自動檢測與轉換技術物理及電子工程學院

楊恒Tel-mail:shanksyoung@2023/2/22第六章光電式傳感器內容：光電器件CCD傳感器

以光電器件作為轉換元件的傳感器優點：響應快、性能穩、非接觸。2023/2/23物質受到光照會發生某些電學特性的變化，這一現象稱為光電效應。光電效應：光電子發射效應（外光電效應）光電導效應（內光電效應）光生伏特效應三種類型發生在物體內部發生在物體表面半導體金屬光電器件2023/2/24

當物質受到光照射時，電子得到了足夠的光能會從物質表面上放射出來的現象，稱為光電子發射。普通光電管和光電倍增管就是利用這種原理制成的。

光電子發射效應（外光電效應）

當物質受到光的照射時，載流子的濃度增加，電導率增大的現象，稱為光電導效應。光敏電阻就是利用這種效應制成的。光電導效應（內外光電效應）光電式傳感器2023/2/25

當物質受到光的照射時，兩種材料的界面上產生電動勢的效應，稱為光生伏特效應。光電池就是利用這種效應制成的。光生伏特效應（內外光電效應）

光電發射型器件非電量轉換光亮變化光子光電器件光電效應電流（電子）光電式傳感器6.1.2光電管一概念:

光電管：

將微弱光信號轉換成電信號的真空電子器件。光電管通常用于自動控制、光度學測量和強度調制光的檢測。如用于保安與警報系統、計數與分類裝置、影片音膜復制與還音、彩色膠片密度測量以及色度學測量等。二結構和工作原理:

圖8-15甲是一種真空光電管，玻璃泡里的空氣已經抽出，有的光電管的玻璃泡里充有少量的惰性氣體(如氬、氖、氦等)．泡的內半壁涂有堿金屬，例如鈉、鋰、銫，作為陰極K．泡內另有一陽極A．使用時像圖8-15乙那樣把它連在電路里，當光照射到光電管的陰極K時，電路里就產生電流，電流的強度取決于照射光的強度．光電管不能用強光照射，否則容易老化失效．光電管產生的電流很弱，應用時可以用放大器把它放大．

光電管的類型

基于外光電效應的基本光電轉換器件真空光電管和充氣光電管兩類。

真空光電管:真空光電管（又稱電子光電管）由封裝于真空管內的光電陰極和陽極構成。當入射光線穿過光窗照到光陰極上時，由于外光電效應（見光電式傳感器），光電子就從極層內發射至真空。在電場的作用下，光電子在極間作加速運動,最后被高電位的陽極接收,在陽極電路內就可測出光電流，其大小取決于光照強度和光陰極的靈敏度等因素。

按照光陰極和陽極的形狀和設置的不同，光電管一般可分為5種類型。①中心陰極型：這種類型由于陰極面積很小，受照光通量不大，僅適用于低照度探測和光子初速度分布的測量。②中心陽極型：這種類型由于陰極面積大，對入射聚焦光斑的大小限制不大；又由于光電子從光陰極飛向陽極的路程相同，電子渡越時間的一致性好;其缺點是光電子接收特性差,需要較高的陽極電壓（圖a）。③半圓柱面陰極型：這種結構有利于增加極間絕緣性能和減少漏電流（圖b）。④平行平板極型：這種類型的特點是光電子從陰極飛向陽極基本上保持平行直線的軌跡，電極對于光線入射的一致性好。⑤帶圓筒平板陰極型：它的特點是結構緊湊、體積小、工作穩定。

充氣光電管:

充氣光電管（又稱離子光電管）由封裝于充氣管內的光陰極和陽極構成。它不同于真空光電管的是，光電子在電場作用下向陽極運動時與管中氣體原子碰撞而發生電離現象。由電離產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。因此在陽極電路內形成數倍于真空光電管的光電流。

充氣光電管的電極結構也不同于真空光電管。常用的電極結構有中心陰極型、半圓柱陰極型和平板陰極型。充氣光電管最大缺點是在工作過程中靈敏度衰退很快，其原因是正離子轟擊陰極而使發射層的結構破壞。充氣光電管按管內充氣不同可分為單純氣體型和混合氣體型。①單純氣體型：這種類型的光電管多數充氬氣，優點是氬原子量小，電離電位低，管子的工作電壓不高。有些管內充純氦或純氖，使工作電壓提高。②混合氣體型：這種類型的管子常選氬氖混合氣體，其中氬占10％左右。由于氬原子的存在使處于亞穩態的氖原子碰撞后即能恢復常態，因此減少惰性。

光電管的特性

(1).光電管的光譜特性

光電管的光譜特性是指光電管在工作電壓不便的條件下，入射光的波長與其絕對靈敏度（即量子效率）的關系。光電管的光譜特性主要取決于陰極材料，常用的陰極材料有銀氧銫光電陰極、銻銫光電陰極、鉍銀氧銫光電陰極及多鹼光電陰極等，前兩種陰極使用比較廣泛。

由光電管的光譜特性曲線可以看出，不同陰極材料制成的光電管有著不同的靈敏度較高的區域，應用時應根據所測光譜的波長選用相應的光電管。例如被測光的成分是紅光，選用銀氧銫陰極光電管就可以得到較高的靈敏度。(2).光電管的伏安特性

光電管的伏安特性是指在一定光通量照射下，光電管陽極與陰極之間的電壓UA與光電流IΦ之間的關系。5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012陽極與末級倍增極間的電壓/VIA/μA光電管的伏安特性

光電管在一定光通量照射下，光電管陰極在單位時間內發射一定量的光電子，這些光電子分散在陽極與陰極之間的空間，若在光電管陽極上施加電壓UA，則光電子被陽極吸引收集，形成回路中的光電流IΦ。當陽極電壓升高，陽極發射的光電子指引一部分被陽極收集，其余部分仍返回陰極。隨著陽極電壓的升高，陽極在單位時間內收集到的光電子數增多，光電流IΦ也增加。如果陽極電壓升高到一定數值時，陰極在單位時間內發射的光電子全部被陽極收集，稱為飽和狀態，以后陽極電壓升高，光電流IΦ也不會增加。（3）

光電管的光照特性

通常指當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系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51管的光照特性，光電流I與光通量成線性關系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。

(4).光電管的光電特性

光電管的光電特性是指光電管陽極電壓和入射光頻譜不便的條件下，入射光的光通量Φ與光電流IΦ之間的關系，在光電管陽極電壓足夠大，使光電管工作在飽和狀態條件下，入射光通量和光電流線性關系，參見圖6所示。

(5).暗電流

如果將光電管置于無光的黑暗條件下，當光電管施加正常的使用電壓時，光電管產生微弱的電流，此時電流稱為暗電流。暗電流的產生主要是由漏電流引起的。

6.1.3光敏電阻光敏電阻是由具有內光電效應的光導材料制成的，為純電阻器件。優點：靈敏度高，光譜響應范圍寬，體積小，重量輕，性能穩定，機械強度高，耐沖擊和振動，壽命長，價格低。1．光敏電阻的基本特性（1）光電流。光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻（暗阻），此時的電流稱為暗電流；光敏電阻在受光照射時的阻值稱為亮電阻（亮阻），此時的電流稱為亮電流；亮電流與暗電流之差稱為光電流。暗阻越大越好，亮阻越小越好，也就是光電流要盡可能大，這樣光敏電阻的靈敏度就越高。（2）伏安特性。在一定的照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與光電流之間的關系曲線，稱為光敏電阻的伏安特性曲線。在外加電壓一定時，光電流的大小隨光照的增強而增加；外加電壓越高，光電流也越大，而且沒有飽和現象。（3）光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量的關系曲線，稱為光敏電阻的光照特性。光敏電阻的光照特性曲線是非線性的，所以光敏電阻不宜做定量檢測元件，而常用作光電開關。（4）光譜特性。光敏電阻對于不同波長l的入射光，其相對靈敏度是不同的。（5）頻率特性。當光敏電阻受到光照射時，光電流要經過一段時間才能達到穩態值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這是光敏電阻的時延特性。（6）光譜溫度特性。光敏電阻受溫度影響較大，隨著溫度的升高，暗阻和靈敏度都下降。2．光敏電阻質量的測試將萬用表置于R×1kW擋，把光敏電阻放在距離25W白熾燈50cm遠處（其照度約為100lx），可測得光敏電阻的亮阻；再在完全黑暗的條件下直接測量其暗阻值。如果亮阻值為幾千到幾十千歐姆，暗阻值為幾兆到幾十兆歐姆，則說明光敏電阻質量良好。6.1.4光敏晶體管1．光敏二極管（1）工作原理。光敏二極管是基于半導體光生伏特效應的原理制成的光敏元件。在不受光照射時，光敏二極管處于截止狀態；受光照射時，光敏二極管處于導通狀態。（2）光敏二極管的檢測方法。用歐姆表檢測時，先讓光照射在光敏二極管管芯上，測出其正向電阻，其阻值與光照強度有關，光照越強，正向阻值越小；然后用一塊遮光黑布擋住照射在光敏二極管上的光線，測量其阻值，這時正向電阻應立即變得很大。2．光敏三極管（1）工作原理。光敏三極管也是基于半導體光生伏特效應的原理制成的光敏元件，分為PNP型和NPN型兩種。當光照射在PN結附近，PN結產生光生電子-空穴對，在PN結處內電場作用下，做定向運動，形成光電流，因此PN結的反向電流大大增加，由于光照射發射結產生的光電流相當于三極管的基極電流，因此集電極電流是光電流的b倍。（2）基本特性。①光譜特性。②伏安特性。③光照特性。④溫度特性。⑤時間常數。（3）光敏三極管的檢測方法。用一塊黑布遮住照射在光敏三極管的光，選用萬用表的R×kW擋，測量其兩引腳間的正、反向電阻，若均為無限大時則為光敏三極管；拿走黑布，則萬用表指針向右偏轉到15～30kW處，偏轉角越大，說明其靈敏度越高。6.1.5光電池光電池也是基于半導體光生伏特效應的原理制成的，是自發電式有源器件。應用最多的是硅光電池、硒光電池、砷化鉀光電池和鍺光電池等。1．光譜特性光電池的相對靈敏度Kr與入射光波長l之間的關系稱為光譜特性。不同材料光電池的光譜峰值位置是不同的。2．光照特性光生電動勢U與照度Ee之間的特性曲線稱為開路電壓曲線；光電流密度Je與照度Ee之間的特性曲線稱為短路電流曲線。短路電流在很大范圍內與光照度成線性關系，這是光電池的主要優點之一；開路電壓與光照度之間的關系是非線性的，并且在照度為2000lx的照射下就趨于飽和了。3．頻率特性光電池的頻率特性是光的調制頻率f與光電池的相對輸出電流Ir之間的關系曲線。4．溫度特性光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓U、短路電流I隨溫度t變化的曲線。開路電壓隨溫度增加而下降得較快，而短路電流隨溫度上升而增加得卻很緩慢。紅外傳感器

6.2.1紅外輻射紅外輻射的物理本質是熱輻射。一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強。而且紅外線被物體吸收時，可以顯著地轉變為熱能。

6.2.2紅外探測器紅外傳感器一般由光學系統、探測器、信號調理電路及顯示系統等組成。1．熱探測器熱探測器是利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使有關物理參數發生相應變化，通過測量物理參數的變化，便可確定探測器所吸收的紅外輻射。2．光子探測器光子探測器利用入射紅外輻射的光子流與探測器材料中電子的相互作用，改變電子的能量狀態，引起各種電學現象（這一過程也稱為光子效應）。通過測量材料電子性質的變化，可以知道紅外輻射的強弱。光電式傳感器應用舉例6.3.1光敏電阻傳感器的應用如圖6.19所示為帶材跑偏檢測裝置的工作原理和測量電路圖。6.3.2光敏晶體管的應用1．光電耦合器光電耦合器是將一個發光器件和一個光敏元件同時封裝在一個殼體內組合而成的轉換元件。當有電流流過發光二極管時便產生一個光源，此光照射到封裝在一起的光敏元件后產生一個與發光二極管正向電流成比例的集電極電流。

2．脈沖編碼器

3．光電轉速傳感器6.3.3光電池的應用光電池主要有兩大類型的應用：一是將其作為光生伏特器件使用，直接將太陽能轉換為電能，即太陽能電池；另一類是將光電池作為光電轉換器應用，需要它具有靈敏度高，響應時間短等特性，主要應用于光電檢測和自動控制系統。1．太陽能電池電源太陽能電池電源系統主要由太陽能電池方陣、蓄電池組、調節控制器和阻塞二極管組成。若要向交流負載供電，則加一個直流-交流變換器（逆變器）。圖6.24太陽能電池電源系統方框圖2．光電報警電路當太陽光照射光電池時，SCR有了門極觸發電壓，此時SCR導通，負載接通。電位器R調節光電平使報警器發出聲響。6.3.4紅外測溫儀紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。當物體的溫度低于1000℃時，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，故可用紅外探測器檢測溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測溫儀工作在任意紅外波段。光電開關光電開關器件是以光電元件、三極管為核心，配以繼電器組成的一種電子開關。當開關中的光敏元件受到一定強度的光照射時就會產生開關動作。基本光電開關電路光電斷續器光電斷續器的工作原理與光電開關的相同，但其光電發射器、接收器放置于一個體積很小的塑料殼體中，所以兩者能可靠地對準。光電斷續器也可分為遮斷型和反射型兩種。CCD圖像傳感器及應用電耦合器件（ChargeCoupledDevice,CCD）是20世紀70年代在MOS集成電路技術基礎上發展起來的新型半導體器件。它具有光電轉換、信息存儲和傳輸等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、動態范圍大等優點。1．CCD的光敏元結構及存儲電荷的原理當在金屬電極上施加一正偏壓、在沒有光照的情況下，光敏元中的電子數目很少。光敏元受到從襯底方向射來的光照后，產生光生電子—空穴對。電子被柵極上的正電壓所吸引，存儲在光敏元中，稱為“電子包”。光照越強，光敏元收集到的電子越多，所俘獲的電子數目與入射到勢阱附近的光強成正比，從而實現了光與電子之間的轉換。圖6.30MOS電容器組成的光敏元半導體硅片上制有幾百萬個相互獨立、排列規則的光敏元，稱為光敏元陣列。若照射到陣列上的是一幅明暗起伏的圖像，那么光敏元會產生一幅與光照強度對應的“光生電荷圖像”，這就是CCD攝像器件的光電轉換原