光电式传感器讲.ppt

第七章 光电式传感器,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、。,7.1 概 述,1 光的特性,光波是波长为10106nm的电磁波。,1000,000 nm,10 nm,780 nm,380 nm,可见光,红外光,紫外光,性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。,1905年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传播时，是不连续的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量子”。1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，并沿用至今。每个光子的能量为 E=h,可见，光的频率愈高，光子的能量愈大。,2 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：320 nm2500 nm,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）,N,P,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,_,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=19.810-26mWs=12.410-7meV,Eg的单位为eV，1eV=1.610-19J。可见光的波长近似地认为在710-7m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 0.67 eV，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。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。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰的宽度（用描述）决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。,发光二极管的光谱特性,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,4）、激光器激光（Laser:Light amplification by stimulated emission of radiation）是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、高亮度和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从0.15m到远红外整个光频波段范围。X-射线激光器。,激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）液体激光器（染料激光器）。半导体激光器（如砷化镓激光器）,（1）固体激光器 典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器（T.Maiman）。,工作物质为红宝石-掺0.05%Cr+3 的Al2O3棒。,Nd:YAG激光器,掺 Nd+3 离子的激光器有三种:玻璃钇铝石榴石氟化钇锂（YLF：LiYF4),Nd+3,Y3Al5O12,激活离子 基质,钇铝石榴石,（2）气体激光器工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。,（3）液体激光器种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。,（4）半导体激光器与前几种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。,两类：外光电效应和内光电效应。,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。,6.2 光电效应,1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的；1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释；1905年，爱因斯坦提出了光子假设。,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。,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键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,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。,势垒效应（结光电效应）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。,侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。,1光电管及其基本特性,）结构与工作原理,6.3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,6.4 内光电效应器件1.光敏电阻(1)工作原理 光敏电阻是采用半导体材料制做，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。,(a)(b)图7-9 光敏电阻的结构和原理,光敏电阻的原理结构如图所示。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。,在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻。电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。,（2）基本特性和参数 a)暗电阻、亮电阻 光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。例如MG41-21型光敏电阻暗阻大于等于0.1M。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。MG4121型光敏电阻亮阻小于等于1k。亮电流与暗电流之差称为光电流。显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏度就高。,b)伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系，称为伏安特性。,c)光电特性 光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。如图6-1-7所示，光敏电阻的光电特性呈非线性。因此不适宜做检测元件，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。d)光谱特性 对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。各种材料的光谱特性如图6-1-8所示。从图中看出，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域，因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。e)频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。图6-1-9给出相对灵敏度Kr，与光强变化频率f之间的关系曲线，可以看出硫化铅的使用频率比硫化铊高的多。但多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个缺陷。,f)温度特性 光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大，当温度升高时，它的暗电阻会下降。温度的变化对光谱特性也有很大影响。图6-1-10是硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。从图中可以看出，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，有时为了提高灵敏度，或为了能接受远红外光而采取降温措施。,2.光敏晶体管 光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光电转换过程。,(1)工作原理 光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，图6-1-11a是其结构示意图。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，如下图所示。,我们知道，PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中的少数载流子(空穴)都很少，因此反向电流很小。但是当光照PN结时，只要光子能量h大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加，它们在外加反向电压和PN结内电场作用下定向运动，分别在两个方向上渡越PN结，使反向电流明显增大。如果入射光的照度变化，光生电子空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。其结构如图6-1-12a所示。,由曲线可以看出，当入射光波长增加时，相对灵敏度要下降，这是因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当人射光波长太短时，光波穿透能力下降，光子只在半导体表面附近激发电子空穴对，却不能达到PN结，因此相对灵敏度也下降。从曲线还可以看出，不同材料的光敏晶体管，光谱峰值波长不同。硅管的峰值波长为0.8m左右，锗管的峰值波长为1.5左右。,光敏二极管的光电流比光敏晶体管的光电流小;光敏二极管的输出特性线性度好，响应时间快，而光敏晶体管输出特性线性度差;光敏晶体管的负载电阻小，一般为光敏二极管负载的1/10。,(3)光电池 光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。光电池的种类很多，有硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广泛的是硅光电池，因为它有一系列优点，例如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高，能耐高愠辐射等。另外，由于硒光电池的光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。目前在数码摄像、光通信、航天器、太阳能电池等领域得到了广泛应用。,(1)工作原理 硅光电池的工作原理基于光生伏特效应，它是在一块N型硅片上用扩散的方法掺人一些P型杂质而形成的一个大面积PN结，见图6-1-17a。当光照射P区表面时，若光子能量加大于硅的禁带宽度，则在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子-空穴对，P区表面吸收的光子最多，激发的电子空穴最多，越向内部越少。这种浓度差便形成从表面向体内扩散的自然趋势。由于PN结内电场的方向是由N区指向P区的，它使扩散到PN结附近的电子空穴对分离，光生电子被推向N区，光生空穴被留在P区。从而使N区带负电，P区带正电，形成光生电动势。若用导线连接P区和N区，电路中就有光电流流过。,(2)基本特性 1)光谱特性 光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的。图6-1-18是硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知，不同材料的光电池适用的人射光波长范围也不相同。硅光电池的适用范围宽，对应的入射光波长可在0.451.1A之间，而硒光电池只能在0.340.57A波长范围，因此硒光电池适用于可见光，比如用于照度计测定光的强度。,在实际使用中应根据光源的性质来选择光电池，当然也可根据现有的光电池来选择光源，但是要注意光电池的光谱峰值位置不仅和制造光电池的材料有关，同时，也和制造工艺有关，而且随着使用温度的不同会有所移动。,2)光电特性 光电池在不同的光照度下，光生电动势和光电流是不相同的。硅光电池的光电特性如图6-1-19所示。其中曲线1是负载电阻无穷大时的开路电压特性曲线，曲线2是负载电阻相对于光电池内阻很小时的短路电流特性曲线。开路电压与光照度的关系是非线性的，而且在光照度为20001x时就趋于饱和，而短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，负载电阻越小，这种线性关系越好，而且线性范围越宽。因此检测连续变化的光照度时，应当尽量减小负载电阻，使光电池在接近短路的状态工作，也就是把光电池作为电流源来使用。在光信号断续变化的场合，也可以把光电池作为电压源使用。,3)温度特性 光电池的温度特性是指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设备的温度漂移，影响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。从图6-1-20中可以看出硅光电池开路电压随温度上升而明显下降，温度上升，开路电压约降低3mV。短路电流随温度上升却是缓慢增加的。因此，光电池作为检测元件时，应考虑温度漂移的影响，并采用相应的措施进行补偿。4)频率特性 光电池的频率特性是指输出电流与入射光调制频率的关系。当入射光照度变化时，由于光生电子空穴对的产生和复合都需要一定时间，因此入射光。调制频率太高时，光电池输出电流的变化幅度将下降。硅光电池的频率特性较好，工作频率的上限约为数万赫兹，而硒光电池的频率特性较差。在调制频率较高的场合，应采用硅光电池，并选择面积较小的硅光电池和较小的负载电阻，进一步减小响应时间，改善频率特性。,6.5 光电传感器应用,1.光电物位传感器按结构分，可分为遮光式和反射式。,2.光电转换电路 由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同。下面介绍几种半导体光电元件常用的测量电路。半导体光敏电阻可以通过较大的电流，所以在一般情况下，无需配备放大器。在要求较大的输出功率时，可用图6-1-23所示的电路。图6-1-24a给出带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路。当入射光强度缓慢变化时，光敏二极管的反向电阻也是缓慢变化的，温度的变化将造成电桥输出电压的漂移，必须进行补偿。图中一个光敏二极管做为检测元件，另一个装在暗盒里，置于相邻桥臂中，温度的变化对两只光敏二极管的影响相同，因此，可消除桥路输出随温度的漂移。光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以配以放大电路，如图6-1-24b所示。,图3-9 并联电阻是为了压缩输出信号。,由于光敏电池即使在强光照射下，最大输出电压也仅0.6V，还不能使下一级晶体管有较大的电流输出，故必须加正向偏压，如图6-1-25a所示。为了减小晶体管基极电路阻抗变化，尽量降低光电池在无光照时承受的反向偏压，可在光电池两端并联一个电阻。或者象图6-1-25b所示的那样利用锗二极管产生的正向压降和光电池受到光照时产生的电压叠加，使硅管e、b极间电压大于0.7V，而导通工作。这种情况下也可以使用硅光电池组，如图6-1-25c所示。,半导体光电元件的光电转换电路也可以使用集成运算放大器。硅光敏二极管通过集成运放可得到较大输出幅度，如图6-1-26a所示。当光照产生的光电流为时，输出电压为了保证光敏二极管处于反向偏置，在它的正极要加一个负电压。图6-1-26b给出硅光电池的光电转换电路，由于光电池的短路电流和光照成线性关系，因此将它接在运放的正、反相输入端之间，利用这两端电位差接近于零的特点，可以得到较好的效果。在图中所示条件下，输出电压。,3.光电传感器应用电路,采用光电晶体管的通/断控制电路,