1、第 10 章 光电式传感器 101 光电式传感器的工作原理及基本组成 102 光电式传感器中的敏感元件 103 光电式传感器的类型及设计 104 光电式传感器的应用 光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置光电式传感器工作时先将被测量转换为光量的变化然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化从而实现非电量的测量其核心敏感元件是光电器件基础是光电效应 光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学量的其它被测量然后输出电信号 测量光学量时光 电器件是作为敏感元件使用而测量其它物理量时它作为变换元件使用 光电式传感器由光路及电路两大部分组成光路部分实现被测信号对光量的控制和
2、调制电路部分完成从光信号到电信号的转换 常用的光电转换元件有真空光电管充气光电管光电倍增管光敏电阻光电池光电二极管及光敏三极管等它们的作用是检测照射其上的光通量选用何种形式的光电转换元件取决于被测参数所需的灵敏度响应的速度光源的特性及测量环境和条件等 102 光电式传感器中的敏感元件 当光照射在某些物体上时光能量作用于实测物而释放出电子这种现象称为光电效应所放出的电子叫光电子光电效应一般分为外光电效应和内光电效应两大类根据这些效应可以做出相应的光电转换元件简称光电元件或光敏器件 光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时光子的能量传给光电材料表面的电子如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量电子会
3、克服正离子对它的吸引力脱离金属表面而进入外界空间这种现象称为外光电效应 爱因斯坦的光子假设光子是具有能量的粒子每一光子的能量 一个光子的全部能量是一次被一个电子所吸收无需积累能量的时间 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 光电管及其基本特性 1 结构与工作原理 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所示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当光照在阴极上时中央阳极可收集从阴极上逸
4、出的电子在外电场作用下形成电流 I 2 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阳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它是应用光电传感器参数的主要依据 2 光电管的光照特性 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下图所示 3 光电管的光谱特性 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 n0 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
5、n0 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也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 2 光电倍增管及其基本特性 1 结构与工作原理 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个微安很不容易探测这时常用光电倍增管对电流进行放大下图是光电倍增管的外形和工作原理图光电倍增管由光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钢铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的阳极是最后用来收集电子的 如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰
6、击第一倍增极设这时第一倍增极有 个二次电子发出这 个电子又轰击第二倍增极而其产生的二次电子又增加 倍经过 n 个倍增极后原先一个电子将变为 n 个电子这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流 i 则 i in 式中 n 为二次发射极数 为二次电子发射系数故输出电压 Usc iR in R 光电倍增管的优点是放大倍数很高可达 106 线性好频率特性好缺点是体积大需数百伏至 1 kV 的直流电压供电光电倍增管一般用于微弱光输入要求反映速度很快的场合 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系数 i 的乘积如果 n个倍增电极的 i 都一样则阳极电流 I
7、 为 3 暗电流 一般在使用光电倍增管时必须把管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暗电流主要是热电子发射引起它随温度增加而增加不过暗电流通常可以用补偿电路加以消除 4 光电倍增管的光谱特性 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 内光电效应是指某些半导体材料在入射光能量的激发下产生电子空穴对致使材料电性能改变的现象 这种效应可分为因光照引起半导体电阻值变化的光导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种 基于光导效应的光电器件有光敏电阻基于光生伏特效应的光电器件有光电池光敏二极管光
8、敏三极管光电位置敏感器件 PSD 1 光敏电阻 1 结构和原理 光敏电阻又称光导管是利用光电导效应制成的由于光的照射使半导体的电阻变化所以称为光敏电阻 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并非一切纯半导体都能显示出光电特性对于不具备这一特性的物质可以加入杂质使之产生光电效应用来产生这种效应的物质由金属的硫化物硒化物碲化物等组成 2 光敏电阻的特性 1 暗电阻亮电阻与光电流 光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻此时流过的电流称为暗电流 在受到光照时的电阻称为亮电阻此时的电流称为亮电流 亮电流与暗电流之差称为光电流一般暗电阻越大亮电阻越小光敏电阻的灵敏度
9、越高 光敏电阻的暗电阻的阻值一般在兆欧数量级亮电阻在几千欧以下暗电阻与亮电阻之比一般在 102106 之间 2 光敏电阻的伏安特性 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 一定光照 R 一定 I 正比于U 所加的电压越高光电流越大而且没有饱和现象 一定电压 I 随着光照 E 增强而增大 3 光敏电阻的光照特性 光敏电阻的光照特性用于描述光电流 I 和光照强度之间的关系绝大多数光敏电阻光照特性曲线是非线性的光敏电阻一般用作开关式的光电转换器而不宜用作线性测量元件 4 光敏电阻的光谱特性 对于不同波长的光不同的光敏电阻的灵敏度是不同的从图中可以看出硫化镉的峰值在可见光区域而硫化
10、铅的峰值在红外区域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 5 光敏电阻的响应时间和频率特性 光敏电阻的光电流不能随着光照量的改变而立即改变即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性这个惰性通常用时间常数 t 来描述 时间常数为光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的 63所需要的时间因此时间常数越小响应越迅速 6 光敏电阻的温度特性 随着温度不断升高光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降同时温度变化也影响它的光谱特性曲线下图示出了硫化铅的光敏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元件的灵敏度或为了能够接受较长波段的红外辐射应采取一些致冷措
11、施 2光敏二极管和光敏三极管 1 结构和原理 光敏二极管是一种 PN 结型半导体元件其结构和基本使用电路如图所示光敏二极管在没有光照射时反向电阻很大光电二极管处于载止状态反向电流很小反向电流也叫暗电流受光照射时 PN 结附近受光子轰击吸收其能量而产生电子-空穴对从而使 P 区和 N 区的少数载流子浓度大大增加即使 P 型中的电子数增多也使 N 型中的空穴增多即产生了新的自由载流子在外加反向偏压和内电场的作用下 P 区的少数载流子渡越阻挡层进入 N 区 N 区的少数载流子渡越阻挡层进入 P 区从而使通过 PN 结的反向电流大为增加这就形成了光电流如果入射光的照度变动则电子和空穴的浓度也跟着相应地
12、变动因此通过外电路的电流也随之变化这样就把光信号变成了电信号 光敏三极管有 PNP 型和 NPN 型两种由于后者性能较优因此实用较多光敏三极管的外型结构与光敏二极管相似通常也只引出两个电极 无基极引线 内部结构与普通三极管很相似只是它的发射极一边做得很大以扩大光的照射面积光线由窗口对着集电极的 PN 结 采用 N 型单晶和硼扩散工艺的光敏二极管称为 Pn 结构采用 P 型单晶和磷扩散工艺的称为 nP 结构按国内半导体器件命名规定硅 Pn 结构为 2CU 型 nP 结构为 2DU 型硅nPn 结构为 3DU 型 光敏三极管是兼有光敏二极管特性的器件它在把光信号变为电信号的同时又将信号电流放大下图
13、给出了它的结构和基本使用电路光敏三极管的电路连接也与普通三极管相同基极开路集电结反偏发射结正偏 2 光敏三极管的特性 1 光谱特性 光敏三极管的光谱特性是光电流随入射光的波长而变化的关系光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长当入射光的波长增加时相对灵敏度要下降因为光子能量太小不足以激发电子空穴对当入射光的波长缩短时相对灵敏度也下降这是由于光子在半导体表面附近就被吸收并且在表面激发的电子空穴对不能到达 PN 结因而使相对灵敏度下降 5 光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性是光电流与光强变化频率的关系光敏二极管的频率特性是很好的其响应时间可以达到 107108s 因此它适用于测量快速变化的光信
14、号光敏三极管由于存在发射结电容和基区渡越时间发射极的载流子通过基区所需要的时间所以光敏三极管的频率响应比光敏二极管差而且和光敏二极管一样负载电阻越大高频响应越差 综上所述可以把光敏二极管和三极管的主要差别归纳为 光电流 光敏二极管一般只有几个到几百微安而光敏三极管一般都在几毫安以上至少也有几百微安两者相差十倍至百倍光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大一般都不超过 l 微安 响应时间 光敏二极管的响应时间在 100ns 以下而光敏三极管为 510s 因此当工作频率较高时应选用光敏二极管只有在工作频率较低时才选用光敏三极管 输出特性 光敏二极管有很好的线性特性而光敏三极管的线性较差 硒光电池是
15、在铝片上涂硒再用溅射的工艺在硒层上形成一层半透明的氧化镉在正反两面喷上低融合金作为电极如图所示在光线照射下镉材料带负电硒材料上带正电形成光电流或电动势 4 光电位置敏感器件 PSD 半导体位置探测器 Position Sensitive Detector 简称为 PSD 它能连续准确地给出入射光点在光敏面上的位置 PSD 分为一维 PSD 和二维 PSD 分别可确定光点的一维位置坐标和二维位置坐标 1PSD 的工作原理 如图所示其 PN 结是由重掺杂的 P 型半导体和轻掺杂的 N 型半导体构成和一般的 PN 结一样由于载流子扩散在结区建立一个与结面垂直的由 N 指向 P 的自建内电场但由于P
16、为重掺杂载流子密度大故电导率比 N 区高因此当入射光照射 A 点时光生载流电子和空穴集中在 A 点附近的结区在自建场作用下空穴进入 P 区由于电导率高而很快扩散到整个 P 区成为 P 近位等电区位而在 A 点附近 N 区的电子由于其电导率低而不易扩散仍集中在A 点附近具有高的负电位因此形成一个平行于结面的横向电场常称为横向光电效应 实用的 PSD 不是简单的 PN 结而是做成 PIN 结构具有般 PIN 光电二极管类似的优点即由于 I 区较厚而具有更高的光电转换效率更高的灵敏度和响应速度其工作原理仍是基于横向光电效应如图所示表面 P 层为感光面两边各有一信号输出电极中间为 I 层底层的公共电极
17、是用来加反偏电压的当入射光照射到光敏面上某点由于存在平行于结面的横向电场作用使光生载流子形成向两端电极流动的电流 I1 和 I2 它们之和等于总电流 I0 如果 PSD面电阻是均匀的且其阻值 R1 和 R2 远大于负载电阻 RL 则 R1 和 R2 的值仅取决于光电的位置即 若将两个信号电极的输出电流检出后作如下处理即 2PSD 的结构与特性 1 一维 PSD 的结构 一维 PSD 的结构及等效电路如图所示其中 VDj 为理想的二极管 Cj 为结电容 Rsh 为并联电阻 Rp 为感光层 P 层的等效电阻一维 PSD 的输出与入射光点位置之间的关系如图所示其中 X1X2 分别表示信号电极的输出信
18、号光电流 2 二维 PSD 的结构 二维 PSD 用于测定入射光点的二维坐标即在一方形结构 PSD 上有两对互相垂直的输出电极由于电极的引出方法不同二维 PSD 可分为由同一面引出两对电极的表面分流型二维 PSD 和由上下两面分别引出一对电极的两面分流型二维 PSD 它们的结构及等效电路如图所示 XlX2YlY2 分别为各电极的输出信号光电流 xy 为入射光点的位置坐标表面分流型 PSD 暗电流小但位置输出非线性误差大两面分流型PSD 线性好但暗电流大且由于无法引出公共电极而较难加上反偏电压 对于表面分流型和两面分流型 PSD 其输出与入射光点位置的关系如图所示其关系式为 3PSD 的特性 P
19、SD 与 CCD 都可以作为光点位置的探测但 PSD 有自身的特点在许多情况下更适合于作专用的位置探测器其突出的特点有 入射光强度和光斑大小对位置探测影响小 PSD 的位置输出只与入射光点的重心位置有关而与光点尺寸大小无关这一显著优点给使用带来很大的方便但应注意当光点接近光敏面边缘时部分落在光敏面外就会产生误差光点越靠近边缘误差就越大为了减小边缘效应应尽量将光斑缩小且最好使用敏感面中央部分 3PSD 的特性 反偏压对 PSD 的影响 反偏压有利于提高感光灵敏度和动态响应但会使暗电流有所增加 背景光强影响 背景光强度变化会影响位置输出误差消除背景光影响的方法有两种即光学法和电学法 环境温度的影响
20、 使用环境温度上升时暗电流将增大实验表明温度上升 1暗电流增大 115 倍这除采用温度补偿方法外还可采用光源调制锁相放大解调的方式滤去暗电流的影响 5 光电耦合器 光电耦合器简称光耦它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发光元件为发光二极管受光元件为光敏三极管或光敏可控硅它以光为媒介实现输入电信号耦合到输出端 光电耦合器的主要用途是提供电气隔离和信号隔离可以用在一系列隔离应用场合中从供电和电机控制电路到数据通信和数字逻辑接口电路等等 103 光电式传感器的类型及设计自学 透射式 下图所示为透射式光电传感器用于检测工件孔径或狭缝宽度的原理图此法适用于检测小直径通孔从光
21、源 1 发出的光透过被测工件 2 的孔后由光电元件 3 接收被测孔径尺寸变化时照到光电元件上的光通量随之变化转换成的光电流大小由被测孔径大小决定此方法也可用于外径的检测 应用 无触点式路灯控制电路 在白天电路中的光敏电阻 Rp 因受光照而呈现小电阻从而使 BG 饱和导通可控硅 SCR 截止双向可控硅 TRIAC 也截止使路灯熄灭天黑以后Rp 的阻值变大从而使 BG 截止可控硅 SCR 被触发导通进而使双向可控硅 TRIAC 也导通路灯被点亮 二 光生伏特效应器件的应用 1 光电晶体管的应用 光电控制电路 三 PSD 的应用 PSD 可用于检测入射光点的位置因此能用来测量距离位移角度等参数图中 b 为
