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1、光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，在检测和控制领域内得到广泛应用。,第七章 光电传感器,光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。第七章 光电传,用光照射某一物体，可以看做是一连串能量为Au的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，我们把这种物理现象称为光电效应。,一、光电效
2、应与光电器件,根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为 E=hf 7-1,式中，f为光波频率；h为普朗克常数，h6.63x10-34 J/Hz光波频率越高，光子能量越大。,用光照射某一物体，可以看做是一连串能量为Au的光子轰,1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电信增管等。2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。
3、,通常把光电效应分为三类：,(一)光电管、光电倍增管光电管和光电倍增管是利用外光电效应制成的光电元件。下面简要介绍它们的结构和工作原理。,1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电,光电管的外形和结构如图7-1-1所示，当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为(12)m2,式中，m为电子质量；v为电子逸出的初速度。,7-2,根据能量守恒定律有,1.光电管,光电管的外形和结构如图7-1-1所示，当电子获得的能,入射光频率大于“红限”的前提下，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。,由式7
4、-2可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hfA。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。,入射光频率大于“红限”的前提下，在光电管内形成空间电,阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特性，要求人们应当根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获得满意的灵敏度。,由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。图7-1-3是光电倍增管结构示
5、意图。,2.光电倍增管,阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化而改变，即,从图中可以看到光电倍增管也有一个阴极K和一个阳极A，与光电管不同的是在它的阴极和阳极间设置了若干个二次发射电极，D1、D2、D3它们称为第一倍增电极、第二倍增电极、，倍增电极可在414级。,在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。,若倍增电极有n级，各级的倍增率为，则光电倍增管的倍增率可以认为是n，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。,从图中可以看到光电倍增管也有一个阴极K和一个阳极A，,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
6、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。,（二）光敏电阻,光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。,用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。,1.工作原理（二）光敏电阻 光敏电阻没有极性,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。,2基本特性和参数,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
7、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。,2)伏安特性,1)暗电阻、亮电阻,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,由图7-1-5可知，光敏电阻伏安特性近似直线，而且没有饱和现象。受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。,由图7-1-5可知，光敏电阻伏安特性近似直线，而且没,3)光电特性,5)频率特性 当光敏电阻受到脉冲
8、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7-1-8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。,4)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7-1-7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
9、结果。,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7-1-6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。,3)光电特性5)频率特性4)光谱特性 光敏电阻的,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7-1-9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，有时为了能接受远红外光而采取降温措施。,6)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,(三)光敏晶体管 光敏晶体管通
10、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7-1-10a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，如图7-1-10c所示。,(三)光敏晶体管,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
11、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7-1-11a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,当光敏三极管按图7-1-11b所示的电路连接时，它的集电结反向偏置，发射结正向偏置，无光照时仅有很小的穿透电流流过，当光线通过透明窗口照射
12、集电结时，形成集电极电流。这个过程与普通三极管的电流放大作用相似，它使集电极电流是原始光电流的(l+)倍。这样集电极电流将随入射光照度的改变而更加明显地变化。,在入射光照度一定时，光敏晶体管的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光敏晶体管只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光敏晶体管的光谱特性，见图7-1-13。,2基本特性 1)光谱特性,当光敏三极管按图7-1-11b所示的电路连接时，它的,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
13、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0.8左右，锗管的峰值波长为1.5左右。,由曲线可以看出，当入射光波长增加时，相对灵敏度要下降,由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管性能较差。因此在探测可见光或赤热物体时，多采用硅管。但对红外光进行探测时，采用锗管较为合适。,2)伏安特性 光敏三极管在不同照度下的伏安特性，就象普通三极管在不同基极电流下的输出特性一样，如图7-1-13所示。在这里改变光照就相当于改变一般三极管的基极电流，从而得到这样一簇曲线。,3)光电特性 它指外加偏置电压一定时，光敏晶体管的输出电流和光照度的关系。一般说来，光敏二极管光电特性
14、的线性较好，而光敏三极管在照度小时，光电流随照度增加较小，并且在光照足够大时，输出电流有饱和现象。这是由于光敏三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。,由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管性能较差。因此在探,4)温度特性 温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响较小，但是对暗电流的影响却十分显著，如图7-1-14所示。在这种情况下，应当选用硅光敏管，这是因为硅管的暗电流要比锗管小几个数量级。同时还可以在电路中采取适当的温度补偿措施，或者将光信号进行调制，对输出的电信号采用交流放大，利用电路中隔直电容的作用，就可以隔断暗电流，消除温度的影响。,4)温度特性,5)频率特性 光敏晶体管受调制光照
15、射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性。如图7-1-15所示。一般来说，光敏三极管的频响比光敏二极管差得多，锗光敏三极管的频响比硅管小一个数量级。,(四)光电池,5)频率特性(四)光电池,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7-1-16a。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
16、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。,1.工作原理,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。下面着重介绍硅光电池。,硅光电池的工作原理基于光生
17、伏特效应，它是在一块N型硅,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.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7-1-17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0.451.1之间，而硒光电池只能在0.340.57波长范围，它适用于可见光检测。,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,光电池在不同的光照度下
18、，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7-1-18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。,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,3)温度特性 光电池
19、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7-1-19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
20、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。,3)温度特性,（一）光源,二、光电转换电路,选择合适的光源和测量线路,1.发光二极管：一种把电能变成光能的半导体器件 2.钨丝灯泡：一种常用的光源，具有丰富的红外线3.电弧灯或石英灯：能产生紫外线4.激光优点：能量高度集中、方向性好、频率单纯、相干性好、是很理想的光源,（一）光源二、光电转换电路选择合适的光源和测量线路1.发光二,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7-1-22所
21、示的电路。,（二）测量电路,1.光敏电阻的测量电路,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，,图7-1-23a给出带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路。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。,2.光敏晶体管的测量电路,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7-1-23b所示。,图7-1-23a给出带有温度补偿的光敏二极管桥式测,光敏三极管光电脉冲转换
22、电路如下图,其中BG3和BG4组成射极耦合触发器，有光照BG1时，使U0为高电位，反之U0为低电位,光敏三极管光电脉冲转换电路如下图 其中BG3和BG4,由于光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。,3.光电池的测量电路,由于光电池即使在强光照射下，最大输出,光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图7-1-20所示。,图7-1-20,按照光电传感器中光电元件输出电信号的形式可以将光电传感器分为模拟式和脉冲式两大类。,三、光电传感器及其应用,光电传感器设计灵活，形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用。,光电传感
23、器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，,1、模拟式光电传感器的几种常见形式,d)光源本身是被测物，可用于光电比色高温计和照度计。,b)反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态。可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。,a)吸收量取决于被测物的某些参数。可用于测量透明度、混浊度。,c)光电元件的输出反映了被测物的尺寸或位置。可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。,1、模拟式光电传感器的几种常见形式d)光源本身是被测物，可用,光电式烟尘浓度计：光敏三极管6和7输出电压U1和U2由远算器8算出U1和U2的比值，进一步算出浓度。,光电式烟尘浓度计：光敏三极管6和7输出电压U1和U2,光电数字转速传
24、感器：原理如下图，接收光信号的是光敏二极管或三极管。根据n=60f/p，用频率计测出f，就可得到转速n。,2、脉冲式光电传感器,光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态，它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号。,光电数字转速传感器：原理如下图，接收光信号的是光敏二极,四、光纤传感器,光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。应用：磁、声、压力、温度、加速度、位移、液面、
25、转矩、电流和应变等物理量的测量。,四、光纤传感器光纤传感优点：,（一）光导纤维的结构和传输原理,圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率,（一）光导纤维的结构和传输原理圆柱形内芯和包层组成，而且内芯,光纤的结构,光纤的传光原理,光线在光纤的界面上产生内全反射:,光纤的结构光纤的传光原理光线在光纤的界面上产生内全反射:,n0为光线所处环境的折射率，一般皆为空气，故 n01,NA表示光导纤维的数值孔径,arcsinNA是一个临界角，c arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；c arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。,反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收
26、性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2c张角之内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。,n0为光线所处环境的折射率，一般皆为空气，故 n01NA表,1.功能型（全光纤型）光纤传感器,缺点：须用特殊光纤，成本高,（二）光纤传感器的工作原理,光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。,利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成,优点：结构紧凑、灵敏度高,1.功能型（全光纤型）光纤传感器缺点：须用特殊光纤，成本高,例：微弯光纤压力传感器,通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、声压，或检测由压力引起的位移
27、等物理量。,例：微弯光纤压力传感器DSFF变形器光纤d 通过,原来光束以大于临界角C的角度1在纤芯内传输为全反射；但在微弯处21，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。,光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.,原来光束以大于临界角C的角度1在纤芯内传输,2.非功能型（或称传光型）光纤传感器,利用光电元件和光纤本身的特点，光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。
28、优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。,2.非功能型（或称传光型）光纤传感器利用光电元件和光纤本身,1.光纤位移传感器,利用光纤传输光信号的功能,根据探测到的反射光的强度来测量被测量与反射面的距离.,标准的光纤位移传感器由600根光芯组成一个直径为0.762mm的光缆。可测几百微米的小位移及表面粗糙度。,1.光纤位移传感器 利用光纤传输光信号的功能,根,2.光纤测温传感器,被侧表面辐射能量随温度变化而变化利用光纤将能量传输到热敏元件上可远距离测温,3.光频率调制型光纤传感器,主要用来测量运动物体的速度频率为fi的光照射在相对速度为v的运动物体上，反射的光频率fs发生变化利用这一原理可制成光纤激光-多普勒测振仪、多普勒血液流量计,2.光纤测温传感器被侧表面辐射能量随温度变化而变化3.光频率,
