【正文】 第 2章 光電式傳感器 1 第 2章 光電式傳感技術 章瑞平 第 2章 光電式傳感器 2 第 2章 光電式傳感技術 光電傳感器的工作原理 光敏二極管 光敏三極管 光敏電阻 光電池 高速光電二極管 光電倍增管 色敏光電傳感器 光位置傳感器 紅外光傳感器 CCD圖像傳感器 激光傳感器 核輻射（光）傳感器 第 2章 光電式傳感器 3 本章目的和要求 ? 掌握各種光電式傳感器： ? 結構 ? 工作原理 ? 基本特性 ? 使用注意事項及應用 第 2章 光電式傳感器 4 概述 光電式傳感器 是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器。 光電式傳感技術特點： 用于檢測非電量，具有結構簡單、非接觸、可靠性高、精度高和反應快等特點。廣泛用于空間位置測定、圖像控制、輻射檢測、工業(yè)監(jiān)測、病情初期診斷等檢測技術領域。 光電傳感器的工作原理 光電傳感器的工作原理： 光電效應。 光電效應： 當光照射物體時，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，于是物體中的電子吸收入射光子的能量，而發(fā)生相應的效應（如發(fā)射電子、電導率變化或產(chǎn)生電動勢等），這種現(xiàn)象稱為光電效應。 光電計數(shù)器 第 2章 光電式傳感器 5 光電效應有以下 3類： 外光電效應、光電導效應、光生伏特效應 （ 1） 外光電效應： 在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象。光電元件：光電管、光電倍增管等。 光子是具有能量的粒子，每個光子具有的能量由下式確定。 )s s)(J106 . 6 2 6h 134光的頻率（－為普朗克常數(shù)式中：?????? hEch???第 2章 光電式傳感器 6 光電效應方程 ： 02021Amvhv ??式中： m——電子質(zhì)量； v0——電子逸出速度。 A0 ——物體的表面電子逸出功 若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功 A0時，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。故要使一個電子逸出，則光子能量 hν 必須超出逸出功 A0 ，超過部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動能。 第 2章 光電式傳感器 7 第 2 章 光電式傳感器7? 光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功 A0。 不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應的光頻閾值，稱為紅限頻率 或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。? 當入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。? 光電子逸出物體表面具有初始動能 mv02 /2 ， 因此外光電效應器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。第 2章 光電式傳感器 8 內(nèi)光電效應 包括 ：光電導效應 和 光生伏特效應 （ 2） 光電導效應： 在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象。光電元件：光敏電阻等。 （ 3） 光生伏特效應： 在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象。光電元件：光電池、光敏二極管、光敏三極管等。 第 2章 光電式傳感器 9 過程： 當光照射到半導體材料上時 ， 價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊 ， 并使其由價帶越過禁帶躍入導帶 ， 如圖 ， 使材料中導帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加 ，從而使電導率變大 。 導帶 價帶 禁帶 自由電子所占能帶 不存在電子所占能帶 價電子所占能帶 Eg 內(nèi)光電效應 光電池 電子能級示意圖 第 2章 光電式傳感器 10 材料的光導性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導材料， 總存在一個照射光波長限 λ0，只有波長小于 λ0的光照射在光電導體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進，從而使光電導體的電導率增加。 式中 ν、 λ分別為入射光的頻率和波長。 ??? ??? hch為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導材料的禁帶寬度 Eg，即 第 2章 光電式傳感器 11 光譜 光波：波長為 10— 106nm的電磁波 紫外線：波長 10— 380nm， 可見光：波長 380— 780nm 紅外線：波長 780— 106nm 第 2章 光電式傳感器 12 光敏二極管 光敏二極管在電路中一般是處于 反向偏置狀態(tài) 。 光敏二極管的光照特性是 線性 的，適合檢測等方面的應用。 光敏二極管與普通半導體二極管的 不同之處： 光敏二極管的 PN結裝在管殼的頂部，可以直接受到光的照射。 光敏二極管的結構和工作原理 第 2章 光電式傳感器 13 沒有光照射時 ， 處于反向偏置的光敏二極管， 工作于截止狀態(tài) , 這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流即 暗電流 。這時反向電阻很大。 當 光照射 在 PN結上時 , 光子打在 PN結附近 , PN結附近 產(chǎn)生電子 空穴對， 它們在反向外加電壓和內(nèi)電場的作用下參與導電 , 從而使通過 PN結的反向電流大為增加，形成 光電流 。這時二極管處于導通狀態(tài)。 光的照度越大 , 光電流越大。 第 2章 光電式傳感器 14 1）光譜特性 在入射光照度一定時，輸出的光電流（或相對靈敏度）隨光波波長的變化而變化。 一種光敏二極管只對一定波長的入射光敏感。 硅管：（峰值波長 ）探測可見光和熾熱物體。 鍺管：（峰值波長 ）探測紅外光。 第 2章 光電式傳感器 15 2）伏安特性 （一定照度下的電流電壓特性） ? 當光照時，反向電流隨著光照強度的增大而增大； ? 在不同照度下，伏安特性曲線幾乎平行，所以只要沒有達到飽和值，它的輸出實際上不受偏壓大小的影響。 ? 無偏壓時，光敏二極管仍有光電流輸出，這是由光敏二極管的光電效應性質(zhì)所決定的。 光的顏色會隨著溫度的升高而變化，這種光源的溫度就叫該光源的色溫（單位：開爾文）。 Lx照度單位：勒克斯 第 2章 光電式傳感器 16 3）光照特性 光敏二極管光照特性的 線性好 。 第 2章 光電式傳感器 17 4）溫度特性 溫度變化對光敏二極管輸出光電流影響較小 ,但對暗電流的影響卻十分顯著 . 解決措施：選硅管、溫度補償電路、交流放大和隔直電容 低照度 高照度 第 2章 光電式傳感器 18 5）響應特性 上升時間短 tr5ns，響應速度快，則適用于快速響應或入射光調(diào)制頻率較高的場合。 第 2章 光電式傳感器 19 光敏二極管的型號參數(shù) 見書 P14 表 第 2章 光電式傳感器 20 ① 最高反向工作電壓 VRM :是指光敏二極管在無光照的條件下，反向漏電流不大于 時所能承受的最高反向電壓值。 VRM越大，管子性能越穩(wěn)定 。 ② 暗電流 ID:是指光敏二極管在無光照及最高反向工作電壓條件下的漏電流。暗電流越小，光敏二極管的性能越穩(wěn)定，檢測弱光的能力越強。 ③ 光電流 IL:是指光敏二極管在受到一定光照時，在最高反向工作電壓下產(chǎn)生的電流。其測量的一般條件是 :2856K鎢絲光源，照度為 1000lx。 ④ 光電靈敏度 Sn:它是反映光敏二極管對光敏感程度的一個參數(shù)，用在每微瓦的入射光能量下所產(chǎn)生的光電流來表示，單位為 μA/μW 。即指輸入給定波長的單位功率時，光敏二極管能輸出的光電流值。 ⑤ 響應時間 :光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)化為電信號所需要的時間。響應時間越短，說明光敏二極管的工作頻率越高。 ⑥ 正向壓降 VF:是指光敏二極管中通過一定的正向電流時，它兩端產(chǎn)生的壓降。 ⑦ 結電容 Cj:指光敏二極管 PN結的電容。 Cj是影響光電響應速度的主要因索。 結面積越小，結電容 Cj也就越小，則工作頻率越高。 光敏二極管主要參數(shù) 第 2章 光電式傳感器 21 部分 2CU型光敏二極管主要參數(shù) 第 2章 光電式傳感器 22 部分 2CU型光敏二極管主要參數(shù) 用于可見光和近紅外光的接收，也可用于自動控制儀器和電氣設備的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 第 2章 光電式傳感器 23 部分 2CU7 2CU80 光敏二極管主要參數(shù) 2CU80型為低照度寬光譜光敏二極管，可用于多段亮度計和地物光譜儀及微弱光的探測儀。 第 2章 光電式傳感器 24 部分 2DU 型光敏二極管主要參數(shù) 主要用于可見光和近紅外光探測器，也可用于光電轉(zhuǎn)換的自動控制儀器、觸發(fā)器、光電耦合、編碼器 、特性識別、過程控制和激光接收等方面。 第 2章 光電式傳感器 25 光敏二極管的應用 1）光電路燈控制電路 分析： ： ： Il VA 第 2章 光電式傳感器 26 2）光強測量電路 Il VA 分析： ： ： 電橋 第 2章 光電式傳感器 27 3）便攜式照度計電路 光電傳感器 輸出電壓： V0 =ΦSlRL Sl = 5μΑ/ lx R L=200Ω 當 Φ=0 lx 則 V0 = ΦSlRL =0mV 當 Φ=1 lx 則 V0 = ΦSlRL =1mV 當 Φ=5000 lx 則 V0 = ΦSlRL = 5V 將光敏二極管與放大器 Rf集成在一起 ， 輸出為線性 ， 靈敏度為 5μΑ/ lx 。 第 2章 光電式傳感器 28 光敏三極管 光敏三極管比具有相同有效面積的光敏二極管的光電流大幾十至幾百倍，但響應速度較二極管差。 光敏三極管的結構和工作原理 基極開路 ， 集電極與發(fā)射極之間加正電壓 。 當光照射在集電結上時 , 在結附近產(chǎn)生電子 空穴對 , 電子在結電場的作用下 ， 由 P區(qū)向 N區(qū)運動 ，形成基極電流 ， 空穴在基區(qū)積累 ， 提高發(fā)射結正向偏置 ， 發(fā)射區(qū)多子電子穿過基區(qū)向集電區(qū)移動 ， 在外電場作用下形成集電極電流 Ic， 結果表現(xiàn)為 基極電流放大 β 倍形成集電極電流 （ 光電流 ） , 所以光電三極管有放大 作用 。 第 2章 光電式傳感器 29 2）伏安特性 a）無偏壓時有光電流 b）比光敏二極管的光電流大 β 倍 c）可把光敏三極管看成普通三極管（把入射光的光照變化看成基極電流的變化） 1）光譜特性 光譜特性與二極管相同 光敏二極管 第 2章 光電式傳感器 30 3）光照特性 其線性沒二極管好、低照度小、高照度飽和 4）溫度特性 溫度特性與光敏二極管相同 5）響應特性 上升時間 t r=3μs 比二極管的響應速度（ ns）慢得多 光敏二極管 第 2章 光電式傳感器 31 光敏三極管的型號參數(shù) 見書 P18表 ，表 （一），表 續(xù)（二），表 第 2章 光電式傳感器 32 型號 允許功耗 mW 最高工作電壓 UCEM/V 暗電流 ID/μA 光電流 mA 峰值響應波長 μm 測試條件 ICE=ID UCE=UCEM 1000IX UCE=10V 3DU11 70 ≥10 ≤ ~ 1 3DU12 50 ≥30 3DU13 100 ≥50 3DU14 100 ≥100 ≤ ~ 1 3DU21 30 ≥10 ≤ 1 ~ 2 3DU22 50 ≥30 3DU23 100 ≥50 3DU31 70 ≥10 ≤ ≥2 3DU32 50 ≥30 3DU33 100 ≥50 3DU51 30 ≥10 ≤ ≥ 部分國產(chǎn)光敏三極管參數(shù)： 3DU系列硅光敏三極管適用于近紅外光探測器、光耦合、編碼器、譯碼器、過程控制等方面。 第 2章 光電式傳感器 33 電源 24v 輸出電壓 發(fā)光二極管 光敏三極管 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為 n，輻條數(shù)為 N 限流電阻 輸出電信號：頻率 f = nN 的脈沖 第 2章 光電式傳感器 34 2. 光電轉(zhuǎn)速傳感器 第 2章 光電式傳感器 35 有光照 BG1時，使 U0為高電位， 無光照 BG1時，使 U0為低