第六章第六章 光電型傳感器光電型傳感器 第一節(jié)第一節(jié) 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 光電管特性光電管特性 第三節(jié)第三節(jié) 光電倍增管光電倍增管 第四節(jié)第四節(jié) 光敏電阻光敏電阻 第五節(jié)第五節(jié) 光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管第六節(jié)第六節(jié) 光光電電型型傳傳感器感器應(yīng)應(yīng)用用 第七節(jié)第七節(jié) 光電型傳感器綜合訓(xùn)練光電型傳感器綜合訓(xùn)練 光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器。用這種傳感器測量其它非電量（如轉(zhuǎn)速、濁度）時，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。測量方法具有：結(jié)構(gòu)簡單、精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)。對光的認(rèn)識，最早是有爭議的。牛頓論文之中提出，光的本質(zhì)是微粒的，光是由許多球形微粒組成，微粒以高速作直線運(yùn)動。當(dāng)時的爭議：法國的笛卡爾假說“微粒說”，但不以實(shí)驗(yàn)為根據(jù)，而是假說；英國胡克和荷蘭的惠更斯“波動說”，宇宙間的物體內(nèi)存在著一種看不見、摸不著的“以太”物質(zhì)，把光與聲音類比，認(rèn)為光是一種機(jī)械波，發(fā)光體在“以太”（不存在）中激起不同深度和大小的顫動，依靠“以太”傳播。牛頓偏向微粒，但他認(rèn)為實(shí)驗(yàn)不充分，一直在做實(shí)驗(yàn)，牛頓環(huán)現(xiàn)象是光具有波動性的最好證明。一直到20世紀(jì)初，科學(xué)家已肯定光的波粒二象性。第一節(jié)第一節(jié) 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 光的波粒二象性，光具有波動性和離子性的兩重性質(zhì)，是一種電磁波。光是由一定能量的粒子（光子）所形成，每個光子具有的能量h正比于光的頻率（h為普朗克常數(shù)）。用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為h的光子所轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為三類：在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱外光電效應(yīng)。例如：光電管、光電倍增管。在光電作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。例如：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光敏晶閘管。在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。例如：光電池。一、光電管光電管 光電管結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。金屬陽極封裝在一個玻璃殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當(dāng)電子獲得的能量足夠大時，就有可能克服金屬表面對電子的束縛（稱逸出功）而逸出金屬表面形成電子發(fā)射。電子逸出金屬表面的初速度由能量守恒定律得出 m=h-A 愛因斯坦光電方程。它揭示了光電效應(yīng)之本質(zhì)。根據(jù)光子假設(shè)，入射光的強(qiáng)度S的表達(dá)式：S=Nh。其中：N單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的頻率的單色光的光電子數(shù)。由光電效應(yīng)方程式可得出：照射在物體上的光線（入射光）通常不是單色光，而是含有多種頻率的光。光電子逸出物體表面時具有出速度。當(dāng)入射光頻率 大于該金屬極限頻率（紅限）時，光強(qiáng)度再弱也能發(fā)射電子；當(dāng)入射光頻率小于 時，光強(qiáng)度再大也不能發(fā)射電子。二、光電管工作原理光電管工作原理 由于逸出功與材料的性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)材料選定后，要使金屬表面有電子逸出，入射光的頻率有一最低的限度，當(dāng)h小于A時，即使光通量很大，也不可能有電子逸出，這個最低限度的頻率稱為紅限。當(dāng)h大于A時光通量越大，逸出的電子數(shù)目也越多，光電流I就越大。光電管的陰極和陽極分別接電源的負(fù)極和正極。沒有光照射時，因光電管光陰極不發(fā)射電子，電路不通；有光照射時，光電陰極發(fā)射的光電子，在陽極高電位作用下形成光電流，可以在電阻R上取出與光電流成正比的信號電壓。讓光（被測）照射在光電管的陰極上，可通過測量電路中光電流（或R上的電壓）的大小，來測量光電陰極發(fā)射的光電子數(shù)量。由這個數(shù)量在找出被測光強(qiáng)的大小。如圖62所示。第二節(jié)第二節(jié) 光電管特性光電管特性 單色入射光的波長與絕對靈敏度的關(guān)系。如圖63所示。光電陰極對光譜有選擇性，保持光通量和陽極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系當(dāng)陽極電壓較小時，只有一部分到達(dá)陽極，其余受光子在真空中運(yùn)動時所形成的負(fù)電場作用，回到陰極。隨陽極電壓的增大，光電流也增大。當(dāng)陰極發(fā)射電子全部到陽極時，陽極電流很穩(wěn)定，達(dá)到飽和三、光電管光電特性光電管光電特性 當(dāng)陽極電壓一定時，陽極電流I與入射在光電陰極上的光通量之間的關(guān)系。在陽極電壓足夠大時，使光電管工作在飽和電流條件下，光電管正常的光電特性是條直線。如圖65所示。每分鐘轉(zhuǎn)速n與脈沖頻率f的關(guān)系式為：典型光電倍增管的光電特性如圖68所示。光電倍增管的工作電壓是指收集陽極A與光電陰極K之間的電壓。單色入射光的波長與絕對靈敏度的關(guān)系。頻率可用一般的頻率計(jì)測量。其中，圖620（a）是電原理圖，而圖620（b）是光柵轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)圖。A、加正向電壓B、加反向電壓C、不需加電壓D、加正向、反向電壓都可以有光照時，光敏管產(chǎn)生光電流IL，R1電壓上升，光強(qiáng)達(dá)到某一值時T1導(dǎo)通，T2導(dǎo)通，J動作常閉端打開，使路燈滅。第六節(jié)光電型傳感器應(yīng)用硅光電池的光電特性中，光照度與其成線性關(guān)系。光敏三極管有兩個PN結(jié)，從而可以獲得電流增益。當(dāng)用光電管測量很微弱的入射光時，產(chǎn)生的光電流很?。ㄐ∮趲孜玻┎灰讬z測，誤差很大。當(dāng)陰極發(fā)射電子全部到陽極時，陽極電流很穩(wěn)定，達(dá)到飽和試述光電倍增管結(jié)構(gòu)和工作原理與光電管的異同點(diǎn)。如圖618所示，是一個由穩(wěn)壓管，光敏二極管和電橋組成的測量電路。第三節(jié) 光電倍增管光電倍增管 當(dāng)用光電管測量很微弱的入射光時，產(chǎn)生的光電流很?。ㄐ∮趲孜玻┎灰讬z測，誤差很大。在光電管的陰極與陽極之間安裝若干個倍增極D1、D2、D3，構(gòu)成光電倍增管。光電倍增管具有放大光電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測量。如圖66所示。從圖66可看出，光電倍增管也有一個陰極K，一個陽極A。與光電管不同的是，在它的陰極和陽極之間設(shè)置許多次發(fā)射電極D1、D2、D3，它們又稱為第一倍增極、第二倍增極，相鄰的電極間通常加上100伏左右的電壓，其電位逐級升高，陰極電位最低，陽極電位最高，兩者之差一般在（6001200）V左右。一、光電倍增管工作原理光電倍增管工作原理 當(dāng)微光照射陰極K時，從陰極K上逸出的光電子被第一倍增極D1所加速，以高速轟擊D1,入射光電子的能量傳遞給D1表面的電子，使它們由D1表面逸出，這些電子稱為二次電子，一個入射光電子可以產(chǎn)生多個二次電子。D1發(fā)射出來的二次電子被D1、D2間的電場加速，射向D2,并再次產(chǎn)生二次電子發(fā)射，得到更多的二次電子，這樣逐級前進(jìn)，一直到最后到達(dá)陽極A為止。若每級的二次電子發(fā)射倍增率為，共有n級（通?？蛇_(dá)911級），則光電倍增陽極得到的光電流比普通光電管大n倍，因此，光電倍增管靈敏度極高。二、光電倍增管伏安特性光電倍增管伏安特性光電倍增管的伏安特性也叫陽極特性，是指陽極與各倍增極之間電壓保持恒定的條件下，陽極電流（光電流）IA與最后倍增極和陽極電壓UAD的關(guān)系。典型光電倍增管伏安特性如圖67所示，它是不同光通量下的一組曲線族。象光電管一樣，光電倍增管的伏安特性曲線也有飽和區(qū)。照射在光電陰極上的光通量越大，飽和陽極電壓越大。當(dāng)陽極電壓非常大時，由于陽極電位A過高，使倒數(shù)第二級倍增極發(fā)出的電子直接奔向陽極，造成最后一級倍增極的入射電子數(shù)減少，影響了光電倍增管的倍增系數(shù)。因此，伏安特性曲線過飽和區(qū)段后略有下降。三、光電倍增管光電特性光電倍增管光電特性 光電倍增管光電特性是指陽極電流（光電流）IA與光電陰極接收到的光通量之間的關(guān)系。典型光電倍增管的光電特性如圖68所示。圖中光通量在10-410-13流明之間，光電特性曲線偏離線性不超過3%。當(dāng)光通量超過10-4流明后，曲線就明顯下降了，其主要原因是強(qiáng)光照射下，較大的光電流使后幾級倍增極疲勞，靈敏度下降。因此，使用時光電流不要超過1mA。光電倍增管的工作電壓是指收集陽極A與光電陰極K之間的電壓。光電倍增管倍增系數(shù)與工作電壓的關(guān)系是光電倍增管的重要特性。圖69是典型的光電倍增管倍增系數(shù)與工作電壓的關(guān)系曲線，說明隨著工作電壓的增加，倍增系數(shù)M也增加。第四節(jié)第四節(jié) 光敏電阻光敏電阻物體受光照射后，其內(nèi)部的原子釋放出電子，這些電子仍留在物體內(nèi)部，使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。加上電壓后，無光照射光敏電阻時，由于光敏電阻的，電路中只有的電流，稱電流；圖620是脈沖編碼器的工作原理示意圖。從圖66可看出，光電倍增管也有一個陰極K，一個陽極A。用這種傳感器測量其它非電量（如轉(zhuǎn)速、濁度）時，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。由于逸出功與材料的性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)材料選定后，要使金屬表面有電子逸出，入射光的頻率有一最低的限度，當(dāng)h小于A時，即使光通量很大，也不可能有電子逸出，這個最低限度的頻率稱為紅限。第二節(jié)光電管特性第五節(jié)光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管四、光敏電阻的伏安特性光敏電阻適于作為（）讓光（被測）照射在光電管的陰極上，可通過測量電路中光電流（或R上的電壓）的大小，來測量光電陰極發(fā)射的光電子數(shù)量。的電流。由光電效應(yīng)方程式得出的兩個基本概念是什么？第二節(jié)光電管特性其中，圖620（a）是電原理圖，而圖620（b）是光柵轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)圖。第一節(jié)外光電效應(yīng)光電倍增管倍增系數(shù)與工作電壓的關(guān)系是光電倍增管的重要特性。原理：當(dāng)光敏電阻受到光照時，若光子能量h大于該半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，就產(chǎn)生一個電子空穴對，使電阻率變小。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失，電子空穴對逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值。當(dāng)無光照射時，由于光敏電阻的阻值太大使電路中電流很?。划?dāng)有適當(dāng)波長范圍內(nèi)的光線照射時，因阻值變小，電路中電流也就增加，根據(jù)電流表測出的電流值的變化，即可推算出照射光強(qiáng)的大小。二、光敏電阻的暗、亮電阻二、光敏電阻的暗、亮電阻 暗電阻（1100兆）：置于室溫、全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時，流過電阻的電流稱為暗電流。亮電阻（4兆）：置于室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時，流過電阻的電流稱為亮電流 三、光敏電阻的光電特性三、光敏電阻的光電特性 在光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與（光）亮電流間的關(guān)系（非線性）。如圖611所示。四、光敏電阻的伏安特性四、光敏電阻的伏安特性 光敏電阻兩端所加電壓和流過光敏電阻的電流之間的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性，如圖612所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時應(yīng)限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區(qū)。第五節(jié)第五節(jié) 光敏二極管、光敏三極管、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管光敏晶閘管 光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管統(tǒng)稱為光敏晶體管，他們的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差。而光敏晶閘管主要用于光控開關(guān)電路 一、光敏二極管結(jié)構(gòu)及工作原理一、光敏二極管結(jié)構(gòu)及工作原理 光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管不同之處在于它的PN結(jié)裝在透明管殼的頂部，可以直接受到光的照射。圖613（a）是其結(jié)構(gòu)示意圖，它在電路中處于反向偏置狀態(tài)，如圖613（b）所示。在沒有光照射時，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時的電流稱為暗電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時，在PN結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴對，并在外電場的作用下，漂移越過PN結(jié)，產(chǎn)生光電流。入射光的照度增強(qiáng)，光產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與光照度成正比?，F(xiàn)已有一種雪崩式光敏二極管（APD）。由于APD利用了二極管PN結(jié)的雪崩效應(yīng)（工作電壓達(dá)100V左右），所以，靈敏度極高，響應(yīng)速度極快，可達(dá)數(shù)百兆赫，可用于光纖通信及微光測量。二、光敏三極管結(jié)構(gòu)及工作原理二、光敏三極管結(jié)構(gòu)及工作原理 光敏三極管有兩個PN結(jié)，從而可以獲得電流增益。它的結(jié)構(gòu)、等效電路、圖形符號及應(yīng)用電路如圖614所示。光線通過透明窗口落在集電結(jié)上，當(dāng)電路按614（d）連接時，集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。與光敏二極管相似，入射光子在集電結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴對，電子受集電結(jié)電場的吸引流向集電區(qū)，基區(qū)中留下的空穴構(gòu)成“純正電荷”，使基區(qū)電壓提高，致使電子從發(fā)射區(qū)流向基區(qū)，由于基區(qū)很薄，所以，只有一小部分從發(fā)射區(qū)來的電子與基區(qū)的空穴結(jié)合，而大部分電子穿過基區(qū)流向集電區(qū)，這一段過程與普通三極管的電流放大作用相似。集電極電流Ic是原始光電流的倍，因此，光