 强 一 定 时 ， 光 电 流 与入 射 光 的 调 制 频 率 之 间 的 关 系 ， 即 I= （ f)。 温 度 特 性 ： 光 电 元 件 是 半 导 体 器 件 ， 其 特 性 受 温 度 的影 响 较 严 重 (多 数 截 流 子 受 热 激 发 )， 故 平 时 使 用 中 应 采 取 温度 补 偿 或 恒 温 措 施 ， 以 保 证 足 够 的 测 量 精 度 。 1.透 射 式 恒 光 源 发 出 的 光 通 量 为 。 ， 经 被 测 物 质 后 衰减 为 ， 见 图 a， 其 关 系 为 ， 式 中 ， 为 被 测 对象 的 吸 收 系 数 ； d为 被 测 对 象 的 厚 度 。 光 电 元 件 将 光 通 量 转 换 成 光 电 流 ， 可 用 于 检 测 流 体 和固 体 透 明 度 、 浑 浊 度 、 厚 度 及 吸 收 系 数 等 。 2.反 射 式 恒 光 源 的 光 通 量 为 。 经 被 测 对 象 后 损 失 了部 分 光 通 量 ， 到 达 光 电 元 件 的 光 通 量 为 ， 见 图 b， 可 用 测量 物 体 表 面 的 粗 糙 度 、 反 射 率 及 转 速 等 。de 0光 源 被 测 对 象 光敏元件a b c d 3.辐 射 式 见 图 c， 被 测 对 象 辐 射 的 光 通 量 为 。 投 射 到光 电 原 件 上 ， 转 换 成 光 电 流 。 可 用 于 测 量 温 度 及 与 温 度 有 关的 参 数 ， 如 光 电 高 温 计 和 光 电 比 色 高 温 计 等 是 根 据 该 原 理 测量 的 。 4.遮 挡 式 见 图 d， 恒 光 源 的 光 通 量 。 被 被 测 对 象 遮 挡一 部 分 ， 到 达 光 电 元 件 的 光 通 量 为 。 可 用 于 测 量 物 体 的 几何 尺 寸 、 振 动 、 位 移 和 膨 胀 系 数 等 。 5.开 关 式 原 理 与 遮 挡 式 相 同 。 如 计 算 机 的 光 电 输 入 、 产品 计 算 、 转 速 和 开 关 量 等 均 用 于 此 法 。 光 电 式 传 感 器 =光 源 +光 学 元 件 +光 电 元 件 设 计 应 用 中 ， 要 特 别 注 意 光 电 元 件 与 光 源 的 光 谱 特 性 匹配 。 光 电 式 转 速 计 光 电 转 速 计 主 要 有 反 射 式 和 直 射 式 两 种 基 本 类 型 ， 如下 图 所 示 。 直 射 式（ a） 光 电 式 转 速 计 利 用 光 电 断 续 器 测 量 转 速 和 圈 数 1-光 电 断 续 器 ； 2-不 锈 钢 薄 圆 片 ； 3-透 光 缝 ； 4-旋 转 物 转 轴