第九章光电式传感器1教学材料

2.光电池的基本特性
（1）光电池的光谱特性
如图9-12为硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线，即相 对灵敏度Kr与入射光波长λ间的关系曲线。从曲线上可看出， 不同材料的光电池的光谱峰值位置是不同的。因此不同的光 电池应在不同的光波长范围内使用。
（2）光电池的光照特性
如图9-13为硅光电池的光照特性。光生电动势U与照度 Ee间的特性曲线称为开路电压曲线；光电流密度je与照度Ee 间的特性曲线称为短路电流曲线。
设每级的倍增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流 倍增率将为δ n 。倍增级数n可在4~ 14 之间，δ的范围一般是 3~6。
2.特性
光电管的基本特性主要有以下几个方面：
（1）光电特性
光电特性表示当阳极电压一定时，阳极电流I与入射在阴 极上光通量φ之间的关系。如图9-3（a）为真空光电管的光电 特性；图9-3（ b ）为充气光电管的光电特性。
1、光电耦合器
光电耦合器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。
耦合器常见的组合形式如图9 - 18所示。
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。
（5）光敏电阻的频率特性 在使用光敏电阻时，应当注意 它的光电流并不是随光强改变而立刻作相应的变化，而是具 有一定的惰性，图9-9为两种不同材料的光敏电阻的频率特性， 即相对灵敏度Kr与光强度变化频率间的关系曲线。
（6）光敏电阻的光谱温度特性 如图9-10所示。
三、光电池
1.光电池的结构与原理 （1）结构
第九章 光电式传感器
光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。 其基础是光电转换元件的光电效应。光电式传感器具有结 构简单、非接触、高可靠性、高精度和高分辨率、反应快 等特点，故光电式传感器广泛应用于自动检测技术中。
9-1 光电效应
由于物体吸收了光子的能量而产生电效应的这 一现象，称为光电效应。可分为三类：外光电效应、 内光电效应（光电导效应）和光生伏特效应。
图9-19为典型的光电开关结构图。图（a）是一种透射 式的光电开关, 它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。 当不透明的物体位于或经过它们之间时, 会阻断光路, 使接 收元件接收不到来自发光元件的光, 这样起到检测作用。图 （b）是一种反射式的光电开关, 它的发光元件和接收元件 的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测 物所在处。当有物体经过时, 接收元件将接收到从物体表面 反射的光, 没有物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、 高速、非接触, 而且与TTL、 MOS等电路容易结合。
电子，这时的电流称为暗电流。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。
（4）飞行时间及其涨落 飞行时间是指从光电阴极发射处电子开始，到收集阳极接
受电子为止所经过的时间，一般为10-8s数量级。飞行时间不 恒定，其波动值用时间涨落来表示。
二、光敏电阻
1.光敏电阻的结构
一、外光电效应
（1）定义：在光的照射下，物体内的电子逸出表面， 向外发射的现象。基于外光电效应的光电器件有： 光电管、光电倍增管等。
（2）原理：一个电子要从物体中逸出表面，必须使
光子能量大于表面逸出功，此时逸出表面的电子就具有
动能。
h
A0
1mv2 2
二、内光电效应 （1）定义：在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。
2.光电倍增管的测量电路
常见的光电倍增管电路如图9-22所示，各倍增极的电压 由分压电阻链R1、R2……Rn获得，被放大的电流流经负载电 阻就得到了所需的输出电压。
如果光电倍增管用来连续监控很稳定的光源，则图中的 Cn~Cn-2可以省略。使用中往往把电源正极接地，使阳极可 以直接接到放大器的输入端而不使用隔离电容Ca，这样系统 将能响应变化很慢的光强，如果将稳定的光源加以调制，那 么就可以用电容器耦合。
基于内光电效应的光电器件有：光敏电阻。 （2）原理：光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到
能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，使其由价带越过禁带 跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增大， 从而使电阻率减小，电导率增大。
三、光生伏特效应 在光的照射下，物体内部产生电势的现象（利用光势垒
效应）。基于该效应的光电器件有：光电池、光敏晶体管等。
硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型 杂质形成一个大面积的PN结，如图9-11所示。
（2）原理 当光照射到PN结附近时，若光子能量大于半导体材料的
禁带宽度，则每吸收一个光子能量，将产生一个电子空穴对。 光照越强，产生的电子空穴对越多。P区的光生电子可以在结 电场的作用下进入N区，这样光照射所产生的电子空穴对就被 结电场分离开来，从而使P型区带正电，N型区带负电，形成 光生电动势。
11-3 光电式传感器的测量电路
要使光电式传感器能很好地工作，除了合理选用光电转 换元件外，还必须配备合适的光源和测量电路。
一、光源
1.发光二极管 发光二极管是一种把电能转换成光能的半导体器件。广
泛地应用于计算机、仪器仪表和自动控制等设备中。 2.钨丝灯泡 3.电弧灯或石英灯 4.激光 与一般光源相比，激光是很有规律而频率单纯的光波，
光电倍增管的基本特性参数主要有以下几个方面：
（1）倍增系数M。Mcn ，其中 c为收集系数，它反映
倍增极收集电子的效率。
（2）光电阴极的灵敏度及光电倍增管的灵敏度 光电阴极的灵敏度是指一个光子照射在阴极上所能激发
的电子数。而光电倍增管的灵敏度是指一个光子照射后，在 阳极上得到的总电子数。
（3）光电倍增管的暗电流及本底电流 当管子不受光照，但极间加入电压时在阳极上会收集到
具有很多优点：能量高度集中，方向性好，相干性好。
二、测量电路
1.光电管的测量电路
光电管所通过的电流通常都很小，因此它的有效功率甚 微，不能直接推动记录仪表或继电器，所以通常要与某种放 大器相连接。
如图9-21所示是两个光电管的差接电路，V1、V2为放大 管。其示值可在指示仪表P上读得。
在平衡工作状态时，指示仪表处在零位。
图9-24 光敏三极管开关电路
图9-25 具有温度补偿的光敏二极管测量电路
五、光电池的测量电路
图9-26所示的光电池开关电路，由光电池控制施密特 电路。该电路在输入信号变化十分缓慢的时候，也能确保
迅速转换。由于光电池即使在强光照射下最大输出电压也
仅为0.6V，不足以使VT1管有较大的电流输出，故将硅光电 池接在VT1管基极上，用二极管2AP产生正向压降0.3V。这 样当光电池受到光照时所产生的电压与2AP正向压降叠加， 便使VT1管的e、b极间的电压大于0.7V，从而使VT2管导通、 继电器便动作。为了减小晶体管基极电路的阻抗变化，同
用光电开关检测物体时, 大部分只要求其输出信号有 “高-低”（1-0）之分即可。 图9-20 是基本电路的示例。 （a）、（b）表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路 时的情况, （c）表示用晶体管放大光电流的情况。
光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全 装置中作光控制和光探测装置。可在自控系统中用作物体 检测， 产品计数, 料位检测，尺寸控制，安是由发光元件（如发光二极管）和光电
接收元件合并使用, 以光作为媒介传递信号的光电器件。 光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管, 光 电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可 控硅等。
根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的 光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。
（2）伏安特性
当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电 压同光电流的关系。如图9-4（c）所示。
（3）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。保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间 的关系叫光电管的光谱特性。如图9-4（d）所示。
9-4 (a)真空光电管的伏安特性 (b) 充气光电管的伏安特性
三、光敏电阻的测量电路
图9-23所示为光敏电阻开关电路，晶体管VT1、VT2构成施 密特触发电路。当减少入射到光敏电阻上的光通量时，VT1的 基极电压上升，直到管子导电为止，然后VT2由于反馈而变为 截止状态，因此其集电极电压上升，直至达到12.7V左右为止。 在12V时，稳压二极管VDWl便导电，通过VDW1的电流使得VT3 导通，于是继电器被接通。二极管VD2阻尼继电器线圈振荡， 因而对VT3起保护作用。50kΩ的电位器可以对灵敏度进行调整。
（2）光敏电阻的伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端 所加电压与流过光敏电阻的光电流的关系。如图9-6所示。
（3）光敏电阻的光照特性 光敏电阻的光电流I和光通量φ 之间的关系。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但在大 多数情况下，曲线的形状类似图9-7所示。
（4）光敏电阻的光谱特性 光敏电阻对于不同波长的入射 光，其相对灵敏度Kr是不同的。各种不同材料的光谱特性曲 线如图9-8所示。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光区域，因此在选择光敏电阻时， 应当把元件和电源结合起来考虑，才能获得满意的结果。
图9-23 光敏电阻开关电路
四、光敏晶体管的测量电路
图9-24所示为光敏三极管的开关电路。 VT1为光敏三极 管，当有光照时，光电流增加咀导通，作用到Vη和VT4组 成的射极藕合放大器，使输出电压U就为高电平，反之输出 电压低电平，这样输出脉冲可送至计数器，以便进行一些 开关量如转速、时间间隔等量的测量。
当辐射源为脉冲通量时要把电源负极接地，这样噪声将更 低。这时应接入隔离电容 Ca，同时用电容器Cn~Cn-2稳定最 后几个倍增极在脉冲期间的电压，这些电容器有助于稳定增 益和防止饱和，它们通过电源去耦电容器C将脉冲电压接地。