内蒙古大学传感器与检测技术讲义第8章光电式传感器.docx

第8章 光电式传感器光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应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应用8.1 光电器件光电器件是构成光电式传感器最主要的部件光电式传感器的工作原理如图8-1所示被测量的变化被转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号图中x1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式图8-1 光电式传感器的工作原理1. 光电效应光电器件工作的物理基础是光电效应光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类 1）外光电效应 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我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量由式（8-1）确定 （8-1）式中，h为普朗克常数，6.626×10-34（J∙s）；n为光的频率（s-1）若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0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hv必须超出逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能，即 （8-2）式中，m为电子质量；v0为电子逸出速度该方程称为爱因斯坦光电效应方程由式（8-2）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A0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阈值，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，也会有光电子射出当入射光的频谱成分不变时，产生的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（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电流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 2）内光电效应 受光照的物体导电率发生变化，或者产生光生电动势的效应叫内光电效应内光电效应又可分为以下两大类1）光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应基于这种效应的器件有光敏电阻等。

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，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，如图8-2所示，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电率变大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 （8-3）图8-2 电子能级示意图式中，n、l分别为入射光的频率和波长也就是说，对于一种光电导体材料，总存在一个照射光波长限lc只有波长小于lc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2）光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等Ø 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，从而产生电子空穴对，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Ø 侧向光电效应：当半导体光电器件受光照不均匀时，由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，出现载流子浓度梯度，因而载流子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，未被光照射的部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电势2．光电管 1）结构与工作原理 光电管是外光电效应的器件，有真空光电管和充气光电管两类，两者结构相似，如图8-3所示在一个真空泡内装有两个电极，即光电阴极和光电阳极光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流2）主要性能（1）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和充气光电管的伏安特性如图8-4所示它是应用光电传感器参数的主要依据 图8-3 光电管的结构 图8-4 光电管的伏安特性（2）光照特性：通常指当光电管的阳极和阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间的关系为光电管的光照特性。

光电管阴极材料不同，其光照特性也不同光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比）称为光电管的灵敏度3）光谱特性：一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率v0，因此它们可用于不同的光谱范围除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极3．光电倍增管 1）结构与原理 光电倍增管也是基于外光电效应的器件由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，其工作原理如图8-5所示光电倍增管由光阴极、次阴极（倍增电极）及阳极3部分组成，次阴极多的可达30级，通常为12～14级阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲图8-5 光电倍增管的外形和工作原理光电倍增管在使用时，各个倍增电极上均加上电压阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高同时，这些倍增电极用次级发射材料制成，这种材料在具有一定能量的电子轰击下，能够产生更多的“次级电子”由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场，对电子加速。

每次电子发射打到下一级倍增电极上后，电子数都能增加3～6倍，如此不断倍增，阳极最后收集到的电子数将达到阴极发射电子数的105～106倍，即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几百万倍光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万到几百万倍因此，在很微弱的光照下，它就能产生很大的光电流 2）主要参数（1）倍增系数M：倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射电子di的乘积如果n个倍增电极的di都一样，则M=din，因此，阳极电流I为 （8-4）式中，i为光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数b为 M与所加电压有关，一般在105～108之间如果电压有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落一般阳极和阴极的电压为1000～2500V，两个相邻的倍增电极的电压差为50～100V2）阴极灵敏度和总灵敏度：一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度图8-6 光电倍增管的特性曲线光电倍增管的放大倍数或总灵敏度如图8-6所示。

极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏3）光谱特性：光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光谱特性很相似4）暗电流及本底电流：当光电倍增管不受光照，但极间加入电压时，在阳极上会收集到电子，这时的电流称为暗电流，这是热发射所致或是场致发射造成的如果光电倍增管与闪烁体放在一起，在完全避光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的本底电流具有脉冲形式，因此也称为本底脉冲4．光敏电阻 1）结构与原理 光敏电阻又称为光导管，是内光电效应器件，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件光敏电阻器由硫化隔制成，所以简称为CDS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）很小当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。

图8-7所示为光敏电阻的原理结构它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大 2）主要参数（1）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2）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3）光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流3）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8-8所示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 图8-7 光敏电阻结构 图8-8 硫化镉光敏电阻的伏安特性在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积及散热条件等因素有关。

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，也称为光谱响应图8-9所示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，常被用做光度量测量（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）光照特性：光敏电阻的光照特性是光敏电阻的光电流与光强之间的关系，如图8-10所示 图8-9 光敏电阻的光谱特性 图8-10 光敏电阻的光照特性由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用做开关式光电信号传感元件4）温度特性：光敏电阻受温度的影响较大当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降温度变化影响光敏电阻的光谱响应，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8-11所示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5）响应时间和频率特性：实验证明，光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，通常用时间常数t来描述，这叫做光电导的弛豫现象。

所谓时间常数即为光敏电阻自停止光照起到电流下降到原来的63%所需的时间，因此，t越小，响应越迅速，但大多数光敏。