第十章 光电式传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十章 光电式传感器,光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件，它的物理基础是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,称为外光电效应如光电管,光电倍增管当光照射在物体上，使物体的电阻率,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,如光敏电阻等器件10.1,光电管,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.,光电管结构与工作原理,光电管的结构示意图,光,阳极,光电阴极,光窗,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,2.,主要性能,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,50,20lm,40lm,60lm,80lm,100lm,120lm,100,150,200,0,2,4,6,8,10,12,阳极与末级倍增极间的电压,/V,I,A,/,A,（,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,25,50,75,100,2,0,0.5,1.5,2.0,/1m,I,A,/,A,1.0,2.5,1,（,3,）光电管光谱特性,由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的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,0,，,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,0,，,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国产,GD-4,型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的其红限,0,=7000,，,它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：,25%30%,它适用于,白光光源,，因而被广泛地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，构成红外传感器对,紫外光源,，常用锑铯阴极和镁镉阴极另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为,30008500,，,灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等一般充气光电管当入射光频率大于,8000Hz,时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多10.2,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,A,，,很不容易探测这时常用光电倍增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图1.,结构和工作原理,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,入射光,光电阴极,第一倍增极,阳极,第三倍增极,的，收集到的电子数是阴极发射电子数的,10,5,10,6,倍。

即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍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1,）倍增系数,M,倍增系数,M,等于,n,个倍增电极的二次电子发射系数,的乘积如果,n,个倍增电极的,都相同，则,M,=,因此，阳极电流,I,为,I,=,i,i,光电阴极的光电流,光电倍增管的电流放大倍数,为,=I/i =,M,与所加电压有关，,M,在,10,5,10,8,之间，稳定性为,1,左右，加速电压稳定性要在,0.1,以内如果有波动，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之间的电压为,10002500V,，,两个相邻的倍增电极的电位差为,50100V,对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差2.,主要参数,10,3,10,4,10,5,10,6,25,50,75,100,125,极间电压,/V,放大倍数,光电倍增管的特性曲线,（,2,）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度,一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的,阴极灵敏度,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,光电倍增管的最大灵敏度可达,10A/lm,，,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,）暗电流和本底脉冲,一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为,暗电流,，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，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,光电倍增管的光照特性,与直线最大偏离是,3%,10,13,10,10,10,9,10,7,10,5,10,3,10,1,在,45mA,处饱和,10,14,10,10,10,6,10,2,光通量,/1m,阳极电流,/A,（,4,）光电倍增管的光谱特性,光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于,10,-4,lm,时，有较好的线性关系光通量大，开始出现非线性，如图所示。

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10.3,光敏电阻,10.3.1,光敏电阻的工作原理,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为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度,E,g,，即,h,=,E,g,(eV,),式中,和,入射光的频率和波长一种光电导体，存在一个照射光的波长限,C,，,只有波长小于,C,的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加10.3.2,光敏电阻的结构,光敏电阻的结构如图所示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,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,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，,结构,见左图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R,G,1,2,3,4,5,6,7,(,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梳状电极，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，因此要将导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R,G,R,L,E,I,10.3.3,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,1M,甚至高达,100M,，,而亮电阻则在几,k,以下，暗电阻与亮电阻之比在,10,2,10,6,之间，可见光敏电阻的灵敏度很高10.3.4,光敏电阻的基本特性,（,1,）伏安特性,在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性图中曲线,1,、,2,分别表示照度为,零,及照度为,某值,时的伏安特性由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现,50,100,150,200,1,2,U,/V,0,20,40,象但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏I,/,A,(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0,1,2,3,4,5,I,/,mA,L,/lx,1000,2000,（,3,）光谱特性,光谱特性与光敏电阻的材料有关从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果20,40,60,80,100,40,80,120,160,200,240,/m,3,1,2,相对灵敏度,1,硫化镉,2,硒化镉,3,硫化铅,（,4,）频率特性,当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性由于不同材料的光敏，,20,40,60,80,100,I,/%,f,/Hz,0,10,10,2,10,3,10,4,电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合硫化铅,硫化镉,（,5,）温度特性,其性能,(,灵敏度、暗电阻,),受温度的影响较大。

随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，。