光電式檢測元件

光電傳感器是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為光信號的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號的一種傳感器。光電傳感器的原理可用圖12.0.1的方框圖表示。圖中x1和x2為被測物理量，Φ1、Φ2分別為輻射源的光信號和光電轉(zhuǎn)換元件接收的光信號，I為輸出電信號。由于此種測量方法靈活多樣，可檢測的參數(shù)多，又具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸式和高精度、高分辨力、高可靠性、反應(yīng)快等優(yōu)點，它已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域的生產(chǎn)、科研中，特別是在空間技術(shù)、遙感遙測技術(shù)、制導(dǎo)武器技術(shù)等方面，近幾年獲得突破性的發(fā)展和應(yīng)用。

12.1光電效應(yīng)及光電器件

12.1.1光電效應(yīng)光電轉(zhuǎn)換元件的作用原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。光可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子——光子所構(gòu)成，它兼有波和粒子的特性。

下一頁圖12.0.1光電傳感器的原理框圖

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12.1光電效應(yīng)及光電器件

光子以光速c傳播，頻率為f，則兩相鄰波峰間的距離即為波長λ。它們之間的關(guān)系為

λ=c/f（12.1.2）光照射在物體上可看成是一連串具有能量為E的光子轟擊在物體上。而光電效應(yīng)就是由于被轟擊的物體吸收了光子的能量后產(chǎn)生的電效應(yīng)。通常把光線照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為四種類型，下面分別予以介紹。上一頁下一頁12.1光電效應(yīng)及光電器件12.1.2光電器件一、光電發(fā)射型在光線作用下能使電子逸出物體表面的稱為光電發(fā)射型，這種光電效應(yīng)也稱為外光電效應(yīng)。一個光子的能量只能給一個電子，如果要使該電子能從物質(zhì)表面逸出，光子具有的能量E必須大于該物質(zhì)表面的逸出功A0，這時逸出表面的電子才具有足夠的初始動能Ek，即

（12.1.3)下一頁上一頁

12.1光電效應(yīng)及光電器件式中，m—電子質(zhì)量；

v0—電子逸出時的初速度；

f—光的頻率。用這種原理制成的光電元件主要有真空光電管和光電倍增管等。二、光電導(dǎo)型1．工作原理和結(jié)構(gòu)這種型式的光電器件是利用半導(dǎo)體材料在光線作用下電阻率發(fā)生改變的原理，故稱為光電導(dǎo)型或內(nèi)光電效應(yīng)。具有內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻以及由光敏電阻制成的光導(dǎo)管。

圖12.1.1是光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)。在黑暗的環(huán)境下，它的電阻值很高，當(dāng)受光照，并且輻射能量足夠大時，電導(dǎo)率變大，光線愈強(qiáng)，電阻愈低，光照停止后，電阻又恢復(fù)原值。上一頁下一頁圖12.1.1光敏電阻電路原理圖

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12.1光電效應(yīng)及光電器件因為光導(dǎo)效應(yīng)只限于受光照的表面層，所以光敏電阻通常做得很薄，為了得到高的靈敏度，電極還做成梳狀。光敏電阻密封裝在殼體中，以免受潮而影響靈敏度，在殼體上開有入射窗，它是用一種只許光譜范圍的光片做成，以避免其他光線的干擾。由于光敏電阻具有很高的靈敏度，光譜響應(yīng)的范圍可以從紫外光直到紅外光，而且體積小，性能穩(wěn)定，價格便宜，所以被廣泛應(yīng)用在自動控制系統(tǒng)中。2．光敏電阻的主要參數(shù)和特性（1）光電流光敏電阻在不受照射時的電阻值稱為“暗電阻”，流過的電流稱為“暗電流”；當(dāng)受光照射時，它的阻值稱為“亮電阻”，相應(yīng)的電流稱為“亮電流”。亮電流與暗電流之差定義為光電流。上一頁下一頁

12.1光電效應(yīng)及光電器件（2）光敏電阻的伏安特性即在光敏電阻兩端所加電壓和電流的關(guān)系線，由曲線可知，外加電壓越高，光電流也越大，沒有飽和現(xiàn)象。在給定的光照下，電阻值與外加電壓無關(guān)；在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照的增強(qiáng)而增加。（3）光照特性即光敏電阻的光電流I和光強(qiáng)F的關(guān)系曲線。不同的光敏電阻其光照特性是不同的。大多數(shù)情況下曲線是非線性的，這是光敏電阻的缺點之一，因此它不適宜做成線性敏感元件，在自動控制中它常用作開關(guān)量的光電傳感器。（4）光敏電阻的光譜特性光敏電阻對于不同波長的入射光，其相對靈敏度也不同。從圖中可見硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，就應(yīng)注意把元件與光源結(jié)合起來，才能獲得滿意的效果。

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12.1光電效應(yīng)及光電器件（5）光敏電阻的頻率特性光敏電阻在使用中，它的光電流并不是隨光強(qiáng)的改變而立即作出相應(yīng)的變化，而存在一定的滯后，這也是光敏電阻的缺點之一。這種滯后常用時間常數(shù)來描述。不同材料的光敏電阻，具有不同的時間常數(shù)，它將直接影響到該光敏電阻的相對靈敏度Kr。定義光敏電阻的相對靈敏度與光強(qiáng)變化頻率f間的關(guān)系為光敏電阻的頻率特性。6）光敏電阻的光譜溫度特性和其他半導(dǎo)體器件一樣，光敏電阻的光學(xué)和電學(xué)性能受溫度影響較大，隨著溫度升高，它的暗電阻和靈敏度都將下降，同時還影響它的光譜特性，因此，有時為了提高元件的靈敏度或為了能接收遠(yuǎn)紅外光而采取降溫措施。上一頁下一頁

12.1光電效應(yīng)及光電器件三、光電導(dǎo)結(jié)型這類光電元件的工作原理與光電導(dǎo)型是相似的，其差別在于光電導(dǎo)結(jié)型是光直線照射在半導(dǎo)體的P-N結(jié)上。大多數(shù)半導(dǎo)體二極管或三極管的P-N結(jié)受到光照射時，通過P-N結(jié)的電流將增大，因此與常規(guī)的二極管或三極管采用密封避光包裝不同，光電導(dǎo)結(jié)型的光敏管則必須使P-N結(jié)能得到最大的光照射。圖12.1.7所示為光電導(dǎo)結(jié)型光電元件的構(gòu)造和圖示符號。光敏三極管有PNP型和NPN型兩類，其結(jié)構(gòu)原理圖和符號圖如圖12,1.8所示。它的結(jié)構(gòu)與光敏與二極管相似，不過它具有兩個P-N結(jié)。大多數(shù)光敏三極管的基極無引出線。當(dāng)有光照射時，一個反向偏置結(jié)能給出幾μA電流，在同樣條件下，在集-基結(jié)能產(chǎn)生幾mA電流，即該結(jié)中所激發(fā)的光電流將放大hf倍（電流放大倍數(shù)）。

上一頁下一頁圖12.1.7光敏二極管

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（a）原理圖；（b）符號圖；（c）接線法圖12.1.8光敏三極管

返回a）結(jié)構(gòu)原理（a）原理圖；（b）符號圖；（c）接線法圖；（b）符號圖；（c）光敏場效應(yīng)三極管

12.1光電效應(yīng)及光電器件四、光電池型光電池型又稱光伏特型，它是一種自發(fā)電的有源器件。光電池的種類很多，有硒、氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘、鍺、硅、砷化鎵等，其中尤以硅光電池具有性能穩(wěn)定、光譜寬、頻率特性好、傳遞效率高、能耐高溫輻射等一系列優(yōu)點而特別受到青睞。因此本節(jié)著重介紹硅光電池。1．硅光電池的工作原理硅光電池是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)，即在N型硅片上覆蓋一薄層的P型材料，形成一個大面積的P-N結(jié)。由于P層很薄，使光線能穿透而照射到P-N結(jié)上，如圖12.1.9所示。

2．光電池的基本特性（1）光電池的光譜特性在實際使用中，應(yīng)根據(jù)光源性質(zhì)來選擇光電池。但需注意的是光譜峰值不僅與材料有關(guān)，同時也會隨使用溫度改變。上一頁下一頁圖12.1.9硅光電池的構(gòu)造和符號圖

返回（a）結(jié)構(gòu)；（b）外形；（c）符號圖1—薄P層；2—P-N結(jié)；3—N層；4—電極；5—透鏡；6—外殼；7—引出線

12.1光電效應(yīng)及光電器件（2）光電池的光照特性短路電流在很大范圍內(nèi)與光照明度成線性系，而開路電壓與照明度的關(guān)系為非線性的，且在照明度Ee=2000lx照射下，就趨于飽和了。因此，把光電池作為敏感元件時，利用短路電流與光照明度成線性的特點，把它作為電流源形式應(yīng)用。此外，實驗證明，負(fù)載電阻越小，線性范圍越寬。對于不同的負(fù)載電阻，可以在不同的照明度范圍內(nèi)獲得線性輸出。應(yīng)根據(jù)光照的具體情況來決定所用負(fù)載電阻的大小。（3）光電池的頻率特性是指光的調(diào)制頻率f和光電池相對輸出電流Ir的關(guān)系。這里相對輸出電流是指高頻時輸出電流和低頻最大輸出電流之比。

（4）光電池的溫度特性它反映溫度變化對光電池開路電壓U和短路電流I的影響。由于光電池的溫度特性的存在，因此在應(yīng)用光電池作敏感元件時，應(yīng)采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，以免因溫漂而影響系統(tǒng)的測量和控制精度。上一頁返回

12.2常規(guī)光電傳感器及其應(yīng)用

12.2.1常規(guī)的光電傳感器光電傳感器是通過光通量對光電元件的作用來實現(xiàn)非接觸式的檢測和控制的。由于光通量作用方式不同，此類傳感器種類很多，但如按其輸出來分類，則可分為模擬輸出和數(shù)字輸出兩大類。一、模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性，其光通量隨被測量而變化，光電流就成為被測量的函數(shù)，故又稱為光電傳感器的函數(shù)運(yùn)行狀態(tài)。

1．輻射式輻射式的輻射源就是被測物本身，如圖12.2.1（a），它可以直接照射到光電元件上，也可以經(jīng)過一定的光路后再作用到光電元件上，如用此原理制成的光電比色高溫計。下一頁

12.2常規(guī)光電傳感器及其應(yīng)用2．吸收式吸收式采用的恒光源可以是白熾燈或其他光源，光通量穿過被測物后，部分被吸收，如圖12.2.1（b）所示，然后到達(dá)光電元件上。吸收量取決于被測物的被測參數(shù)，如測氣體、液體的透明度、混濁度等。3．反射式恒光源發(fā)出的光通量照射到被測物上，又從被測物表面再反射到光電元件上，如圖12.2.1（c）所示。4．遮光式恒光源發(fā)射到光電元件上的光通量讓被測物給遮擋了一部分，如圖12.2.1（d）所示，因此改變了照射到光電元件上的光通量，基于此原理的光電傳感器常被用于尺寸的檢測和振動檢測。上一頁下一頁圖12.2.1常規(guī)光電傳感器的類型

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（a）輻射式；（b）吸收式；（c）反射式；（d）遮光式

1—被測物；2—光電元件；3—恒光源

12.2常規(guī)光電傳感器及其應(yīng)用二、數(shù)字式光電傳感器它的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)，所以也稱為光電元件的開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)。此種光電傳感器常用于光電式測速儀、光電式轉(zhuǎn)速計、計數(shù)器等。12.2.2應(yīng)用實例

一、光電耦合器光電耦合器是自動控制中常用的一種光電傳感器。它是由一個發(fā)光元件和一個光電元件同時密封在一個殼體內(nèi)組合而成的。根據(jù)密封外殼的材料不同分為金屬密封型和塑料密封型兩種，圖12.2.2（a）為金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)。

近年來，將發(fā)光元件、光敏元件、半導(dǎo)體集成電路做在同一塊半導(dǎo)體基片上的全集成化的光電耦合器，無論在靈敏度、傳輸效率和使用頻率等功能和性能方面都得到了進(jìn)一步的提高。

上一頁下一頁圖12.2.2

光電耦合器的結(jié)構(gòu)原理圖

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（a）金屬密封；（b）塑料密封1—發(fā)光二極管；2—透明絕緣體；3—光敏三極管；4—玻璃絕緣；5—黑色塑料；6—透明樹脂

12.2常規(guī)光電傳感器及其應(yīng)用二、輻射式光電比色高溫計輻射體的溫度不同，則光波長和顏色也就不同，光電比色計用濾色片或光柵和光電元件的頻譜特性來實現(xiàn)輻射光的不同波長之光電能量轉(zhuǎn)換，以兩個不同波長的輻射能量之比來測量輻射體的溫度，如圖12.2.4所示。三、光電式轉(zhuǎn)速計光電轉(zhuǎn)速計將轉(zhuǎn)速的變化變換成光通量的變化，再經(jīng)過光電元件轉(zhuǎn)換成電量的變化。根據(jù)其工作方式又可分為反射型和直射型兩種。反射型光電轉(zhuǎn)速計的工作原理如圖12.2.5（a）所示。直射式光電轉(zhuǎn)速計的工作原理如圖12.2.5（b）所示。

上一頁返回圖12.2.4光電比色高溫計的原理結(jié)構(gòu)圖返回1—物鏡；2—平行平面玻璃片；3—光闌；4—光導(dǎo)棒；5—瞄準(zhǔn)反射鏡；6—分光鏡；7—濾色片；8—硅光電池；9—濾色片；10—硅光電池；11—圓柱反射鏡；12—目鏡；13—棱鏡；14、15—硅光電池負(fù)載電阻；16—可逆電動機(jī)；17—放大器圖12.2.5光電式轉(zhuǎn)速計

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（a）反射型；（b）直射型

1—轉(zhuǎn)軸；2—透鏡；3—光源；4—光電元件；

5—聚焦透鏡；6—膜片；7—聚光鏡

12.3紅外傳感器

紅外光又稱紅外輻射，用于檢測紅外輻射的光電傳感器叫紅外傳感器。紅外輻射技術(shù)是一門迅速發(fā)展的新興技術(shù)，它已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研、軍事、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域，它是發(fā)展測量技術(shù)、遙感技術(shù)、空間技術(shù)、武器制導(dǎo)技術(shù)的重要手段。12.3.1

紅外光的特性

紅外光是太陽光譜紅光外面的不可見光，它的波長在10-1～103μm之間，頻率在3×1014～3×1011Hz范圍內(nèi)。紅外光和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。處于同一溫度下的幾個物體，各物體的發(fā)射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng)，這可用公式表示

Mλ=αMc

（12.3.1）不同物體的吸收（發(fā)射）本領(lǐng)是不同的，若以M表示某物體在溫度T時的單位時間和單位面積的紅外輻射總能量，則有

M=σεT4(W/cm2)（12.3.2）

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12.3紅外傳感器

物體熱輻射的電磁波中包含著各種波長的電磁波，而其峰值輻射波長λm與物體自身的絕對溫度T成反比，即

λm=2897/T(μm)（12.3.3）12.3.2紅外光探測器的分類和特點

將紅外光輻射量的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化的裝置稱為紅外傳感器或紅外探測器，按其工作原理可分為熱敏檢測器和光電探測器兩類。前者也稱為被動紅外探測器，后者又稱為主動紅外探測器。一、紅外探測器的光學(xué)系統(tǒng)紅外探測器是由光學(xué)系統(tǒng)、檢測元件、前置放大器和調(diào)制器組成。按光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造不同，又可分為透射式和反射式兩類。圖12.3.2為透射式光學(xué)系統(tǒng)的紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖，圖12.3.3為反射式光學(xué)系統(tǒng)的紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖。

上一頁下一頁圖12.3.2透射式紅外探測器示意圖返回1—光管；2—保護(hù)窗口；3—光柵；4—透鏡；5—浸沒透鏡；6—檢測元件；7—前置放大器

圖12.3.3反射式紅外探測器示意圖

返回1—浸沒透鏡；2—檢測元件；3—前置放大器；4—次反射鏡；5—主反射鏡

12.3紅外傳感器

二、熱敏探測器熱敏探測器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，它采用熱敏元件來接受紅外光的熱輻射，因此它的響應(yīng)時間長，一般在毫秒數(shù)量級以上。另一方面，不管是什么波長的紅外輻射，只要功率相同，對物體的加熱效果也相同。假如熱敏元件對于任何波長的紅外輻射都能全部吸收，則熱敏探測器對入射光的各種波長基本上都具有相同的響應(yīng)，因此也稱這類探測器為無選擇性紅外探測器。

三、光電探測器它是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成的。由于采用光敏元件，因此它的響應(yīng)時間要比熱敏探測器短，最短可達(dá)ns數(shù)量級。此外，為使物體內(nèi)部的電子改變運(yùn)動狀態(tài)，入射光的光子能量必須足夠大，也就是說它的頻率必須要大于某一值，能引起光電效應(yīng)的輻射有一個最長的波長限存在。

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12.3紅外傳感器光電紅外探測器又因使用的光敏元件種類不同而分成光電導(dǎo)型和光生伏特（光電池）型。1．光電導(dǎo)型紅外探測器它是把一個半導(dǎo)體光敏電阻R與一個固定電阻Rfx相串聯(lián)后，接到一恒定的直流電源E上，如圖12.3.5所示。2．光電池型紅外探測器光電池型紅外探測器與上述光導(dǎo)型在原理上沒有太大差別，后者只是將光敏電阻換成光電池。由于光電池是發(fā)電型元件，因此理論上講不加偏壓也能工作，但一般還是在加一定的反向偏壓的條件下工作，以提高其靈敏度。此外光電池型探測器的探測率與響應(yīng)時間無關(guān)，與光導(dǎo)型相比，在同樣探測率情況下，它的響應(yīng)時間可短得多，從而擴(kuò)大了它可使用的范圍。上一頁下一頁圖12.3.5光電轉(zhuǎn)換電路

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12.3紅外傳感器12.3.3應(yīng)用實例紅外檢測除已廣泛應(yīng)用于測溫外，還可用于無損探傷、氣體分析、熱像檢測、紅外遙感及軍事目標(biāo)的偵察、搜索、跟蹤和通訊等諸多方面，下面僅舉幾個應(yīng)用實例。一、紅外溫度檢測任何物體只要它的溫度不是絕對零度，都不斷地向外發(fā)射紅外光，物體溫度越高，發(fā)射功率也越大，只要知道物體的溫度和它的比輻射率就可算出它的輻射功率；反之，如果測出物體的輻射功率，就可確定它的溫度。這就是紅外測溫的基本原理。其原理示意圖如圖12.3.6所示。紅外測溫一般有亮度測溫和比色測溫兩種方法。紅外測溫一般有亮度測溫和比色測溫兩種方法。

上一頁下一頁圖12.3.6紅外測溫裝置示意圖

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12.3紅外傳感器（1）亮度測溫在測溫過程中，測溫元件的視場要輪流地對準(zhǔn)目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)黑體，隨時校正裝置的靈敏度，以免檢測裝置性能改變而影響檢測結(jié)果。這樣測得的溫度稱為亮度溫度，它比物體的實際溫度要小。要得到物體的真實溫度，還必須對比輻射率進(jìn)行校正。（2）比色測溫這在前面已有介紹。在這里是分別測量目標(biāo)輻射和標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射中的一個單色輻射功率，用兩者之比來代替上述方法中的輻射功率，進(jìn)行溫度標(biāo)定并確定所測物體的溫度。圖12.3.7為用于各種戶內(nèi)、戶外高壓電氣設(shè)備導(dǎo)電接頭處發(fā)熱帶電檢測的紅外測溫儀的電路系統(tǒng)原理框圖。二、

紅外無損探傷

紅外探傷的特點是加熱和探傷設(shè)備比較簡單、效率高，因而被廣泛應(yīng)用于諸如金屬陶瓷、塑料、橡膠等各種材料中的裂縫、孔洞、異物、氣泡、截面不均勻等各種缺陷的檢測中，還可用它來檢查電子器件和電路的可靠性。上一頁下一頁圖12.3.7紅外測溫儀電路系統(tǒng)原理框圖

返回1—輸入回路；2—前置級；3—選頻級；4—移相級；5—輸出級；6—相敏整流；7—調(diào)制器；8—電源；9—調(diào)制片；10—顯示器

12.3紅外傳感器三、紅外自尋的制導(dǎo)系統(tǒng)