第七章 光电式与光导式传感器.ppt

1、第七章 光电式与光导式传感器,第一节 光电效应与光电器件,第二节 光纤传感器,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10200nm称为极远紫外线 红外线：波长780106nm波长3m（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3m 的红外线称为远红外线,第一节 光电效应与光电器件,一、 外光电效应,定义：在光照射下,电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应,亦称光电发射效应(光电管、光电倍培管 ).,每个光子的能量：,E=h,h普朗克常数，6.62610-34Js； 光的

2、频率（s-1）,=31010cm / s,可以看出光的波长越短，频率越高，光子能量也越大。,光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射， 超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理,式中 m电子质量；v0电子逸出速度。,该方程称为爱因斯坦光电效应方程。由上式可知：,当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。,光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个

3、对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。,光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。,二、内光电效应,当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。1、 光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现

4、象被称为光电导效应（光敏电阻）。,过程：,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即,2、 光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应（光电池和光敏二极管、光敏三极管）。势垒效应（结光电效应）接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。 以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负

5、电，形成光电动势。,侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，则将产生载流子浓度梯度而产生侧向光电效应。 当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。,三、基本概念,1、 暗电流,光传感器接入电路后即使没有光照射，由于热电子发射、场致发射和晶格振荡激发载流子，使电路有电流输出，此电流称为暗电

6、流，也称随机电流。,2、响应度,光传感器输出的电压或电流与光通量之比。,3、光谱,光传感器输出与输入光波长的关系曲线。,4、等效噪声功率NEP,即能够产生于传感器输出噪声电压或电流相等的入射光的功率大小。反映最小可探测的光的功率。,四、外光电效应器件,（一）、光电管及其基本特性,光,1. 结构与工作原理,光窗,当光照射在阴极上时，中央阳极可以收集从阴极上溢出的电子，在外电场作用下形成电流I。,充气光电管内充有少量的惰性气体，如氩、氖，当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的过程中，和气体的原子发生碰撞使气体电离。因此增大了光电流，从而使灵敏度增加，但导致充气光电管的光电流与入射光强度不

7、成比例，因而稳定性较差。,（1） 光电管的伏安特性,2. 主要性能：伏安特性、光照特性、光谱特性,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。,真空光电管,充气光电管的电压-电流特性不具有真空光电管的那种饱和特性,而是达到充气离子化电压附近时,阳极电流急速上升,如图所示。急速上升部分的特性就是气体放大特性,放大系数为510。充气光电管的优点是灵敏度高,但其灵敏度随电压显著变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差。所以在测试中一般选用真空光电管。,充气光电管:,（2） 光电管的光照特性,指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

8、关系为光电管的光照特性。,2,1,（3）光电管光谱特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0，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0，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还会不同，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。,国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限0=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%30%。它适用于白

9、光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为30008500，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。,（二）、光电倍增管及其基本特性,1. 结构和工作原理,入射光,光电阴极,第一倍增极,阳极,第三倍增极,由光阴极、次阴极

10、(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；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。,2. 主要参数,（1）倍增系数M 如果n个倍增电极的都相同，则M= 因此，阳极电流 I 为I=i i 光电阴极的光电流 光电倍增管的电流放大倍数为= I / i =,（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 阴极灵敏度：一个光子在光电倍增管的阴极上能够打出的平均电子数。 总灵敏度：一个光子在阳极上产生的平均电子数。极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不

11、稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。,（3）暗电流和本底脉冲 暗电流：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。 本底电流：如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。,（4）光电倍增管的光谱特性,五、内光电效应器件,（一）、光敏电阻光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。,1、光敏电阻的结构,2.

12、光敏电阻的主要参数和基本特性 （1）暗电阻、亮电阻、光电流 暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。 亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。 光电流：亮电流与暗电流之差。,（2）光照特性,（3）光谱特性,3,1,2,1硫化镉 2硒化镉 3硫化铅,（4） 伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。,（5）频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。,（6）温度特性,

13、+20 C,-20 C,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，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,1、光电池的结构和工作原理,（二）、光电池,光电池的 表示符号,基本电路,（1）光照特性 开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。 短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线,2. 基本特性,(2) 光谱特性,1硒光电池 2硅光电池,（3）温度特性光电池的温度特性是指开路电压和短路电流

14、随温度变化的关系。,UOC开路电压,ISC 短路电流,硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线,1. 光敏二极管光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。,光敏二极管符号,光敏二极管接线,（三）、光敏二极管和光敏三极管,2. 光敏三极管当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,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,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。,c,（1）光谱特性,硅,锗,（2）伏安特性,500lx,1

15、000lx,1500lx,2000lx,2500lx,I/mA,（3）光照特性,（4）温度特性,（5）光敏三极管的频率特性,（四）光电耦合器件1. 光电耦合器光电耦合器的发光元件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。发光器件通常采用砷化镓发光二极管，其管芯由一个PN结组成，随着正向电压的增大，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加。光电接收元件可以是光敏二极管和光敏三极管，也可以是达林顿光敏管。,2. 光电开关光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收， 并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、 “关”信号的器件。,1、烟尘

16、浊度监测仪,六、光电传感器的应用举例,光电 探测,放大,显示,刻度校正,报警器,2、光电转速传感器,3、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大阳能转换成电能，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。

17、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。,（1）太阳电池电源,(a) 光电跟踪电路,（2）光电池在光电检测和自动控制方面的应用,(b) 光电开关,（c）光电池触发电路,(d) 光电池放大电路,4. 燃气器具中的脉冲点火控制器,第七章 光电式与光导式传感器,第一节 光电效应与光电器件,第二节 光纤传感器,第二节 光 纤 传 感 器,不受电磁干扰 体积小 重量轻 可绕曲 灵敏度高 耐腐蚀 高绝缘强度 防爆性好 集传感与传输于一体 能与数字通信系统兼容光纤传感器能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、 声和PH值等70多个物理量的测量，在自动控制、 在线检测、

18、故障诊断、安全报警等方面具有极为广泛的应用潜力和发展前景。,一、光纤结构及其传光原理1. 光纤结构,2、光纤导光原理,n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr,i,k,A,B,C,D,E,F,K,n0,n2,n1,因j=90k 所以,“数值孔径” NA(Numerical Aperture)： NA=sini0,当r=90的临界状态时,表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。石英光纤数值孔径一般为0.20.4。,3. 光纤模式 单模光纤：纤芯直径为212m，只能传输一种模式。这类光纤的传输性能好

19、，信号畸变小，信息容量大，线性好， 灵敏度高， 但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。 多模光纤：纤芯直径较大（50100m），传输模式较多。 这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。,二、光纤传感器1. 光纤传感器的工作原理光纤传感器原理实际上是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。2. 光纤传感器的类型 功能型（Functional Fiber， 缩写为FF

20、）传感器：利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，又称为传感型光纤传感器； 非功能型（Non Functional Fiber， 缩写为NFF）传感器：光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化，又称为传光型光纤传感器。,1）功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。

21、,信号处理,光受信器,光纤敏感元件,光发送器,2）非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。,3）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。,信号 处理,光受 信器,光发送器,光纤,耦合器,被测对象,3、光纤传感器结构,由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调

22、光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。,传统传感器是以机电测量为基础,光纤传感器则以光学测量为基础,光是一种电磁波，电矢量EA电场E的振幅矢量；光波的振动频率； 光相位；t光的传播时间。 可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。,干涉型,4、光纤传感器的分类,注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,非 干涉型,三、光纤传感器的调制器原理 形式：强度调制型、偏振

23、调制、频率调制、相位调制。1、强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。 优点：结构简单、容易实现，成本低。 缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。,2、偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；

24、利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。 3、频率调制光纤传感器是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。,4、相位调制传感器 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化

25、，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。,四、 光纤传感器的应用 1、 光纤加速度传感器,2、 光纤温度传感器,1）透射型半导体光纤温度传感器,半导体的光透过率特性,这种半导体光吸收型光纤传感器的测量范围随半导体材料和光源而变，一般在-100300温度范围内进行测量，响应时间约为2 s。它的特点是体积小、结构简单

26、、时间响应快、工作稳定、成本低、便于推广应用。,（2）遮光式光纤温度计下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变,水银柱式光纤温度开关,1 浸液 2 自聚焦透镜 3 光纤 4 水银,下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量1050的温度。检测精度约为0.5。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。,3、压力的检测,膜片的中心挠度y为,R膜片有效半径；t膜片厚度；p外加压力； E膜片材料的弹性模量； 为膜片

27、的泊松比。,可见，在一定范围内，膜片中心挠度与所加的压力呈线性关系。若利用Y形光纤束检测位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。这种传感器结构简单、体积小、使用方便，但如果光源不稳定或长期使用后膜片的反射率下降，影响其精度。,(a)传感器结构,(b)探头截面结构,(c)测量原理,p0,P=0,P0,将上式两边取对数且满足(Ap)21时,等式右边展开后取第一项，得到这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。,两束输出光的光强之比为,A: 与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数； P: 待测量压力。,4、液位、流量检测 （1）液位的检测技术 （a）球面光纤液位传感器,（b）斜端面光纤液位传感器下图为反射式斜端面光纤液位传感器的两种结构。同样，当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减小。这种形式的探头在空气中和水中时，反射光强度差约在20dB以上。,（c）单光纤液位传感器,（2）光纤涡街流量计,1 夹具2 密封胶3 液体流管4 光纤5 张力载荷,若物体具有弹性，它便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比。即fsvd 式中：v:流体的流速；d:物体相对于液流方向的横向尺寸；s:与流体有关的无量纲 常数。,