【正文】 第 8章 光電式傳感器 光電器件 光纖傳感器 紅外傳感器 返回主目錄 第 8 章 光電式傳感器 將光能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備稱作光電式傳感器件 ,它的 最主要部件 光電器件 第 8章 光電式傳感器 光電器件 光電器件的物理基礎(chǔ)是 光電效應(yīng) 。 光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng) 和 內(nèi)光電效應(yīng) 兩類 。 1. 外光電效應(yīng) 由光子理論可知 ， 光是由光子組成的 ， 光子具有能量 ， 每個(gè)光子具有的能量可由下式表示： E= hγ （ 8－ 1） 式中： h為普朗克常數(shù) ， γ為光的頻率 。 第 8章 光電式傳感器 由 (8－ 1)式可知 ， 光的頻率越高 （ 即波長(zhǎng)越短 ） ， 其光子的能量就越大 。 反之 ， 若光的頻率越低 （ 即波長(zhǎng)越長(zhǎng) ） ， 其光子的能量就越小 。 當(dāng)光照射物體時(shí) ， 可以看作物體被一連串能量為 hγ的光子所轟擊 。 當(dāng)物體內(nèi)電子吸收入射光子能量超過(guò)逸出功A0時(shí) ， 電子就會(huì)逸出物體表面向外發(fā)射 ， 這種現(xiàn)象就稱作外光電效應(yīng) 。 向外發(fā)射的電子就叫作光電子 。 基于外光電效應(yīng)的有光電管 、 光電倍增管等 。 第 8章 光電式傳感器 2. 內(nèi)光電效應(yīng) 在光線作用下 , 物體內(nèi)的電子不逸出物體表面 ， 而使其電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱作 內(nèi)光電效應(yīng) 。 1） 光電導(dǎo)效應(yīng)： 在光線作用下 , 當(dāng)半導(dǎo)體吸收的光子能量超過(guò)它的禁帶寬度 ， 就激發(fā)出電子－空穴對(duì) ， 使載流子濃度增加 ， 電阻減小 ， 這種現(xiàn)象稱為 光電導(dǎo)效應(yīng) 。 如光敏電阻等就屬于這類光電器件 。 2） 光生伏特效應(yīng)： 在光線作用下 , 能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為 光生伏特效應(yīng) , 又稱 阻擋層光電效應(yīng) 。如光電池 、 光敏晶體管等就屬于這類光電器件 。 第 8章 光電式傳感器 一 、 光電管和光電倍增管 光電管 光電管的結(jié)構(gòu) 如下圖 （ a） 所示 ， 它是在一個(gè)真空玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極的器件 。 一個(gè)貼在玻璃泡內(nèi)稱作光電陰極 ， 陰極前裝有一根金屬絲稱作陽(yáng)極 。 其工作原理是基于外光電效應(yīng)：即當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)便發(fā)射電子 ， 電子被帶正電位的陽(yáng)極所吸收 ， 在光電管內(nèi)就產(chǎn)生光電流 ， 在外電路中便產(chǎn)生電流 。 其光電流的大小與光通量有關(guān) ， 這個(gè)關(guān)系曲線稱作光電管的伏安特性曲線 。 如下圖 （ b） 所示 。 第 8章 光電式傳感器 陽(yáng)極電壓 陽(yáng) 極 電 流 光通量 陽(yáng)極 光電陰極 玻璃泡 （ a）光電管結(jié)構(gòu)圖 （ b）光電管伏安特性圖 第 8章 光電式傳感器 光電倍增管 光電倍增管結(jié)構(gòu) 如下圖所示 ，它有光電陰極、若干（通常 4～ 14個(gè)）倍增極和陽(yáng)極 3部分組成。 其工作原理也是基于外光電效應(yīng)： 工作時(shí)，各個(gè)倍增電極上均加上電壓，陰極 K電位最低，各倍增極 E E E E4(或更多）電位一次升高，陽(yáng)極 A電位最高。當(dāng)光線照射到陰極上打出光電子，由于各極間有電場(chǎng)存在，電子加速?gòu)亩Z擊出更多的電子，這些電子最后被陽(yáng)極吸收，從而在光電陰極和陽(yáng)極之間形成較大電流。并且放大倍數(shù)與極數(shù)成倍增關(guān)系。其伏安特性曲線與光電管相似。 第 8章 光電式傳感器 K E1 E2 E3 E4 A 光 光電子 光電倍增管示意圖 第 8章 光電式傳感器 二 、 光敏電阻 １． 光敏電阻的結(jié)構(gòu) 光敏電阻又稱光導(dǎo)管 , 它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。 光敏電阻沒有極性 , 純粹是一個(gè)電阻器件 , 使用時(shí)既可加直流電壓 , 也可以加交流電壓。其結(jié)構(gòu)如下圖 81 所示 第 8章 光電式傳感器 1 第 8章 光電式傳感器 它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì) , 半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極 , 金屬電極與引出線端相連接 , 光敏電阻就通過(guò)引出線端接入電路 。 為了防止周圍介質(zhì)的影響 , 在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜 , 漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大 。 2. 工作原理 它的工作原理是基于半導(dǎo)體的 光電導(dǎo)效應(yīng) 。 即當(dāng)無(wú)光照時(shí) , 光敏電阻值很大 , 電路中電流很小 。 當(dāng)光敏電阻受到 一定波長(zhǎng)范圍 的光照時(shí) , 它的電阻率急劇減少 , 從而導(dǎo)致電阻急劇減少 ， 因此電路中電流迅速增大 。 第 8章 光電式傳感器 3． 光敏電阻的主要參數(shù) （ １ ） 暗電阻 和 暗電流 ——光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻 , 此時(shí)流過(guò)的電流稱為暗電流 。 一般來(lái)說(shuō)暗電阻越大越好 。 （ ２ ） 亮電阻 和 亮電流 ——光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻 , 此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流 。 一般來(lái)說(shuō)亮電阻越小越好 。 （ ３ ） 光電流 ——亮電流與暗電流之差稱為光電流 。 一般來(lái)說(shuō)光電流越大越好 。 光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí) , 亮電阻在幾千歐以下 。 第 8章 光電式傳感器 4．光敏電阻的基本特性 （ 1） 伏安特性 ——在一定照度下 , 流過(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。 圖 8 2 為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。 由圖可見 , 光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi) , 其 IU曲線為直線，說(shuō)明其阻值與入射光量有關(guān) , 而與電壓、電流無(wú)關(guān)。 第 8章 光電式傳感器 （ 2） 光譜特性 ——光敏電阻的相對(duì)光靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光譜特性 , 亦稱為光譜響應(yīng) 。 圖 8 3 為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性 。 從圖中可以看出 ， 對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng) , 光敏電阻的靈敏度是不同的 。即光敏電阻對(duì)入射光的光譜有選擇作用 。 從圖中可見硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見光 (波長(zhǎng)在 380~780nm之間 ） 區(qū)域 , 常被用作光度量測(cè)量 （ 照度計(jì) ） 的探頭 。 而硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū) , 常用做火焰探測(cè)器的探頭 。 第 8章 光電式傳感器 （ 3） 溫度特性 ——溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng) , 同時(shí) , 光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變 , 尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大 。 圖 8 4 為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線 , 它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng) 。 因此 , 硫化鉛光敏電阻要在低溫 、 恒溫的條件下使用 。 對(duì)于可見光的光敏電阻 , 其溫度影響要小一些 。 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 三 、 １ ． 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與二極管相似 。 它裝在透明玻璃外殼中 , 其 PN結(jié)裝在管的頂部 , 可以直接受到光照射 （ 見圖 85） 。 光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài) （ 見圖 86所示 ） 。在沒有光照射時(shí) , 反向電阻很大 , 反向電流很小 , 稱為暗電流 （ 處于截止?fàn)顟B(tài) ） 。 當(dāng)光照射在 PN結(jié)上時(shí) , 光子打在 PN結(jié)附近 , 使 PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì) 。 它們?cè)?PN結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng) , 形成光電流 （ 處于導(dǎo)通狀態(tài) ） 。 并且光的照度越大 , 光電流越大 。 第 8章 光電式傳感器 光敏晶體管與一般晶體管很相似 , 只是大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引出線 。 下 圖 為 NPN型光敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路 。 在集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí) , 集電結(jié)就是反向偏壓；當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí) , 就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子 ——空穴對(duì) , 從而形成光電流 , 相當(dāng)于三極管的基極電流 。 由于基極電流的增加 , 因此集電極電流是光生電流的 β倍 , 所以光敏晶體管有放大作用 。 第 8章 光電式傳感器 ２ ． （ １ ） 光譜特性 ——光敏二極管和晶體管的光譜特性曲線如圖 8—8所示 。 從曲線可以看出 , 硅的峰值波長(zhǎng)約為 μm, 鍺的峰值波長(zhǎng)約為 , 此時(shí)靈敏度最大 , 而當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加或縮短時(shí) , 相對(duì)靈敏度也下降 。 一般來(lái)講 , 鍺管的暗電流較大 , 因此性能較差 , 故在可見光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí) , 一般都用硅管 。 但對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí) , 鍺管較為適宜 。 （ ２ ） 伏安特性 ——下圖 8 9為硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲線 。 從圖中可見 , 光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍 。 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 （ ３ ） 溫度特性 ——光敏晶體管的溫度特性是指其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系 如下圖所示 。 從特性曲線上看出 , 溫度變化對(duì)光電流影響很小 , 而對(duì)暗電流影響很大 , 所以在電子線路中應(yīng)對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償 , 否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差 。 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 四 、 光電池 光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件 。光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源 。 光電池的工作原理是基于 “ 光生伏特效應(yīng) ” 。 它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的 PN結(jié) , 當(dāng)光照射到 PN結(jié)的一個(gè)面 , 例如 P型面時(shí) ,