第8章光电式传感器之一.ppt

第8章 光电式传感器 之一,要求熟悉、理解光电器件结构原理，掌握典型光电器件的基本特性，熟悉它们的基本应用电路,8.1 典型光电器件,光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。 应用： 1、光量变化的非电量； 2、能转换成光量变化的其他非电量。 特点：非接触、响应快、性能可靠。,被测量 的变化,光信号 的变化,电信号 的变化,光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。,8.1 光源（发光器件）,1. 白炽光源,最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射光谱是连续的。 发光范围：320nm2500nm, 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。,2. 气体放电光源,利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气体放电灯。,它的光谱是不连续的，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。,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，可被用作单色光源。 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，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为白炽灯1/2-1/3。,构成：由半导体PN结构成。 特点：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。,3. 发光二极管（LEDLight Emitting Diode）,原理：,当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。,电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）Eg。所放出的光子能量用h表示，有,普朗克常数h=6.610-34J.s； 光速c=3108m/s； hc=19.8×10-26mWs=12.4×10-7meV,Eg的单位为eV，1eV=1.610-19J。 可见光的波长近似地认为在7×10-7m以下，所以制作可见光区的发光二极管，其材料的禁带宽度至少应大于 h c / =1.8 eV,普通二极管是用硅或锗制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为1.12eV和 0.67eV，显然不能使用。,通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x0.35时，可得到Eg1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使 在550900nm间变化。,与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：,LED材料,发光二极管的光谱特性如图所示。峰值波长p决定发光颜色，峰的宽度（用描述）决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。（注：图中砷磷化镓曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长p。）,反向电压应在5V以下!,发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。,砷磷化镓发光二极管的伏安曲线,两类：外光电效应和内光电效应。,8.2.1 外光电效应,在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。,8.2 光电效应,爱因斯坦光电效应方程：,1.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。,2. 一定时，产生的光电流和光强成正比。,3.逸出的光电子具有动能。,基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。,8.2.2 内光电效应 当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。,1光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从价态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。,hEg,当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。,基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,光照射PN结时，若hEg，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，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。,光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。,8.3.1 光电管及其基本特性,结构与工作原理,8.3 外光电效应器件,主要性能,（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,真空光电管 充气光电管,（2）光电管的光照特性 当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。,光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。,图8-5 光电管的光照特性,1-氧铯阴极 2-锑铯阴极,(3) 光电管的光谱特性 一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。 另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料制成，其红限c=700nm，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。,对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。 对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。,国产光电管的技术参数,8.4 内光电效应器件,8.4.1 光敏电阻,1. 光敏电阻的结构和工作原理,图8-8 光敏电阻的结构与电路连接,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。,当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。,光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单，故应用广泛。,2. 光敏电阻的主要参数和基本特性,（1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流 光敏电阻未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。 在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。 亮电流与暗电流之差为光电流。,（2）光照特性 用于描述光电流与光照强度之间的关系。,多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。,图8-9 光敏电阻的光照特性,（3）光谱特性,硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰值在红外区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。,图8-10 光敏电阻的光谱特性,(4) 伏安特性,所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。,在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。,图8-11 光敏电阻的伏安特性,（5） 频率特性,时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间。,图8-12 光敏电阻的频率特性,多数光敏电阻的时间常数都很大。,(6) 温度特性,峰值随温度上升向波长短的方向移动。,图8-13 光敏电阻的光谱温度特性,初制成的光敏电阻，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。 光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下几乎是无限长的。,（7）稳定性,光敏电阻的应用 常见有：比如灯光的自动控制、银行门口的自动门,1. 自动调光台灯的设计，使它具有能根据周围环境光照度强弱自动调整台灯发光量的功能，既可节约用电，又可减少手动调光的麻烦。当环境照度弱，它发光亮度就增大；环境照度强，发光亮度就减暗。,大家可以去考虑这个问题：,天较亮时，光敏电阻RG阻值较小，斯密特触发器输入端A电势较低，则输出端Y输出高电平，线圈中无电流，工作电路不通；天较暗时，光敏电阻RG电阻增大，斯密特触发器输入端A电势升高，当升高到一定值，输出端Y由高电平突然跳到低电平，有电流通过线圈A，电磁继电器工作，接通工作电路，使路灯自动开启；天明后，RG阻值减小，斯密特触发器输入端A电势逐渐降低，降到一定值，输出端 Y突然由低电平跳到高电平，则线圈A不再有电流，则电磁继电器自动切断工作电路的电源，路灯熄灭,2.在低压电路上控制路灯自动开关,8.4.2 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光电器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。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。故光电池是有源元件。,光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。,硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。适于宇宙飞船、卫星、太空探测器等方面应用。,1. 光电池的结构和工作原理,图8-14 光电池的结构图,硅光电池的结构如图。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。,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，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,图8-15 光电池的工作原理示意图,2. 基本特性,（）光谱特性,故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。,硅光电池的光谱峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。,图8-16 光电池的光谱特性,(2) 光照特性,不同光照射下有不同光电流和光生电动势。 短路电流在很大范围内与光强成线性关系。,图8-17 光电池的光照特性,开路电压与光强是非线性的，且在2000 lx时趋于饱和。 光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。,(3) 频率特性,硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面,光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系,图8-18 光电池的频率特性,主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。,开路电压随温度升高而下降的速度较快。 短路电流随温度升高而缓慢增加。 因此作测量元件时应考虑进行温补。,图8-19 光电池的温度特性,(4) 温度特性,8.4.3 光敏晶体管,1. 光敏二极管,光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。,光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。,当光照射时，光敏二极管处于导通状态。,当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。,2. 光敏三极管,集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。,光敏三极管,基区很薄，基极一般不接引线； 集电极面积较大。,当集电极加上正电压，基极开路 时，集电结处于反向偏置状态。 当光线照射在集电结的基区时， 产生电子、空穴对，光生电子被 拉到集电极，基区留下空穴，使 基极与发射极间的电压升高，相当于给发射结加了正向偏压，使电子大量流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的ß倍。,基本工作线路：,3. 光敏晶体管的主要特性,(1) 光谱特性,存在一个最佳灵敏度波长,(2) 伏安特性,与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只需把光电流看作基极电流即可。,(3) 光照特性,故光敏三极管既可做线性转换元件，也可做开关元件,近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。,(4) 温度特性,温度变化对光电流的影响很小，对暗电流的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行温度补偿。,(5) 频率特性,减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。故使用时要根据频率选择最佳的负载电阻。硅管的响应频率比锗管的好。,光敏三极管应用参考电路,红外检测器主要用于检测红外遥控发射装置是否正常工作。红外检测器的电路如图所示。当红外遥控发射装置发出的红外光照射到光敏三极管VT1时，其内阻减小，驱动VT2导通，使发光二极管VD1随着人射光的节奏被点亮。由于发光二极管VD1的亮度取决于照射到光敏三极管VT1的红外光的强度，因此，根据发光二极管VD1的发光亮度，可以估计出红外发射装置上的电池是否还可以继续使用。,1、红外检测器,光敏三极管用于测量光亮度，经常与发光二极管配合使用作为信号接收装置。,当被监视的环境洁净无烟雾时，红外发光二极管VD1以预先调好的起始电流发光。该红外光被光敏三极管VT1接收后其内 阻减小，使得VD1和VT1 串联电路中的电流增大，红外发光二极管VD1的发光强度相应增大，光敏三极管内阻进一步减小。如此循环便形成了强烈的正反馈过程，直至使串联感光电路中的 电流达到最大值，在R1上产生的压降经VD2使VT2导通， VT3 截止，报警电路不工作。当被监视的环境中烟雾急骤增加时，空气中的透光性恶化，此时光敏三极管VT1接收到的光通量减小，其内阻增大，串联感光电路中的电 流也随之减小，发光二极管VD1的发光强度也随之减弱。如此循环便形成了负反馈的过程，使串联感光电路中的电流直至减小到起始电流值， R1上的电压也降到1.2V ，使VT2截止， VT3 导通，报警电路工作，发出报警信号。,2. 烟雾报警器,3.干涉条纹计数器,中心明条纹照射到光敏三极管时，光敏三极管就输出一个高电平， 当出现暗纹时，光敏三极管则输出一个低电平；脉冲数目即为条纹变化量；,4.光电门,8.1.4 光电耦合器件 1. 光电耦合器 光电耦合器包括有发光元件和接收元件。发光器件通常采用砷化镓发光二极管，光电接收元件可以是光敏二极管和光敏三极管，也可以是达林顿光敏管。发光二极管随着正向电压的增大，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加。为了保证光电耦合器有较高的灵敏度， 应使发光元件和接收元件的灵敏波长匹配。,2. 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。 ,图(a)是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样就起到了检测作用。,图(b)是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。,