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1、2023年3月7日,1,第八章 光电式传感器,2023年3月7日,2,光电式传感器概念,光电式传感器（或称光敏传感器）是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。按工作原理分类光电效应传感器红外热释电探测器固体图像传感器光纤传感器,2023年3月7日,3,第一节 光电器件的基本概念,光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。光电器件工件的物理基础：光电效应。光电效应分为：内光电效应、外光电效应,2023年3月7日,4,外光电效应,当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
2、，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。,2023年3月7日,5,光电管,2023年3月7日,6,光电倍增管,2023年3月7日,7,内光电效应,内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种,2023年3月7日,8,光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对
3、，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。如光敏电阻。光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池。,内光电效应分类,2023年3月7日,9,一、光敏电阻传感器,（一）光敏电阻的结构和工作原理,光敏电阻的结构与电路连接,2023年3月7日,10,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：,2023年3月7日,11,光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单，故应用广泛。,当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上
4、的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。,2023年3月7日,12,光敏电阻又称光导管是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。,2023年3月7日,13,（二）光敏电阻的主要参数和基本特性,1、暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流光敏电阻
5、在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。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为光电流。,2023年3月7日,14,（2）光照特性用于描述光电流与光照强度之间的关系。,多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。,光敏电阻的光照特性,2023年3月7日,15,（3）光谱特性,硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰值在红外区域。,图8-3 光敏电阻的光谱特性,故选用时要把元件和光源结合起来考虑。,2023年3月7日,16,(4)伏安特性,所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。,在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增
6、大。,图8-2 光敏电阻的伏安特性,500mW,101x,1001x,10001x,2023年3月7日,17,（5）频率特性,时间常数：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。,图8-12 光敏电阻的频率特性,多数光敏电阻的时间常数都很大。,2023年3月7日,18,(6)温度特性,峰值随温度上升向波长短的方向移动。,图8-13 光敏电阻的光谱温度特性,2023年3月7日,19,初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏
7、电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下几乎是无限长的。,（7）稳定性,2023年3月7日,20,二、光敏二极管和光敏晶体管,1.光敏二极管,光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。,光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。,2023年3月7日,21,2023年3月7日,22,2023年3月7日,23,I,当光照射时，光敏二极管处于导通状态。,当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。,2023年3月7日,24,2023年3月7日,25,2.光敏三极管,集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。,2023年3月7日,26,普通三极管,2023年
8、3月7日,27,光敏三极管基区很薄，基极一般不接引线；集电极面积较大。,2023年3月7日,28,当集电极加上正电压，基极开路时，集电结处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时，产生电子、空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，相当于给发射结加了正向偏压，使电子大量流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍。,基本工作线路：,2023年3月7日,29,3.光敏晶体管的主要特性,(1)光谱特性,存在一个最佳灵敏度波长,2023年3月7日,30,(2)伏安特性,与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只需把光电流看作基极电流即可。,2023年3月7
9、日,31,(3)光照特性,故光敏三极管既可做线性转换元件，也可做开关元件,近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。,2023年3月7日,32,(4)温度特性,温度变化对光电流的影响很小，对暗电流的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行温度补偿。,2023年3月7日,33,(5)频率特性,减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。故使用时要根据频率选择最佳的负载电阻。硅管的响应频率比锗管的好。,2023年3月7日,34,几种硅光电二极管的特性参数,2023年3月7日,35,第二节 光电池,光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能
10、电池。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。,2023年3月7日,36,光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。,硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源方面应用最广。,2023年3月7日,37,光电池的结构和工作原理,光电池的结构图,硅光电池的结构如图
11、。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结。,2023年3月7日,38,图8-11 光电池的工作原理示意图,当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。,若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,2023年3月7日,39,一、光谱特性,故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。,硅光电池的光谱峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。,图8-12 光电池的光谱特性,2023年3月7日,40,（二）光照
12、特性,不同光照射下有不同光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。,图8-13 光电池的光照特性,开路电压与光强是非线性的，且在2000 lx时趋于饱和。光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。,2023年3月7日,41,（三）温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。,开路电压随温度升高而下降的速度较快。短路电流随温度升高而缓慢增加。因此作测量元件时应考虑进行温补。,图8-14 光电池的温度特性,2023年3月7日,42,（四）频率特性,硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。,光电池的频率特
13、性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。,光电池的频率特性,2023年3月7日,43,第三节 红外传感器,一、红外辐射 红外辐俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m，红外线在电磁波谱中的位置如图8-15 所示。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。,2023年3月7日,44,图8 15 电磁波谱图,2023年3月7日,45,红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与
14、可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。,2023年3月7日,46,2008-10-31,2023年3月7日,47,红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是22.6m、35 m和814 m，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。,2
15、023年3月7日,48,自然界中只要物体具有一定温度（高于绝对零度），都能辐射红外光。例如电机、电器、炉火、甚至冰块都能产生红外辐射。红外光和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体，严格地讲，在自然界中不存在黑体、镜体与透明体。,2023年3月7日,49,室温下，反射光,1100K，自身辐射光,1、基尔霍夫（Kirchhoff）定律,一个黑白花盘子的两张照片,原来白底的地方吸收的少（反射的多），发射的光强也就弱；原来黑花纹的部分吸收的多（反射
16、的少），发射的光强也就强；,基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff,18241887）德国物理学家,2023年3月7日,50,物体向周围反射红外辐射能时，同时也吸收周围物体发射的红外辐射能，即,式中 ER物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能 物体的吸收系数 E0常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能。,基尔霍夫定律,2023年3月7日,51,基尔霍夫定律的表述：,在热平衡的条件下，任何物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收率的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。由此得出的结论：1，在同温度下，物体的辐射力越大，吸收率也越大；2，所有实际物体的吸收率均小于1，所以，在同温
17、度下，黑体的辐射力最大。,2023年3月7日,52,2、斯特藩 玻耳兹曼定律,Stefan（德）Boltzman（奥）,斯特藩 玻耳兹曼常量；比辐射率，黑体的1；T 物体的绝对温度，K；,斯特藩 玻耳兹曼定律和维恩位移定律是测量高温、遥感和红外追踪等的物理基础。,1879年斯特藩从实验上总结而得到,1884年玻耳兹曼从理论上证明,物体在单位时间内其单位面积辐射的总能量 E 为,2023年3月7日,53,常用材料的比辐射率,2023年3月7日,54,3、维恩位移定律,1893年由理论推导而得,（Wien displacement law）,测得,T表面=5700K,若视太阳为黑体，,峰值波长,定
18、出：,维恩位移定律指出：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值向短波方向移动。,2023年3月7日,55,物体辐射总能量及能量按波长分布决定于温度,固体在温度升高时颜色的变化,例子：低温火炉辐射能集中在红光。高温物体辐射能集中在绿、蓝色。,炉火纯青,2023年3月7日,56,红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。,二、红外探测器,2023年3月7日,57,热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效
19、应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便，应用相当广泛。,1.热探测器,2023年3月7日,58,热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高，频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我们主要介绍热释电型探测器。,2023年3月7日,59,热释电型红外探测器是根据热释电效应
20、制成的，即电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。用此效应制成的“铁电体”，其极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。,2023年3月7日,60,当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。,2023年3月7日,
21、61,光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象这种现象称为光子效应。根据所产生的不同电学现象，可制成各种不同的光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。,2.光子探测器,2023年3月7日,62,一、红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用分
22、离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。,第四节 光电传感器应用举例,2023年3月7日,63,图817是目前常见的红外测温仪方框图。它是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统，图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许814 m的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。,2023年3月7日,64,图12 2 红外测温仪方框图,图817,2023年3月7日,65,红外
23、测温仪的电路比较复杂，包括前置放大、选频放大、温度补偿、线性化、发射率（）调节等。目前已有一种带单片机的智能红外测温器，利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜，并在镜的表面镀金、铝、镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料。,2023年3月7日,66,红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同，图8-18给出了几种气体对红外线的透射光谱，从图中可以看出，CO气体对波长为4.65 m附近的红外线具有很强的
24、吸收能力，CO2气体则发生在2.78 m和4.26 m附近以及波长大于13 m的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26 m附近的吸收波段进行分析。,二、红外线气体分析仪,2023年3月7日,67,图8 18 几种气体对红外线的透射光谱,2023年3月7日,68,图8-19是工业用红外线气体分析仪的结构原理图。该分析仪由红外线辐射光源、气室、红外检测器及电路等部分组成。光源由镍铬丝通电加热发出310 m的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外线检测器信号的检测。测量气室中通入被分析气体，参比气室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）。红外检测器是薄膜
25、电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，导致室内压力增大。,2023年3月7日,69,测量时（如分析CO气体的含量），两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室，由于测量气室中含有一定量的CO气体，该气体对4.65 m的红外线有较强的吸收能力，而参比气室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个吸收气室的红外线光造成能量差异，使两吸收室压力不同，测量边的压力减小，于是薄膜偏向定片方向，改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容C。如被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。,2
26、023年3月7日,70,图8 19 红外线气体分析仪结构原理图,2023年3月7日,71,图8-19所示结构中还设置了滤波气室，其目的是为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO气体和CO2在45 m波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO）的浓度有关。,2023年3月7日,72,三、火焰探测报警器,本段讲述，略。,2023年3月
27、7日,73,四、燃气热水器中脉冲点火控制器,2023年3月7日,74,本章小结,1、光电效应,2023年3月7日,75,2、光敏电阻,光敏电阻纯粹是个电阻，没有极性。光敏电阻可以在交流、直流电路中工作。它的参数有暗电阻、亮电阻、光电流。它的特性有光电特性、光谱特性、伏安特性、频率特性。光敏电阻的光电特性为非线性。,2023年3月7日,76,3、光敏二极管,光敏二极管的管芯是一个具有光敏特性的PN结，在反向电压下工作。无光照时只有很小的暗电流，管截止；有光照时有光电流，管导通。光电流随光强的增加线性地增加。,2023年3月7日,77,4、光敏三极管,光敏三极管可以看成普通三极管的集电极用光敏二极
28、管替代的结果。基极通常不引出，只有两个电极。无光照射时的暗电流相当于普通三极管的穿透电流；有光照射集电结附近的基区时，激发出新的电子、空穴时，经放大形成光电流。,2023年3月7日,78,5、光敏晶体管,光敏晶体管的基本特性有光谱特性、伏安特性、光电特性，频率特性等。光敏电阻、光敏二极管和三极管具有很多共性。不同的半导体材料具有不同的光谱特性。每种半导体产生光电效应都有一个最大波长的限制，也都有最高灵敏度的光波长。,2023年3月7日,79,6、红外线,红外线的特点：1、在整个电磁波段中，红外线波段的热功率最大；2、红外辐射被物体吸收后，很快转换成热量，使物体的温度升高。3、物体加热后可以向外辐射红外电磁波。,
