光电式传感器原理课件.docx

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光电式传感器原理课件

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出的电子在外电场作用下形成电流I2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击第一倍增极设这时第一倍增极有δ个二次电子发出这δ个电子又轰击第二倍增极而其产生的二次电子又增加δ倍经过n个倍增极后原先一个电子将变为δn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iiΦδn式中n为二次发射极数δ为二次电子发射系数故输出电压UsciRiΦδnR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1kV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δi的乘积如果n个倍增电极的δi都一样则阳极电流I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敏三极管光电位置敏感器件PSD1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102～106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①一定光照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②一定电压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10－7～10－8s因此它适用于测量快速变化的光信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①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②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5～10μs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③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PositionSensitiveDetector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PSD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①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　②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③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④环境温度的影响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１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为两透镜中心距离本章重点1．掌握各种光电效应定义2．掌握光电传感器光电管光电倍增管光敏电阻光电池光敏二极管和光敏三极管等的工作原理特点3．熟悉光电式传感器的应用思考题与习题1试说明爱因斯坦光电效应方程的含义2试比较光敏电阻光电池光电二极管和光敏三极管的性能差异给出什么情况下应选用哪种器件最为合适的评述3试分别使用光敏电阻光电池光电二极管和光敏三极管设计一种适合TTL电平输出的光电开关电路并叙述其工作原理1光电耦合器的结构和特点绝缘玻璃发光二极管透明绝缘体光敏三极管塑料发光二极管光敏三极管透明树脂采用金属外壳和玻璃绝缘的结构在其中部对接采用环焊以保证发光二极管和光敏三极管对准以此来提高灵敏度a金属密封型b塑料密封型采用双列直插式用塑料封装的结构管心先装于管脚上中间再用透明树脂固定具有集光作用故此种结构灵敏度较高光电耦合的主要特点如下●输入和输出端之间绝缘其绝缘电阻一般都大于1010Ω耐压一般可超过1kV有的甚至可以达到10kV以上●由于光传输的单向性所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象其输出信号也不会影响输入端●由于发光器件砷化镓红外二极管是阻抗电流驱动性器件而噪音是一种高内阻微电流电压信号因此光电耦合器件的共模抑制比很大所以光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音●容易和逻辑电路配合●响应速度快光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒极●无触点寿命长体积小耐冲击2光电耦合器的组合形式光电耦合器的组合形式有多种如图所示abcd光电耦合器的组合形式该形式结构简单成本低通常用于50kHz以下工作频率的装置内该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器适用于较高频率的装置中该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器适用于直接驱动和较低频率的装置中该形式采用功能器件构成的高速高传输效率的光电耦合器应用于自动控制电路中的强弱电隔离3光电耦合器的技术参数光电耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF正向电流IF电流传输比CTR输入级与输出级之间的绝缘电阻集电极-发射极反向击穿电压VCEO集电极-发射极饱和压降VCE此外在传输数字信号时还需考虑上升时间下降时间延迟时间和存储时间等参数最重要的参数是电流放大系数传输比CTRCurremt-TrrasferRatio通常用直流电流传输比来表示当输出电压保持恒定时它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比通常用百分数来表示有公式CTRICIF×100反射法测量原理反射式应用光路图示为反射式模拟光电传感器用于检测工件表面粗糙度或表面缺陷的原理图从光源1发出的光经过被测工件3的表面反射由光电元件5接收当被测工件表面有缺陷或粗糙度精度较低时反射到光电元件上的光通量变小转换成的光电流就小检测时被测工件在工作台上可左右前后移动透射法测量原理一光敏电阻的应用光敏电阻是一种无结元器件因此工作时无极性选用光敏电阻器时应首先确定应用电路中所需光敏电阻器的光谱特性类型若是用于各种光电自动控制系统电子照相机和光报警器等电子产品则应选取用可见光光敏电阻器若是用于红外信号检测及天文军事等领域的有关自动控制系统则应选用红外光光敏电阻器若是用于紫外线探测等仪器中则应选用紫外光光敏电阻器选好光敏电阻器的光谱特性类型后还应看所选光敏电阻的主要参数包括亮电阻暗电阻最高工作电压光电流暗电流额定功率灵敏度等是否符合应用电路的要求104光电式传感器的应用下图示出了用光敏电阻构成的简单光控开关电路图１所示的光控电路为光亮时继电器吸合控制图１图２当光线暗至一定程度时VT1的基极电压上升至使VT1VT2导通继电器J吸合R1用于动作灵敏度调节无光照高阻值1截止VT1释放有光照低阻值0导通吸合继电器J吸合其触点可用来控制其它电路图２则示出了光暗控制的光控电路电阻R1R2及光敏电阻R3构成分压电路图１和图２所示的电路的光触发电平受电源电压及环境温度的影响较大精密光控电路如图３图４所示其工作不受电源电压及环境温度的影响图３为光亮控制电阻R1R2R6及光敏电阻R5共同构成惠斯顿电桥的两个桥臂运放IC1用做高灵敏电压比较器常态时调节R6使R5R6的节点电压V1略低于R1R2的节点电压V2IC1则输出高电平VT1截止J释放此后若光亮稍有增加甚至人眼都感觉不到则V1V2IC1翻转输出低电平VT1导通J吸合图　３图４为光暗控制电路由于通过R5引入了少量正反馈因而在光线变化时电路动作就会稍稍滞后以避免光线亮度处于临界状态时继电器频繁抖动图　４在无光照时光敏二极管截止电阻R1上的压降很小则晶体管T1截止T2截止继电器J不动作路灯保持亮有光照时光敏二极管产生光电流R1电压上升光强达到某一值时T1导通T2导通J动作常闭端打开使路灯灭２光强测量电路无光照时光电二极管截止A点为高电位则场效应管导通调整RW使电桥平衡即指针为0有光照时光电二极管产生光电流A点电位下降R2上电流下降VB减小光照不同光电流不同VA不同R2上压降不同光强可以通过电流计读数显示出来231231ab光电数字式转速表工作原理图下图是光电数字式转速表的工作原理图图a是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘在调置盘一边由白炽灯产生恒定光透过盘上小孔到达光敏器件组成的光电转换器上转换成相应的电脉冲信号经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号转速由该脉冲频率决定在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘它们具有不同的反射率当转轴转动时反光与不反光交替出现光电敏感器件间断地接收光的反射信号转换为电脉冲信号3光电转速传感器频率可用一般的频率计测量光敏器件多采用光敏二极管光敏三极管以提高寿命减小体积减小功耗和提高可靠性有光照时光敏三极管BG1产生光电流使R1上压降增大导致BG2导通触发由BG3和BG4组成的射极耦合触发器使Uo为高电位反之Uo为低电位该脉冲信号可送到计数电路计数2光电池应用光电池主要有两大类型的应用将光电池作光伏器件使用利用光伏作用直接将太阳能转换成电能即太阳能电池这是全世界范围内人们所追求探索新能源的一个重要研究课题太阳能电池已在宇宙开发航空通信设施太阳电池地面发电站日常生活和交通事业中得到广泛应用目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争但是随着太阳电池技术不断发展成本会逐渐下降太阳电池定将获得更广泛的应用将光电池作光电转换器件应用需要光电池具有灵敏度高响应时间短等特性但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率这一类光电池需要特殊的制造工艺主要用于光电检测和自动控制系统中光电池应用举例如下1太阳电池电源太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵蓄电池组调节控制器和阻塞二极管组成如果还需要向交流负载供电则加一个直流－交流变换器太阳电池电源系统框图如图调节控制器逆变器交流负载太阳电池方阵直流负载太阳能电池电源系统阻塞二极管蓄电池组实现充放电自动控制1蓄电池组电压达到上限时自动切断充电电路2蓄电池组电压低于下限时自动切断输出电路光照时把太阳能转化为电能1给负载供电2给蓄电池组充电光照时导通无光照时反偏截止防止给光电池供电节约蓄电池组能源2光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池作为光电探测使用时其基本原理与光电二极管相同但它们的基本结构和制造工艺不完全相同由于光电池工作时不需要外加电压光电转换效率高光谱范围宽频率特性好噪声低等它已广泛应用于光电读出光电耦合光栅测距激光准直电影还音紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等JMJ112V2A51KL39K470uf～自动干手器手放入干手器时手遮住灯泡发出的光光电池不受光照晶体管基极正偏而导通继电器吸合风机和电热丝通电热风吹出烘手手干抽出后灯泡发出光直接照射到光电池上产生光生电动势使三极管基射极反偏而截止继电器释放从而切断风机和电热丝的电源220VC1路灯CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ43kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩBG2BG3BG42CR路灯自动控制器调节R1可调整BG1的截止电压以达到调节自动开关的灵敏度线路主回路由交流接触器CJD-10的三个常开触头并联以适应较大负荷的需要接触器触头的通断由控制回路控制当天黑时光电池2CR本身的电阻和R1R2组成分压器使T1基极电位为负BG1导通经BG2BG3BG4构成多级直流放大BG4导通使继电器J动作从而接通交流接触器使常开触头闭合路灯亮当天亮时硅光电池受光照射后它产生02-05V电动势使BG1在正偏压后而截止后面多级放大器不工作BG1截止继电器J释放使回路触头断开灯灭透镜透镜一光谱光波波长为10106nm的电磁波可见光波长380780nm紫外线波长10380nm波长300380nm称为近紫外线波长200300nm称为远紫外线波长102