第5章第1章 现代传感技术与系统

5.3.2
内光电效应及其器件
原理：光 → 半导体 → 价带电子吸收能量 → 跃迁至导带 → 电子-空穴对 → 导电特性 条件：光子能量 > 材料禁带宽度
导带 禁带 价带 半导体能带图
种类：内光电效应
光电导效应 光生伏特效应
5.3.2
内光电效应及其器件
1. 光电导效应及器件
原理：光 → 半导体→ 电子-空穴对 → 导电性 → 电阻↓ 器件：光敏电阻 原理：半导体电阻器件，加直流偏压，无极性
特点：谱线丰富，可见光+红外光，峰值在近红外区 发光效率低，15%在可见光， 发热大，>80%能量转化为热能， → 热光源 寿命短（1000小时），易碎，电压高，有危险 应用：可见光源 --- 宽光谱 （滤色片 → 窄带光谱，避免杂光干扰 → 仪器） 近红外光源 --- 红外检测
5.2.3
气体放电光源
无光照---电子-空穴对很少---电阻大(暗电阻)
有光照---电子-空穴对增多---导电性增强 特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定； 批量生产，价格便宜 ；
材料：半导体 --- 硫化镉CdS、硒化镉CdSe；
5.3.2
结构：梳妆电极:
内光电效应及其器件
金属封装： 防潮
特性： 光照特性： 光谱特性: 动态特性:
5.3.2
(3) 光电池
内光电效应及其器件
原理： 光 → PN结（无偏置）→ 电子迁移 电子 → N, 空穴 → P → 电动势 特点：有源器件，无污染，轻便、简单、
动态特性好（硅），
工作于可见光波段---太阳能电池 连接方式： (a)开路电压输出: (b)短路电流输出: 特性：光照特性---开路电压输出：非线性(电压---光强)，灵敏度高 短路电流输出：线性好(电流---光强) ，灵敏度低 光谱特性---硅电池：0.5~1.2μm(红-红外)，峰值0.8 μm(近红外) 锗电池：0.3~0.7μm(紫-红)，峰值0.5 μm(绿) 应用：宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表(计算器) --开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）
内光电效应及其器件
(5) 雪崩光电二极管
雪崩效应：工作电压很高（100～200V），
接近于反向击穿电压。 结区内电场极强，
光生电子得到极大加速，
同时与晶格碰撞， 从而产生电离雪崩反应。 特点：有很高的内增益，可达到几百，灵敏度高
响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前最快的一种光电二极管
噪声大（随机），线性差
5.3.2
内光电效应及其器件
(2) 光敏三极管（光电三极管, PT: Photo-Triode）
原理：光敏二极管（bc结）+ 三极管 特点：光照特性---灵敏度高于光敏二极管， 非线性，不如光电二极管。 光谱特性---单峰性 应用：开关元件： 光电鼠标接收器、打印机打印头位置传感器、 光电耦合器、车速传感器、红外遥控器、 注意：a) 电路连接: b) 入射光角度限制
0/nm
应用：足够的光强，高速光电开关 器件：光电管、光电倍增管
5.3.1
2. 光电管
外光电效应及其器件
原理：光 → 阴极 → 发射光电子 → 阳极 →
空间电子流 → 外接电阻 → 压降U=f(I) 特点：结构简单， 灵敏度较高：20～200μA/lm 充入惰性气体→气体轰击→自由电子 →灵敏度 暗电流小，最低可达10-14A
470 525 575
700 橙
605
780 红
685
nm
5.2.2
热辐射光源
原理：高温物体 → 光辐射，温度高 → 辐射能大 器件：白炽灯 --- 钨丝（1879年，爱迪生） + 惰性气体 → 提高寿命
卤钨灯 --- 钨丝+卤素（碘）， 卤素 + 内壁钨 → 卤化钨 → 受热 分解 → 钨 → 沉积到钨丝
1. 外光电效应
外光电效应及其器件
原理：光 → 金属物体表面 → 电子获得光子的能量 光子能量 > 表面溢出功 → 电子逸出表面 → 光电子发射
特点：速度快 --- 从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。
需足够光能 --- 光子能量 > 表面溢出功 频率下限f0 --- 当 f < f0 时无激发电子 → “红限” 金属 f0/Hz*1015 铯Cs 0.45 660 钠Na 0.60 500 锌Zn 0.81 372 银Ag 1.15 260 铂Pt 1.93 156
第5章

光电式传感器
5.1 5.2
光电传感器概述 常用光源


5.3
5.4
光电效应及光电元件
光电编码器

5.5
光栅传感器
5.1

光电传感器概述
光电式传感器的组成原理 特点及应用
5.1.1 5.1.2
5.1.3 光电式传感器的一般形式
5.1.1
光电式传感器的组成原理
外光电效应
内光电效应
单色性好---光谱范围极小，频率单一； （He-Ne激光:λ=632.8nm,Δλ=10-6nm）
相干性好---受激辐射，传播方向/振动方向/频率/相位一致 时间相干性、空间相干性均好
5.2.5
激光光源
固体激光器：体积小，坚固，功率高
红外固体激光器
绿色固体激光器
红宝石固体激光器
气体激光器：小巧、单色性好、能连续工作、功率小； 高光束质量、高稳定性、长寿命、低噪音、经济；
应用：仪器光源、室内照明、
5.2.5
激光光源
LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ―受激辐射放大产生的光” 原理：外界光 → 光原子 → 能级跃迁 → 受激辐射 → 光放大→谐振→辐射激光 特点：方向性好---发散角很小(约0.18º )，比普通光小2~3数量 亮度高------能量高度集中，亮度比普通光高几百万倍
为非线性，
存在单峰，
动态特性较好， 响应时间0.1S~0.001S
不易作线性检测元件 应与光源光谱匹配 应用：工业自动化---开关元件，快速响应
家电---(感应式节能灯：判断照度)
5.3.2
内光电效应及其器件
2. 光生伏特效应及器件
原理： 光 → PN结（无偏置）→ 电子迁移 电子 → N, 空穴 → P → 电势 器件：光敏二极管（PD） 光敏三极管（PT） 光电池（硅、锗） PIN光电二极管 雪崩光电二极管 光可控硅 阵列式光电器件 象限式光电器件 位置敏感探测器（PSD） 光电耦合器件（CCD）
5.1.3
光电式传感器的一般形式
1. 模拟式光电传感器
透射式：光→被测物→光电元件（透射） 测量透明、半透明固体透明度、
液体混浊度、气体浓度； 反射式：光→被测物→光电元件（反射）
测量物体表面反射率、粗糙度、 距离、位置、振动； 遮光式：光→被测物→光电元件（部分遮光） 测量物体位移、振动、速度； 辐射式：被测物→光 →光电元件，辐射强度
测量辐射温度、放射线；
5.1.3
透射式：
光电式传感器的一般形式
光源 － 码盘－光电元件
2. 脉冲式光电传感器
码盘转动－遮光－透光－脉冲
转速越高 － 脉冲频率越高 转速传感器 反射式：
频闪式：
转速传感器
5.2

常用光源
5.2.1 5.2.2
对光源的要求 热辐射光源


5.2.3
5.2.4
气体放电光源
5.3.2
内光电效应及其器件
P N
(1) 光敏二极管（光电二极管, PD: Photo-Diode）
原理： PN结 无光时---高阻特性，微弱电流—暗电流，μA 光照时---电子→N,空穴→P → 光电流 光照愈强 --- 光电流愈大 特性： 光照特性: 光谱特性: 动态特性:
动态特性好 单峰性 灵敏度和线性好， 应用：线性转换元件，开关元件， 注意：a) 电路连接同一般二极管， 输出电流小，一般为数微安到数十微安 b) 入射光角度限制
He-Ne激光器
He-Cd激光器
He-Cd激光器（制冷）
5.2.5
激光光源
染料激光器
离子激光器
半导体激光器：效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率小、非线性
蓝色/紫色激光
红色激光
近红外小功率
蓝色激光器
5.3
光电效应及光电元件
外光电效应及其器件 内光电效应及器件
5.3.1 5.3.2
5.3.1
5.3.2
结构：PN + I
内光电效应及其器件
(4) PIN结光电二极管（PIN-PD）
I - 高电阻率的本征半导体（厚） PN结双电层的间距加宽，结电容变小 特点：频带宽，可达10GHz，响应速度快， 灵敏度高， 线性输出范围宽，线性好 输出电流小（数微安），电阻很大 应用：用于光通讯，光测量
5.3.2
5.2.4
发光二极管(LED)
原理：半导体，电致发光， 特点：体积小，可平面封装，固体光源，无辐射，绿色光源 功耗低（白炽灯1/8，荧光灯1/2）、发热少 寿命长（10万小时，是荧光灯的10倍 ） 、耐振动 响应快（毫秒级 ）、供电电压低、易于数字控制 价格较白炽灯贵，功率低，亮度小， 器件：单色LED：红色、绿色、黄色、 橙色、蓝色 应用：指示灯、背光源 白色LED：2001,美国波士顿大学光学研究中心 光谱丰富---（篮+黄）/（篮+绿+红） 亮度高---荧光灯5倍，白炽灯的25倍
体积比较大、工作电压高达百伏到数千伏、玻壳容易破碎等。
5.3.1
3. 光电倍增管
外光电效应及其器件
原理：光 → 阴极 → 光电倍增极→ 阳极 → 电流