第9章 光學(xué)傳感器

1、第第9章章 光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器 第第9章章 光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器 v 光學(xué)傳感器是將光學(xué)傳感器是將光信號光信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電信電信 號號的一種傳感器。用這種傳感器測量其的一種傳感器。用這種傳感器測量其 它非電量（如轉(zhuǎn)速、濁度）時，只要將它非電量（如轉(zhuǎn)速、濁度）時，只要將 這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。 v測量方法具有：結(jié)構(gòu)簡單、精度高、測量方法具有：結(jié)構(gòu)簡單、精度高、 反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點。反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點。 第一節(jié)第一節(jié) 光電傳感器光電傳感器 光電傳感器，也稱為光敏傳感器。是以光為媒介、 以光電效應(yīng)為物理基礎(chǔ)的一種能量轉(zhuǎn)換器件，是 利用光敏材料的光

2、學(xué)效應(yīng)制作的光敏器件。 常見的光電傳感器有光電管、光電倍增管、光敏 電阻、光電池、光電二極管、光電三極管以及光 電耦合器件。 一束光是由一束以光速運動的粒子流組成的，這些 粒子稱為光子。 光子具有能量，每個光子具有的能量 由下式確定： E=h 式中： h普朗克常數(shù)=6.62610-34(Js) 光的頻率（s-1）。 一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng) 光照射到物體上，可以看作一連串能量為光照射到物體上，可以看作一連串能量為E的光子轟的光子轟 擊到物體上，擊到物體上，光電效應(yīng)光電效應(yīng)就是由于物體就是由于物體吸收了光子的能吸收了光子的能 量量而產(chǎn)生的而產(chǎn)生的電效應(yīng)電效應(yīng)。光電效應(yīng)常分為。光電效應(yīng)常分為內(nèi)、外

3、光電效應(yīng)內(nèi)、外光電效應(yīng) 兩大類。兩大類。 一、外光電效應(yīng)一、外光電效應(yīng)(external photo electric effect) 當(dāng)光照射某種物質(zhì)時，若入射的光子能量當(dāng)光照射某種物質(zhì)時，若入射的光子能量hv足夠大，它和物足夠大，它和物 質(zhì)中的電子相互作用，致使電子逸出物質(zhì)表面，這種現(xiàn)象稱為質(zhì)中的電子相互作用，致使電子逸出物質(zhì)表面，這種現(xiàn)象稱為 光電子發(fā)射效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)或或外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)。 外光電效應(yīng)電子能量的轉(zhuǎn)換公式為：外光電效應(yīng)電子能量的轉(zhuǎn)換公式為： 公式表明，入射光子的能量必須大于公式表明，入射光子的能量必須大于逸出功逸出功，才能使電子，才能使電子 有有足夠的動能足夠的動能

4、逸出表面。逸出的電子數(shù)越多，產(chǎn)生的逸出表面。逸出的電子數(shù)越多，產(chǎn)生的光電光電 流也越大流也越大。 基于外光電效應(yīng)的光電變換器件有基于外光電效應(yīng)的光電變換器件有光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管等。等。 n 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。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(yīng)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。 n 當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正

5、比。 即光強愈大，入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。 二、內(nèi)光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng)(internal photo electric effect) 當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照射時，由于對光子的吸收，會在半導(dǎo)當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照射時，由于對光子的吸收，會在半導(dǎo) 體材料內(nèi)部激發(fā)電子體材料內(nèi)部激發(fā)電子-空穴對，即載流子，使物體的空穴對，即載流子，使物體的電導(dǎo)率電導(dǎo)率 發(fā)生變化發(fā)生變化或產(chǎn)生或產(chǎn)生光電動勢光電動勢的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效。內(nèi)光電效 應(yīng)又分為應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)和和光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)。 1光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)(photo conductive effe

6、ct) 光電導(dǎo)體受光線作用時，其光電導(dǎo)體受光線作用時，其電導(dǎo)率電導(dǎo)率(電阻電阻)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。 基于此原理的光電器件有基于此原理的光電器件有光敏電阻、光導(dǎo)管光敏電阻、光導(dǎo)管。 過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)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(dǎo) 帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加， 從而使電導(dǎo)率變大。 導(dǎo)帶 價帶 禁帶 自由電子所占能帶自由電子所占能帶 不存在電子所占能帶不存在電子所占能帶 價電子所占能帶價電子所占能帶 Eg 2光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 某些半導(dǎo)體或電介質(zhì)材料，在光線作用下

7、，產(chǎn)生一定方向某些半導(dǎo)體或電介質(zhì)材料，在光線作用下，產(chǎn)生一定方向 的電動勢的現(xiàn)象稱為的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)。 在在N型材料型材料中，電子濃度大而空穴濃度小；在中，電子濃度大而空穴濃度??；在P型材料型材料中，電中，電 子濃度小而空穴濃度大，在結(jié)區(qū)導(dǎo)致子濃度小而空穴濃度大，在結(jié)區(qū)導(dǎo)致空穴從空穴從P區(qū)到區(qū)到N區(qū)區(qū)，電子電子 從從N區(qū)到區(qū)到P區(qū)區(qū)擴散運動，從而形成內(nèi)電場，擴散運動，從而形成內(nèi)電場，方向方向N區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)區(qū)。 基于此原理的器件主要有基于此原理的器件主要有 光電池、光電二極管、光光電池、光電二極管、光 電三極管電三極管等等。等等。 二、二、 光電器件的特性參數(shù)光電器

8、件的特性參數(shù) 1 1、靈敏度靈敏度(響應(yīng)度響應(yīng)度)k 光電器件輸出電壓光電器件輸出電壓Vs與入射光功率與入射光功率Ps之比，稱為靈之比，稱為靈 敏度度敏度度k。即。即: k = Vs/Ps = Vs/(HAd) 式中式中, Vs是器件的輸出電壓；是器件的輸出電壓；Ps為入射光敏面的輻射功率為入射光敏面的輻射功率 Ad是器件受光面積；是器件受光面積；H為光敏面的輻射照度。為光敏面的輻射照度。 k的單位為的單位為(V/W)。 2.光譜特性光譜特性 n光電器件的響應(yīng)度與入射波長關(guān)系光電器件的響應(yīng)度與入射波長關(guān)系。 n通常用直角坐標(biāo)的橫軸表示通常用直角坐標(biāo)的橫軸表示入射光的波長入射光的波長(),而而

9、縱軸表示歸一化的縱軸表示歸一化的響應(yīng)度響應(yīng)度。曲線描述不同波長。曲線描述不同波長 的入射光所產(chǎn)生器件響應(yīng)度的曲線。峰值對應(yīng)的的入射光所產(chǎn)生器件響應(yīng)度的曲線。峰值對應(yīng)的 波長稱為波長稱為峰值波長峰值波長,表征該器件對這一波長最靈表征該器件對這一波長最靈 敏。響應(yīng)度下降到一半時所對應(yīng)的波長稱為敏。響應(yīng)度下降到一半時所對應(yīng)的波長稱為截止截止 波長波長。光譜特性曲線給出光電器件的工作波長范。光譜特性曲線給出光電器件的工作波長范 圍。圍。 3.等效噪聲功率和探測度等效噪聲功率和探測度D 當(dāng)光輻射強度減小到某一值后，再繼續(xù)減小光輻射強當(dāng)光輻射強度減小到某一值后，再繼續(xù)減小光輻射強 度，其輸出信號也不會再減

10、小，這時的輸出信號電壓度，其輸出信號也不會再減小，這時的輸出信號電壓 為為噪聲電壓噪聲電壓。 由于噪聲的存在，對任何一個光電器件來說，在檢測由于噪聲的存在，對任何一個光電器件來說，在檢測 信號時都具有信號時都具有一個閾值一個閾值，低于這個閾值低于這個閾值的輻射信號時的輻射信號時 無法檢測無法檢測到的。到的。 入射到光電器件光敏面上的輻射功率所產(chǎn)生的入射到光電器件光敏面上的輻射功率所產(chǎn)生的響應(yīng)電響應(yīng)電 壓壓，恰好等于該器件的，恰好等于該器件的噪聲電壓值噪聲電壓值，那么這個輻射功，那么這個輻射功 率稱為率稱為等效噪聲功率等效噪聲功率，常用，常用NEP表示。表示。 4.響應(yīng)時間響應(yīng)時間 響應(yīng)時間是描

11、述光電器件對入射光輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)響應(yīng)時間是描述光電器件對入射光輻射響應(yīng)快慢的參數(shù), 也稱為時間常數(shù)也稱為時間常數(shù) 5線性度線性度 線性度是指光電器件輸出光電流線性度是指光電器件輸出光電流(或電壓或電壓)與輸入光功率成與輸入光功率成 線性比例的程度和范圍。線性比例的程度和范圍。 6溫度特性溫度特性 溫度的變化，將會引起光電器件光、電性質(zhì)的改變，是溫度的變化，將會引起光電器件光、電性質(zhì)的改變，是 引起測量系統(tǒng)靈敏度不穩(wěn)定的一個重要因素。引起測量系統(tǒng)靈敏度不穩(wěn)定的一個重要因素。 光電管和光電倍增管都是基于光電管和光電倍增管都是基于外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)的光電器件。其內(nèi)的光電器件。其內(nèi) 部的金屬感光

12、材料在受到光照后部的金屬感光材料在受到光照后向外發(fā)射電子向外發(fā)射電子，單位時間內(nèi)發(fā)，單位時間內(nèi)發(fā) 射的電子數(shù)量與射的電子數(shù)量與光照強度有關(guān)光照強度有關(guān)，發(fā)射電流反映了光照的強度發(fā)射電流反映了光照的強度。 一、光電管(phototube) 1. 結(jié)構(gòu)與工作原理 光電管由一個陰極和一個陽極構(gòu)成， 并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極 裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有感光材 料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或 圓形，置于玻璃管的中央。 三、光電管和光電倍增光及其應(yīng)用三、光電管和光電倍增光及其應(yīng)用 不同的感光材料所敏感的光波長不同， 即具有不同的光譜特性。 當(dāng)光線照射到感當(dāng)光線照射到感 光材料上，便有光材料上，便

13、有 電子逸出電子逸出，這些，這些 電子被具有正電電子被具有正電 位的位的陽極所吸引陽極所吸引， 在光電管內(nèi)形成在光電管內(nèi)形成 電子流電子流，在外電，在外電 路就產(chǎn)生電流。路就產(chǎn)生電流。 3.7.3 光電管、光電倍增管 注意：注意：陽極接電源正極，陰極接電源負極。陽極接電源正極，陰極接電源負極。 光電器件的性能主要由伏安特 性、光電特性、光譜特性、響應(yīng)時 間、峰值探測率和溫度特性來描述。 2. 基本特性 （1） 光電管的伏安特性 照射光通量一定時，陽極 與陰極之間電壓與光電流 的關(guān)系稱為光電管的伏安 特性。 極間電壓較小時光電流很 快增加；當(dāng)極間電壓達到 40V左右時進入飽和區(qū)。 光電管的伏安特

14、性光電管的伏安特性 50 20lm 40lm 60lm 80lm 100lm 120lm 1001502000 2 4 6 8 10 12 陽極與末級倍增極間的電壓陽極與末級倍增極間的電壓/V IA/ A （2）光電管的光電特性 通常指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通 量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光電特性。 其特性曲線如圖所示。曲 線1表示氧銫陰極光電管 的光照特性，光電流I與 光通量成線性關(guān)系。曲線 2為銻銫陰極的光電管光 照特性，它成非線性關(guān)系。 光電特性曲線的斜率（光 電流與入射光光通量之間 比）稱為光電管的靈敏度。 光電管的光電特性光電管的光電特性 25 50 75 10

15、0 2 00.51.5 2.0 /1m IA/ A 1.02.5 1 （3）光電管光譜特性 光譜特性指在單位輻射通量，不同波長的光照射光 管時，產(chǎn)生的飽和光電流和光波波長之間的關(guān)系曲 線。 光譜特性主要決定于陰極材料。 若在真空光電管中充入低壓惰性氣體，在陰極和陽極 之間供給直流電壓E，陽極接電源正極，陰極接電源負極， 則陰極發(fā)出的電子在向陽極運動的過程中要撞擊惰性氣 體，使其發(fā)生電離。由電離產(chǎn)生的電子和光電子一起都 被陽極接收，正離子卻反向運動被陰極接收。使光電流 增加，提高了靈敏度。這種充入低壓惰性氣體的光電管 稱為充氣光電管。 3.充氣光電管 真空光電管的優(yōu)點：在很寬的光強范圍內(nèi)，輸入光

16、強與 輸出電流成正比，測量精確度高，缺點：靈敏度低。 二、光電倍增管(PMT) 當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零 點幾A，不容易探測，需要用光電倍增管對電流進行放大。 1.光電倍增管結(jié)構(gòu)和工作原理 由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。 光電倍增管也有一個陰極K，一個陽極A。與光電管不同的是， 在它的陰極和陽極之間設(shè)置許多次發(fā)射電極D1、D2、D3， 它們又稱為第一倍增極、第二倍增極，相鄰的電極間通常 加上100伏左右的電壓。 v 當(dāng)微弱光線照射陰極K時，從陰極K上逸出的光電子被第 一倍增極D1所加速，以高速轟擊D1,入射光電子的能量傳 遞給D1表面的電子，使它們

17、由D1表面逸出，這些電子稱 為二次電子，一個入射光電子可以產(chǎn)生多個二次電子。 v D1發(fā)射出來的二次電子被D1、D2間的電場加速，射向D2, 并再次產(chǎn)生二次電子發(fā)射，得到更多的二次電子，這樣 逐級前進，一直到最后到達陽極A為止。若每級的二次電 子發(fā)射倍增率為，共有n級（通?？蛇_911級），則光 電倍增陽極得到的光電流比普通光電管大n倍，因此，光 電倍增管靈敏度極高。 （1）靈敏度 靈敏度是衡量光電倍增管探測光信號能力的一個重 要參數(shù)。 指照射的每單位光通量使陽極產(chǎn)生的飽和光電流值， 也可理解為入射一個光子后在陽極上能收集到的平均電 子數(shù)。 光電倍增管對不同頻率的輻射光其靈敏度是不一樣 的，提到

18、靈敏度應(yīng)注明是何種光的靈敏度。 2. 主要參數(shù) （2）暗電流 當(dāng)光電倍增管加有一定的工作電壓，但完全沒有光 照射時，陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是 熱發(fā)射所致或場致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢?用補償電路消除。 暗電流決定了管子可檢測光通量的閾值。 （三）光電管、光電倍增管的應(yīng)用（三）光電管、光電倍增管的應(yīng)用 v光電管多用于光信號較強的光學(xué)分析儀器。 v光電倍增管廣泛用于弱光線的測量,尤其是對各 種射線的探測。 分光光度計的測量原理分光光度計的測量原理 利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動勢的 光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見的有光敏電阻、光電池 等。 一、光敏電阻 當(dāng)光輻射于光

19、敏電阻時，在光敏電阻的內(nèi)部，由光生 載流子變化會引起器件的電導(dǎo)率發(fā)生變化，電導(dǎo)率發(fā)生變 化會產(chǎn)生一個與光輻射度有光的電信號。 優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機 械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。 不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。 內(nèi)光電效應(yīng)器件內(nèi)光電效應(yīng)器件 光敏電阻又稱光敏電阻又稱光導(dǎo)管光導(dǎo)管, , 它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成 的光電器件。的光電器件。 光敏電阻沒有極性光敏電阻沒有極性, , 純粹是一個電阻器純粹是一個電阻器 件件, , 使用時既可加直流電壓使用時既可加直流電壓, , 也可以加交流電壓。也可以加交流電壓。 無光照

20、時無光照時, , 光敏電阻值（光敏電阻值（暗電阻暗電阻）很大）很大, , 電路中電流電路中電流 （暗電流暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光 照時照時, , 它的阻值（它的阻值（亮電阻亮電阻）急劇減少）急劇減少, , 電路中電流迅電路中電流迅 速增大。速增大。 一般希望暗電阻越大越好一般希望暗電阻越大越好, , 亮電阻越小越好亮電阻越小越好, , 此時光敏電阻的靈敏度高。此時光敏電阻的靈敏度高。 實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級, , 亮電阻在幾亮電阻在幾 千歐以下。千歐以下。 為了防止周圍介質(zhì)的影響為了防止周圍

21、介質(zhì)的影響, , 在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層 漆膜漆膜, , 漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透 射率最大。射率最大。 光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻的結(jié)構(gòu) 它是涂于玻璃底板上的一薄層它是涂于玻璃底板上的一薄層 半導(dǎo)體物質(zhì)半導(dǎo)體物質(zhì), , 半導(dǎo)體的兩端裝半導(dǎo)體的兩端裝 有金屬電極有金屬電極, , 金屬電極與引出金屬電極與引出 線端相連接線端相連接, , 光敏電阻就通過光敏電阻就通過 引出線端接入電路。引出線端接入電路。 2 光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù) ） 暗電阻暗電阻 光敏電阻在光敏電阻在不受光不受光時的阻值稱為

22、暗電阻時的阻值稱為暗電阻, , 此時流過的電流此時流過的電流 稱為暗電流。稱為暗電流。 ） 亮電阻亮電阻 光敏電阻在光敏電阻在受光照射時受光照射時的電阻稱為亮電阻的電阻稱為亮電阻, , 此時流過的電此時流過的電 流稱為亮電流。流稱為亮電流。 ） 光電流光電流 亮電流與暗電流亮電流與暗電流之差之差稱為光電流。稱為光電流。 3 光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性 1） 伏安特性伏安特性： 在一定照射度下，在一定照射度下， 流過光流過光 敏電阻的電流與光敏電阻敏電阻的電流與光敏電阻 兩端的電壓的關(guān)系。兩端的電壓的關(guān)系。 光敏電阻在一定的電壓范圍光敏電阻在一定的電壓范圍 內(nèi)，其內(nèi)，其I-U曲線為直線

23、曲線為直線，說明，說明 其阻值與入射光量有關(guān)，與其阻值與入射光量有關(guān)，與 電壓和電流無關(guān)電壓和電流無關(guān)。 2 2） 光譜特性光譜特性 光敏電阻的相對光敏靈敏度光敏電阻的相對光敏靈敏度 與入射波長的關(guān)系稱為光譜與入射波長的關(guān)系稱為光譜 特性。特性。 亦稱為光譜響應(yīng)。亦稱為光譜響應(yīng)。 同一種材料，對不同波長的入射光，其相對靈敏度不同，同一種材料，對不同波長的入射光，其相對靈敏度不同， 響應(yīng)電流不同。響應(yīng)電流不同。 應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)，選擇合適的光電元件（匹配）使光電應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)，選擇合適的光電元件（匹配）使光電 元件得到較高得相對靈敏度。元件得到較高得相對靈敏度。 3 3） 溫度特性溫度特性 溫

24、度變化影響光敏電阻的溫度變化影響光敏電阻的 光譜響應(yīng)。光譜響應(yīng)。 硫化鉛光敏電阻的光譜溫硫化鉛光敏電阻的光譜溫 度特性曲線度特性曲線, , 它的峰值隨它的峰值隨 著溫度上升向波長短的方著溫度上升向波長短的方 向移動。向移動。因此因此, , 硫化鉛光敏電阻硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使要在低溫、恒溫的條件下使 用。用。 對于可見光的光敏電阻對于可見光的光敏電阻, , 其溫度影響要小一些。其溫度影響要小一些。 光電池是一種直接將光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。的光電器件。 光電光電 池在有光線作用下實質(zhì)就是電源池在有光線作用下實質(zhì)就是電源, 電路中有了這種器件就不

25、電路中有了這種器件就不 需要外加電源。需要外加電源。 1、定義、定義 光電池的工作原理是基于光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)”。當(dāng)它受到光。當(dāng)它受到光 照時照時不需再外加其他任何形式的能量不需再外加其他任何形式的能量就會產(chǎn)生電流輸出。其就會產(chǎn)生電流輸出。其 輸出電流輸出電流與接收的光照有一定的關(guān)系，可以與接收的光照有一定的關(guān)系，可以反映光照的強度反映光照的強度。 光電池可分為兩類：一是利用光電池可分為兩類：一是利用pn結(jié)結(jié)的光生伏特效應(yīng)效應(yīng)制的光生伏特效應(yīng)效應(yīng)制 成的光電池，二是利用成的光電池，二是利用半導(dǎo)體與金屬接觸半導(dǎo)體與金屬接觸產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng) 制成的光電

26、池。制成的光電池。 3.7.4 光電池 二、光電池二、光電池 2、工作原理、工作原理 是在一是在一塊塊N型型(或或P)硅片上，用擴散的方法摻入一些硅片上，用擴散的方法摻入一些P型型(或或 N)雜質(zhì)，而形成一個雜質(zhì)，而形成一個大面積的大面積的PN結(jié)結(jié)。當(dāng)入射光照在。當(dāng)入射光照在PN結(jié)結(jié) 上時，上時，PN結(jié)附近激發(fā)出結(jié)附近激發(fā)出電子電子空穴對空穴對，在結(jié)電場的作用，在結(jié)電場的作用 下，下，電子和空穴分別向電子和空穴分別向N區(qū)和區(qū)和P區(qū)移動區(qū)移動，形成與光照強度，形成與光照強度 有關(guān)的光電動勢。有關(guān)的光電動勢。 (1)光譜特性 指相對靈敏度和入射光波長之間的關(guān)系指相對靈敏度和入射光波長之間的關(guān)系 2

27、. 基本性能 硅硅光電池適用的光波長光電池適用的光波長 在在0.41.2m范圍內(nèi)范圍內(nèi),最最 大靈敏峰在大靈敏峰在0.8m左右左右; 硒光電池適用的光波長硒光電池適用的光波長 在在0.30.7m范圍內(nèi)范圍內(nèi),最最 大靈敏峰在大靈敏峰在0.5m左右。左右。 L/klx L/klx 5 4 3 2 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 246810 開路電壓開路電壓 Uoc /V 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.3 0.1 01245 Uoc/V Isc /mAIsc/mA (a) 硅光電池硅光電池(b)硒光電池硒光電池 （2）光照特性 開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特

28、性曲線，當(dāng)照度為 2000lx時趨向飽和。 短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線 開路電壓開路電壓 短路電流短路電流短路電流短路電流 短路電流，指外接負載相對于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光 電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨?負載近似地滿足“短路”條件。 下圖表示硒光電池在不同負 載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，負載電阻RL越小， 光電流與強度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。 0246810 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 I/mA L/klx 50 100 1000 5000 RL=0 (3) 頻率特性 頻率響應(yīng)就是指相對輸出電流與光調(diào)制頻率的關(guān)系。 由圖可知

29、，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線2，而硒光 電池則較差，如曲線1。 20 40 60 80 100 0 I / % 12345 1 2 f / kHz 1硒光電池 2硅光電池 （4）溫度特性 光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的 關(guān)系。開路電壓隨溫度增加而下降的速度較快，而短路電流隨 溫度上升而增加的速度卻很緩慢。因此，當(dāng)光電池作為測量元 件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。 20 0406090 40 60 UOC/ mV T / C ISCUOC ISC / A 600 400 200 UOC開路電壓開路電壓 ISC 短路電流短路電流 硅光電池在硅光電池在100

30、0lx照照 度下的溫度特性曲線度下的溫度特性曲線 基本工作原理是當(dāng)光照射半導(dǎo)體的基本工作原理是當(dāng)光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時，在反向電壓的結(jié)時，在反向電壓的 作用下，其作用下，其反向電流隨光照度變化而變化反向電流隨光照度變化而變化，由此實現(xiàn)將，由此實現(xiàn)將光光 信號轉(zhuǎn)換成電信號信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能。的功能。 三、光電二極管（光敏二極管）三、光電二極管（光敏二極管） 1.結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)與原理 光電二極管的結(jié)構(gòu)與普光電二極管的結(jié)構(gòu)與普 通二極管一樣，都有一通二極管一樣，都有一 個個PN結(jié)，兩根電極引線，結(jié)，兩根電極引線， 裝在透明玻璃外殼中，裝在透明玻璃外殼中， 其其PN結(jié)裝在管頂，可直結(jié)裝在管頂，可直

31、 接受到光照射。接受到光照射。 沒有光照射時沒有光照射時，處于反向偏置的光電二極管，處于反向偏置的光電二極管，工作于截止?fàn)顟B(tài)工作于截止?fàn)顟B(tài), 這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，形成這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，形成微小的反向電微小的反向電 流流即即暗電流暗電流。這時反向電阻很大。這時反向電阻很大。 當(dāng)光照射在當(dāng)光照射在PN結(jié)上時結(jié)上時, 光子打在光子打在PN結(jié)附近結(jié)附近, PN結(jié)附近產(chǎn)生結(jié)附近產(chǎn)生電電 子子-空穴對空穴對，在外電場的作用下，載流子作定向運動使通過，在外電場的作用下，載流子作定向運動使通過PN結(jié)結(jié) 的反向電流大為增加，形成的反向電流大為增加，形成光電流光電流。這時二極

32、管處于導(dǎo)通狀態(tài)。這時二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。 光的照度越大光的照度越大, 光電流越大。光電流越大。 光電二極管在電光電二極管在電 路中一般是處于路中一般是處于 反向工作狀態(tài)反向工作狀態(tài)， 如圖所示。如圖所示。 （1） PIN管光電二極管 PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點是，在P型 半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo) 體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于 I 層中，從而 使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。 P-Si N-Si I-Si PIN管結(jié)構(gòu)示意圖管結(jié)構(gòu)示意圖 （2） 雪崩光電二極管(APD) 3 3、光電二極管的特性、光電二極管的特性 1 1）光譜特性）光

33、譜特性 光電二極管具有一定光電二極管具有一定 的光譜響應(yīng)范圍。的光譜響應(yīng)范圍。 在在0.4-1.1m的范圍內(nèi)，的范圍內(nèi)， 硅光電二極管對硅光電二極管對不同不同 波長波長的入射光的的入射光的光敏光敏 響應(yīng)靈敏度是響應(yīng)靈敏度是不同的。不同的。 最高響應(yīng)靈敏度最高響應(yīng)靈敏度所對所對 應(yīng)的入射光波長稱為應(yīng)的入射光波長稱為 峰值波長峰值波長。 2 2）光照特性）光照特性 v 暗電流iD:在無光射的條件下，加有一定的反向工作電壓 的光電二極管的反向電流。暗電流越小越好。 v 光電流IL：在受到一定光照的條件下，加有一定的反向工 作電壓的光電二極管中所流過的電流。一般光電流越大 越好。光的照度越大, 光電流

34、越大。 3 3）伏安特性）伏安特性 光敏二極管的伏安特性曲線光敏二極管的伏安特性曲線 4 4）響應(yīng)時間）響應(yīng)時間 )(/1/1 0 0 CCjRR I U DDL P )(/1/1 0 0 CCjRR I U DDL P LD RR/1/1 BC LP RI U 2 0 1 )(1 0 0 CCRj RI U DL LP )( 0 CCR DLRC 4、光電二極管的測量電路、光電二極管的測量電路 光電二極管測量電路 3、光電三極管、光電三極管 光電三極管有光電三極管有PNP型和型和NPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一 般三極管很相似，只是般三極管很相似，只是集電結(jié)面積較大集電

35、結(jié)面積較大，發(fā)射結(jié)較小發(fā)射結(jié)較小， 以以擴大光的照射面積擴大光的照射面積，且其，且其基極不接引線基極不接引線。當(dāng)集電極加。當(dāng)集電極加 上正電壓，基極開路時，集電極處于反向偏置狀態(tài)。上正電壓，基極開路時，集電極處于反向偏置狀態(tài)。 2、光電三極管的主要特性： 在一定光照功率下光靈敏度與波長之間的關(guān)系。 與二極管相同 （1）光譜特性 相對靈敏度/% 硅 鍺 入射光 / 400080001200016000 100 80 60 40 20 0 光敏晶體管的光照特性 I / A L/lx 2004006008001000 0 1.0 2.0 3.0 （2）光照特性 光電三極管的光照特性如圖所示。它給出了

36、光電三極管的光 電流 I 和光照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當(dāng) 光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可 作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。 0 500lx 1000lx 1500lx 2000lx 2500lx I/mA 2 4 6 20406080 光敏晶體管的伏安特性光敏晶體管的伏安特性 （3）伏安特性 在一定照度下輸出電壓與輸出電流關(guān)系稱作伏安特性 （輸出特性）。 光電三極管的伏安特性與一般晶體管相似，不同處是每 條曲線的參變量不是基極電流是入射光照度。 U/V 暗電流/mA 光電流/mA 10 20 30 40 50 60 70 T /C 25 0

37、50 100 0 200 300 400 1020 30 4050 60 70 80 T/C 光敏晶體管的溫度特性 （4）溫度特性 光電三極管的溫度特性曲線反映的是暗電流及光電流與溫 度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很 小，而對暗電流的影響很大。所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進 行溫度補償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。 3、生物醫(yī)學(xué)測量中的應(yīng)用 光電式脈搏波傳 感器 v原理：是利用光電信號來測量脈搏容積的變化。 當(dāng)血管內(nèi)血容量變化時,組織對光的吸收程度相應(yīng) 發(fā)生變化,利用光電傳感器可測出這種變化，反映 出血液脈動的基本參數(shù)情況（包括頻率，幅度， 脈搏波形狀的改變）。 (a) 透射式傳

38、感器結(jié)構(gòu)示意圖和應(yīng)用圖透射式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和應(yīng)用圖 (b)反射式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和應(yīng)用于腦血氧的應(yīng)用圖反射式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和應(yīng)用于腦血氧的應(yīng)用圖 n發(fā)發(fā) 光光 管管 n接接 收收 管管 n 發(fā)發(fā) 光光 管管 n 接接 收收 管管 n 體體 表表 光電耦合器件是由光電耦合器件是由發(fā)光元件發(fā)光元件(如發(fā)光二極管如發(fā)光二極管)和和光電接光電接 收元件收元件合并使用，合并使用，以光作為媒介傳遞信號以光作為媒介傳遞信號的光電器件。的光電器件。 發(fā)光元件發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體發(fā)光二極管；通常是半導(dǎo)體發(fā)光二極管； 接收元件接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或 光

39、可控硅。光可控硅。 根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，可分為用于實現(xiàn)電隔離的根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，可分為用于實現(xiàn)電隔離的 光電耦合器光電耦合器和用于檢測有無物體的和用于檢測有無物體的光電開關(guān)光電開關(guān)。 第二節(jié)第二節(jié) 光電耦合器件光電耦合器件 1. 光電耦合器光電耦合器 電耦合器的發(fā)光元件和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi)，發(fā)電耦合器的發(fā)光元件和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi)，發(fā) 光源的管腳為光源的管腳為輸入端輸入端，光敏器件的管腳為，光敏器件的管腳為輸出端輸出端。 當(dāng)輸入端有信號時，當(dāng)輸入端有信號時，發(fā)光源發(fā)光發(fā)光源發(fā)光，光敏元件在光照作用下，光敏元件在光照作用下 產(chǎn)生光電流產(chǎn)生光電流，由輸出端輸出，從而實現(xiàn)以，由

40、輸出端輸出，從而實現(xiàn)以光為媒介的電信光為媒介的電信 號的傳輸。號的傳輸。 工作原理：工作原理：發(fā)光器件通常采用發(fā)光二極管，其管芯由一個發(fā)光器件通常采用發(fā)光二極管，其管芯由一個 PN結(jié)組成，結(jié)組成，發(fā)光的強度隨電流的增加而增加發(fā)光的強度隨電流的增加而增加。輸出端的。輸出端的 光敏器件將光敏器件將光信號檢測后變?yōu)殡娏鬏敵龉庑盘枡z測后變?yōu)殡娏鬏敵觥９怆娊邮赵?。光電接收元件?以是光敏二極管和光敏三極管，也可以是達林頓光敏管。以是光敏二極管和光敏三極管，也可以是達林頓光敏管。 光電耦合器組合形式 輸入輸出 輸入 輸出 (a)(b) 如圖為光敏三極管和達林頓光敏管輸出型的光電 耦合器。為了保證光電耦

41、合器有較高的靈敏度， 應(yīng)使發(fā)光元件和接收元件的波長匹配。 ： 信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣 隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強， 工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。 2. 光電開關(guān)光電開關(guān) 光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收， 并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得 最終的控制輸出“開”、 “關(guān)”信號的器件。 如圖為典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖。圖(a) 是一種透射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光 元件和接收元件的光軸是重合的

42、。當(dāng) 不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時， 會阻斷光路，使接收元件接收不到來 自發(fā)光元件的光，這樣就起到了檢測 作用。 圖(b)是一種反射式的光電開關(guān)， 它的發(fā)光元件和接收元件的光 軸在同一平面且以某一角度相 交，交點一般即為待測物所在 處。當(dāng)有物體經(jīng)過時，接收元 件將接收到從物體表面反射的 光，沒有物體時則接收不到。 光電開關(guān)的特點是小型、高速、 非接觸，而且與TTL、 MOS等 電路容易結(jié)合。 除了太陽能輻射紅外線外，自然界任何物體只要它本身具除了太陽能輻射紅外線外，自然界任何物體只要它本身具 有一定溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外光，而且物有一定溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外光，而且

43、物 體溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能越多。物體在向周圍發(fā)射體溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能越多。物體在向周圍發(fā)射 紅外輻射能的同時，也吸收周圍物體發(fā)射的紅外輻射能。紅外輻射能的同時，也吸收周圍物體發(fā)射的紅外輻射能。 由于各種物質(zhì)內(nèi)部的原子分子結(jié)構(gòu)不同，它們所發(fā)射出的由于各種物質(zhì)內(nèi)部的原子分子結(jié)構(gòu)不同，它們所發(fā)射出的 輻射頻率也不相同，這些頻率所覆蓋的范圍也即稱為紅外輻射頻率也不相同，這些頻率所覆蓋的范圍也即稱為紅外 光譜。由實驗可知，光譜。由實驗可知， ，即有：，即有： m=2897/T(m) 第三節(jié)第三節(jié) 紅外傳感器紅外傳感器 熱探測器的工作機理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，熱探測器的工作機理是：利用紅

44、外輻射的熱效應(yīng)， 探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而 使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量相關(guān)物理參使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量相關(guān)物理參 數(shù)的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射。數(shù)的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射。 根據(jù)吸收紅外輻射能后探測器物理參數(shù)的變化，可根據(jù)吸收紅外輻射能后探測器物理參數(shù)的變化，可 以將熱探測器分為四類：以將熱探測器分為四類： 。其中，。其中， 熱探測器熱探測器1 利用利用光電效應(yīng)光電效應(yīng)制成的紅外探測器稱為光子探測器。制成的紅外探測器稱為光子探測器。 常見的光子效應(yīng)有外光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光電常見的

45、光子效應(yīng)有外光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光電 磁效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)。相應(yīng)的，光探測器主要包括，磁效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)。相應(yīng)的，光探測器主要包括， 利用外光電效應(yīng)而制成的利用外光電效應(yīng)而制成的；利用內(nèi)；利用內(nèi) 光電效應(yīng)制成的光電效應(yīng)制成的；利用阻擋層光電效應(yīng)；利用阻擋層光電效應(yīng) 制成的制成的；利用光磁電效應(yīng)制成的；利用光磁電效應(yīng)制成的 。 光探測器光探測器2 熱探測器的特點熱探測器的特點 第四節(jié)第四節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 光纖呈圓柱形，它由光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯玻璃纖維芯 ( (纖芯纖芯) )和和玻璃包皮玻璃包皮( (覆蓋層覆蓋層) )兩個兩個 同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。同心圓

46、柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。 纖芯位于光纖的中心部位，光纖芯位于光纖的中心部位，光 主要在這里傳輸。纖芯折射率主要在這里傳輸。纖芯折射率 n1比包層折射率比包層折射率n2稍大些兩稍大些兩 層之間形成良好的光學(xué)界面，層之間形成良好的光學(xué)界面， 光線在這個界面上反射傳播光線在這個界面上反射傳播。 光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理 1、斯乃爾定理（、斯乃爾定理（Snells Law） 當(dāng)光由光密物質(zhì)當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大折射率大)入射至光疏物質(zhì)時發(fā)生折射，如圖，入射至光疏物質(zhì)時發(fā)生折射，如圖， 其折射角大于入射角，即其折射角大于入射角，即n1n2時，時，ri。 n1、n2、r、i 之間的數(shù)學(xué)關(guān)系

47、為之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為 光的折射示意圖光的折射示意圖 可見，入射角可見，入射角i 增大時，折射角增大時，折射角r 也隨之增也隨之增 大，且始終大，且始終rci。 當(dāng)當(dāng)r =90時，時，i 仍仍90，此時，出射光線沿，此時，出射光線沿 界面?zhèn)鞑ト鐖D，稱為臨界狀態(tài)。這時有界面?zhèn)鞑ト鐖D，稱為臨界狀態(tài)。這時有 臨界狀態(tài)示意圖臨界狀態(tài)示意圖 若認為空氣若認為空氣n01，則，則 2 2 2 10A n-nsinN 光纖的主要參數(shù)光纖的主要參數(shù) 0 /lg10IIA 光纖的分類光纖的分類 在光纖中傳輸?shù)墓獠捎萌缦滦问降姆匠堂枋觯涸诠饫w中傳輸?shù)墓獠捎萌缦滦问降姆匠堂枋觯?光纖傳感器的基本原理光纖傳感器的基本原理 )cos( 0 tEE E0：光波振幅：光波振幅 ：角頻率：角頻率 ：初相角：初相角 上式包含上式包含5個參數(shù)：強度個參數(shù)：強度E02、頻率、頻率、波長、波長、相、相 位、偏振態(tài)。位、偏振態(tài)。 工作原理：用被測量的變化調(diào)制傳輸光光波的工作原理：用被測量的變化調(diào)制傳輸光光波的某某 一參數(shù)一參數(shù)，使之發(fā)生變化使之發(fā)生變化，然后對已調(diào)制的光信號進，然后對已調(diào)制的光信號進 行檢測，從而得到被測量。行檢測，從而得到被測量。 光纖傳感器按被光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為不同可分為 強度調(diào)制光纖傳感器強度調(diào)制光纖傳感器 相位調(diào)制光纖傳感器相位調(diào)制光纖傳感器 偏振