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8.1 光电器件 8.2 光纤传感器 8. 红外传感器 返回主目录第8章光电式传感器第8章 光电式传感器 8.1 光电器件 光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电式传感器最主要的部件 光电器件响应快、结构简单、 使用方便, 而且有较高的可靠性, 因此在自动检测、计算机和控制系统中, 应用非常广泛 光电器件工作的物理基础是光电效应 在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为内光电效应, 如光敏电阻等就属于这类光电器件在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件 在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应, 即阻挡层光电效应, 如光电池、 光敏晶体管等就属于这类光电器件 一、 光敏电阻 光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件 光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小。

光敏电阻的主要参数 （） 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流 （） 亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻, 此时流过的电流称为亮电流 （） 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流 光敏电阻的基本特性 （1） 伏安特性在一定照度下, 流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性图8 - 2 为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线 由图可见, 光敏 电阻在一定的电压范围内, 其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关, 而与电压、电流无关 （2） 光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性, 亦称为光谱响应 图8 - 3 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性 对应于不同波长, 光敏电阻的灵敏度是不同的从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域, 常被用作光度量测量（照度计）的探头而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区, 常用做火焰探测器的探头 （3） 温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应, 同时, 光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变, 尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大 图8 - 4 为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线, 它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。

因此, 硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用 对于可见光的光敏电阻, 其温度影响要小一些 二、 光敏二极管和光敏晶体管 结构原理 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结装在管的顶部, 可以直接受到光照射（见图8 - 5） 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图8-6所示）, 在没有光照射时, 反向电阻很大, 反向电流很小, 这反向电流称为暗电流 当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, 使PN结附近产生光生电子和光生空穴对它们在PN结处的内电场作用下作定向运动, 形成光电流光的照度越大, 光电流越大 因此光敏二极管在不受光照射时, 处于截止状态, 受光照射时, 处于导通状态 光敏晶体管与一般晶体管很相似, 具有两个PN结, 只是它的发射极一边做得很大, 以扩大光的照射面积图8 - 7为NPN型光敏晶体管的结构简图和基本电路大多数光敏晶体管的基极无引出线, 当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时, 集电结就是反向偏压；当光照射在集电结上时, 就会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流, 相当于三极管的基极电流由于基极电流的增加, 因此集电极电流是光生电流的倍, 所以光敏晶体管有放大作用。

光敏二极管和光敏晶体管的材料几乎都是硅（Si）在形态上, 有单体型和集合型, 集合型是在一块基片上有两个以上光敏二极管, 比如在后面讲到的CCD图像传感器中的光电耦合器件, 就是由光敏晶体管和其它发光元件组合而成的 基本特性 （） 光谱特性光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图8 - 8所示从曲线可以看出, 硅的峰值波长约为0.9 m, 锗的峰值波长约为1.5m, 此时灵敏度最大, 而当入射光的波长增加或缩短时, 相对灵敏度也下降一般来讲, 锗管的暗电流较大, 因此性能较差, 故在可见光或探测赤热状态物体时, 一般都用硅管 但对红外光进行探测时, 锗管较为适宜 （） 伏安特性图8 - 9为硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲线从图中可见, 光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍 （） 温度特性光敏晶体管的温度特性是指其暗电流及光电流与温度的关系光敏晶体管的温度特性曲线如图8 - 10所示 从特性曲线可以看出, 温度变化对光电流影响很小, 而对暗电流影响很大, 所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿, 否则将会导致输出误差 表8-2列出几种硅光电二极管的特性参数 三、 光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。

光电池在有光线作用下实质就是电源, 电路中有了这种器件就不需要外加电源 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应” 它实质上是一个大面积的PN结, 当光照射到PN结的一个面, 例如p型面时, 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度, 那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴, 电子空穴对从表面向内迅速扩散, 在结电场的作用下, 最后建立一个与光照强度有关的电动势 图8 - 11为工作原理图 光电池的基本特性有以下几种： （） 光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的图8 - 12为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线从图中可知, 不同材料的光电池, 光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的, 硅光电池在0.8m附近, 硒光电池在0.5 m附近 硅光电池的光谱响应波长范围为0.41.2 m, 而硒光电池的范围只能为0.380.75 m 可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用 （） 光照特性光电池在不同光照度下, 光电流和光生电动势是不同的, 它们之间的关系就是光照特性 图8 - 13为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线 从图中看出, 短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系, 开路电压（负截电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的, 并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了。

因此光把电池作为测量元件时, 应把它当作电流源的形式来使用, 不能用作电压源 (3) 温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移, 影响到测量精度或控制精度等重要指标, 因此温度特性是光电池的重要特性之一光电池的温度特性如图8 - 14所示从图中看出, 开路电压随温度升高而下降的速度较快, 而短路电流随温度升高而缓慢增加由于温度对光电池的工作有很大影响, 因此把它作为测量器件应用时, 最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施 表 8 - 3 为国产硅光电池的特性参数 由表可见, 硅光电池的最大开路电压为600mV, 在照度相等的情况下, 光敏面积越大，输出的光电流也越大 四、 光电耦合器件 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 1 光电耦合器 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。

耦合器常见的组合形式如图8 - 15所示 图(a)所示的组合形式结构简单、成本较低, 且输出电流较大, 可达100 mA, 响应时间为34s 图(b)形式结构简单, 成本较低、 响应时间快, 约为1s, 但输出电流小, 在50300 A之间图（c）形式传输效率高, 但只适用于较低频率的装置中 图（d）是一种高速、高传输效率的新颖器件对图中所示无论何种形式, 为保证其有较佳的灵敏度, 都考虑了发光与接收波长的匹配 光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器, 它具有抗干扰性能和单向信号传输功能, 广泛应用在电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合. 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8 - 16为典型的光电开关结构图图（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, 这样起到检测作用 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光电开关的特点是小型、高速、非接触, 而且与TTL、 MOS等电路容易结合 用光电开关检测物体时, 大部分只要求其输出信号有“高-低”（1-0）之分即可 图8 - 17 是基本电路的示例 （a）、（b）表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况, （c）表示用晶体管放大光电流的情况 光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置可在自控系统中用作物体检测， 产品计数, 料位检测，尺寸控制，安全报警及计算机输入接口等用途 五、 电荷耦合器件 电荷耦合器件（Charge Couple Device， 简称CCD）是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件它以电荷作为信号, 基本功能是进行电荷的存储和电荷的转移 CCD自1970年问世以来, 由于其独特的性能而发展迅速, 广泛应用于自动控制和自动测量, 尤其适用于图像识别技术 . CCD原理 构成CCD的基本单元是MOS电容器, 如8 - 18(a)所示 与其它电容器一样, MOS电容器能够存储电荷 如果MOS电容器中的半导体是P型硅, 当在金属电极上施加一个正电压时, 在其电极下形成所谓耗尽层, 由于电子在那里势能较低, 形成了电子的势阱, 如图8 - 19(b)所示, 成为蓄积电荷的场所。

CCD的最基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS电容器, 这些电容器用同一半导体衬底制成, 衬底上面履盖一层氧化层, 并在其上制作许多金属电极, 各电极按三相（也有二相和四相）配线方式连接, 图8 - 19为三相CCD时钟电压与电荷转移的关系当电压从1相移到2相时, 1相电极下势阱消失, 2相电极下形成势阱这样储存于1相电极下势阱中的电荷移到邻近的2相电极下势阱中, 实现电荷的耦合与转移 CCD的信号是电荷, 那么信号电荷是怎样产生的呢？CCD的信号电荷产生有两种方式: 光信号注入和电信号注入 CCD用作固态图像传感器时, 接收的是光信号, 即光信号注入法当光信号照射到CCD硅片表面时, 在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对, 其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底, 而少数载流子（电子）则被收集在势阱中, 形成信号电荷, 并存储起来存储电荷的多少正比于照射的光强所谓电信号注入， 就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样, 将信号电压或电流转换为信号电荷 CCD输出端有浮置扩散输出端和浮置栅极输出端两种形式, 如图8 - 20所示 浮置扩散输出端是信号电荷注入末级浮置扩散的PN结之后, 所引起的电位改变作用于MOSFET的栅极。

这一作用结果必然调制其源-漏极间电流, 这个被调制的电流即可作为输出 当信号电荷在浮置栅极下方通过时, 浮置栅极输出端电位必然改变, 检测出此改变值即为输出信号 通过上述的CCD。