1、傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器,光敏傳感器能對光信號的變化作出迅速反應(yīng)，并將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；光信號具有粒子性，由光?h)組成，具有一定的能量，光敏傳感器就是將光能變換為相應(yīng)電能的裝置，又稱光電式傳感器。按工作原理可分四類：A.因光照射引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)=外光電效應(yīng):在光照射下，某些材料中的電子逸出表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射現(xiàn)象，也稱光電發(fā)射效應(yīng)。如：光電二極管；光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng):光照射半導(dǎo)體材料時(shí),材料吸收光子而產(chǎn)生電子-孔穴對,使導(dǎo)電性能加強(qiáng)，電導(dǎo)率增加，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，或內(nèi)光電效應(yīng)。如：光導(dǎo)管；光敏電阻；光電池和光敏三極管等。B.紅外熱釋電探測器:利用輻

2、射的紅外光(熱)照射材料時(shí)引起材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化或產(chǎn)生熱電動(dòng)勢原理制成的一類器件。C.CCD圖像傳感器；MOS圖像傳感器(自掃描光電二極管陣列SSPA)(電荷藕合器件圖像傳感器CCD-ChargeCoupledDevice)D.光纖傳感器,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器外光電效應(yīng)及器件,外光電效應(yīng):在光照射下，某些材料中的電子逸出表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射現(xiàn)象，也稱光電發(fā)射效應(yīng)。愛因斯坦假設(shè)：一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量，一部分用以克服物質(zhì)對電子的束縛（即表面逸出功F），一部分轉(zhuǎn)化為電子的能量，且此過程必須滿足能量守恒定律。若電子得到的能量全部變?yōu)殡娮拥膭?dòng)能，則光電子的最大動(dòng)能為：其中：F為

3、金屬逸出功，g0為產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率，g為入射光的頻率，m為電子的質(zhì)量=光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。給發(fā)射材料上放置一個(gè)電子接收板連成一個(gè)光電發(fā)射檢測裝置，如圖所示，測定逸出電子隨光的強(qiáng)度、頻率的變化情況。若入射光的頻率一定或頻譜成分不變時(shí)，飽和光電流I的大小與光強(qiáng)成正比。(光強(qiáng)大,光子數(shù)多)若入射光子的能量hg小于hg0即ll0時(shí)，光電流都為零。由此說明光的波長必須小于l0才能產(chǎn)生光電子，=極限頻率g0。,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器外光電效應(yīng)及器件,光電發(fā)射二極管:將檢測裝置中發(fā)射電子的極板稱為陰極，吸收電子的極板稱為陽極，且將兩者封于同一殼內(nèi)，連

4、上電極，就成為光電二極管。按光電發(fā)射二極管的原理可以分為真空光電二極管和充氣光電二極管兩類。真空光電二極管：,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器外光電效應(yīng)及器件,真空光電二極管的伏安特性：在020V范圍內(nèi),陽極電壓增大,光電子達(dá)到陽極的數(shù)目也增大,陽極電流增大;當(dāng)陽極電壓大于20V后,幾乎全部發(fā)射電子都已到達(dá)陽極,電壓再增大,電流幾乎不變,曲線平坦,此部分稱飽和區(qū),一般工作電壓選擇在飽和區(qū),但要盡量小些。而隨著光強(qiáng)的增加,產(chǎn)生的光電子數(shù)就增多,所以光電流與光強(qiáng)成正比。實(shí)際工作中，陽極負(fù)載電阻RL不能太大，因?yàn)殡姌O間有雜散電容，則其充電常數(shù)=RLC；降低頻響。但電阻也不能太低，一般應(yīng)大于0.05

5、歐姆，電容亦不能低于幾個(gè)皮法，否則輸出信號將太小。,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器外光電效應(yīng)及器件,充氣光電二極管：結(jié)構(gòu)與真空光電二極管類似，只是管殼內(nèi)充有低壓惰性氣體(氬氣和氖氣)光照射到陰極產(chǎn)生光電子，陽極電壓使其加速，加速的電子使氣體分子電離，形成更多的電子和離子，這些電子和離子又被加速，與另外的氣體分子碰撞使其電離，產(chǎn)生更多電子，即發(fā)生了倍增效應(yīng)，此外，氣體電離的正離子又與陰極碰撞產(chǎn)生光電子，因此達(dá)到陽極的電子數(shù)目比真空二極管所產(chǎn)生的電子數(shù)目大很多，相當(dāng)于具有一定的放大倍數(shù)，可達(dá)10倍左右。比較右圖所示的伏安特性可知，充氣光電二極管的靈敏度高，但其靈敏度隨電壓顯著變化，使其穩(wěn)定性和

6、頻率特性都比真空光電二極管差，所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇合適的電壓。大多數(shù)金屬的光譜響應(yīng)都在紫外或遠(yuǎn)紫外，只適于做紫外靈敏的光電器件。對于半導(dǎo)體光電材料,在絕對零度時(shí),光電逸出功較小，對可見光、紅外光都很靈敏。,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器外光電效應(yīng)及器件,光電倍增管：光照射到陰極上產(chǎn)生光電子，光電子在真空中電場的作用下被加速而投射到第一個(gè)打拿極上，一個(gè)光電子可以產(chǎn)生多個(gè)電子，多次被加速而激發(fā)打拿極后電子數(shù)目得到倍增。電極電位從陰極到陽極經(jīng)過各個(gè)打拿極逐級升高。,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器光電導(dǎo)效應(yīng)器件及其應(yīng)用,光電導(dǎo)效應(yīng)：光照射半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子而產(chǎn)生電子-孔穴對，使導(dǎo)電性

7、能加強(qiáng)，電導(dǎo)率增加，人們把這種光照后電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。該過程在半導(dǎo)體材料內(nèi)進(jìn)行的，故又稱為內(nèi)光電效應(yīng)。光敏電阻器：光敏電阻器就是利用光敏材料的內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電元件。典型結(jié)構(gòu)如右圖所示：,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器光電導(dǎo)效應(yīng)器件及其應(yīng)用,光敏電阻的參數(shù)及特性暗電阻R0：在全暗條件下測得的電阻值，一般超過1M,甚至高達(dá)100M;亮電阻RL：受到光照時(shí)測得的電阻值，一般在幾千歐以下，此時(shí)電路中的電流叫做亮電流；亮電流與暗電流之差叫做光電流。暗電阻與亮電阻之比一般在102106之間。光電靈敏度：電壓相對靈敏度Ks=在單位外加電壓下入射單位光通量時(shí)所輸出的光電流值：Ks=I

8、L/(U)；積分靈敏度S積=單位光通量入射時(shí)，電阻值的相對變化率：S積=(RT-RC)/(RC),光敏電阻的伏安特性,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器光電導(dǎo)效應(yīng)器件及其應(yīng)用,光敏電阻的光譜特性,響應(yīng)時(shí)間和頻率特性,光譜溫度特性,光敏電阻的光照特性,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器光電導(dǎo)效應(yīng)器件及其應(yīng)用,光敏電阻的應(yīng)用：自控照明裝置,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器光電導(dǎo)效應(yīng)器件及其應(yīng)用,光敏電阻的應(yīng)用：曝光定時(shí)電路,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器光生伏特效應(yīng)器件,光生伏特效應(yīng)：早期利用光照射半導(dǎo)體材料的一端，在兩端可以測量到電位差的光生伏特效應(yīng)現(xiàn)象(稱為丹倍效應(yīng))，制成光生伏特效應(yīng)器

9、件。目前應(yīng)用較多的是利用光照PN結(jié)后，而在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(可用作電壓源)的光生伏特效應(yīng)現(xiàn)象，制成很多光生伏特效應(yīng)器件。無光照時(shí)：I=Is(eqV/kT-1)其中Is為反向飽和電流；V為PN結(jié)上的正向壓降；有光照時(shí)：I=Is(eqV/kT-1)-IL其中IL為光電流；由上式可見當(dāng)V=0，即PN接短路時(shí)，I=IL當(dāng)PN結(jié)斷路時(shí)：I=Is(eqV/kT-1)-IL=0=,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器光生伏特效應(yīng)器件,主要光生伏特探測器：1.結(jié)光電池光照強(qiáng)度與開路電壓的關(guān)系：因?yàn)楣庹諒?qiáng)度越大，產(chǎn)生的電子孔穴對越多，光電流越大，運(yùn)動(dòng)到PN結(jié)邊界的電荷量增加，VOC增加。伏安特性(如前圖)給P

10、N結(jié)加反偏電壓，可以使IL大大增加；反向工作電壓是指無光照且反向電流ID0.20.3uA時(shí)，允許的最高反向工作電壓，為10V左右。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：無光照時(shí)反向電壓下的電流為暗電流(即是反向飽和電流)，一般ID=0.1uA;在一定反向電壓下，光電流IL與光強(qiáng)成正比，一般可達(dá)十幾微安。2.PIN管3.雪崩光電二極管(PDA),傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器光生伏特效應(yīng)器件,主要光生伏特探測器：4.光電三極管,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器光生伏特效應(yīng)器件,光生伏特效應(yīng)器件的應(yīng)用光敏二極管的應(yīng)用；光電池的應(yīng)用,調(diào)節(jié)控制器光電池、蓄電池組和負(fù)載連接起來，實(shí)現(xiàn)充放自動(dòng)控制的中間控制器。在充電電壓達(dá)到蓄

11、電池上限電壓時(shí)，它能自動(dòng)切斷充電電路。當(dāng)蓄電池電壓低于下限值時(shí)，能自動(dòng)切斷輸出電路。,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器光生伏特效應(yīng)器件,光電耦合器件的應(yīng)用把發(fā)光器件與光接收器件組裝在同一密閉管殼內(nèi)，或用一根光導(dǎo)纖維把兩部分連接起來的器件稱為光電耦合器件。,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器光生伏特效應(yīng)器件,光敏三極管的應(yīng)用脈沖編碼器：光電轉(zhuǎn)速傳感器：,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器光生伏特效應(yīng)器件,光敏三極管的應(yīng)用聽指揮的紅外線光控玩具汽車：,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器光生伏特效應(yīng)器件,聽指揮的紅外線光控玩具汽車：,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器管道內(nèi)蓬松狀物流監(jiān)測系統(tǒng),*,

12、傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器管道內(nèi)蓬松狀物流監(jiān)測系統(tǒng),*,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器管道內(nèi)蓬松狀物流監(jiān)測系統(tǒng),*,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器管道內(nèi)蓬松狀物流監(jiān)測系統(tǒng),*,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器管道內(nèi)蓬松狀物流監(jiān)測系統(tǒng),*,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器管道內(nèi)蓬松狀物流監(jiān)測系統(tǒng),*,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器管道內(nèi)蓬松狀物流監(jiān)測系統(tǒng),*,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器管道內(nèi)蓬松狀物流監(jiān)測系統(tǒng),*,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器管道內(nèi)蓬松狀物流監(jiān)測系統(tǒng),*,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器管道內(nèi)蓬松狀物流監(jiān)測系統(tǒng),*,傳感器原理及應(yīng)用,第2章

13、光敏傳感器管道內(nèi)蓬松狀物流監(jiān)測系統(tǒng),*,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器管道內(nèi)蓬松狀物流監(jiān)測系統(tǒng),*,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器管道內(nèi)蓬松狀物流監(jiān)測系統(tǒng),*,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器管道內(nèi)蓬松狀物流監(jiān)測系統(tǒng),*,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器智能紅外遙控器的設(shè)計(jì),紅外遙控是以紅外線為載體來傳送遙控命令的。紅外線的波長介于紅光和微波之間，0.773um=近紅外區(qū)；330um為中紅外區(qū)，301000um為遠(yuǎn)紅外區(qū)。紅外線在通過云霧塵埃等充滿懸浮粒子的物質(zhì)時(shí)不易發(fā)生散射，有較強(qiáng)的穿透能力，還具有不易受干擾，易于產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于遙控裝置。紅外發(fā)光二極管IRLED=In

14、fraredLightEmittingDiode人類視覺靈敏度最高：555nm=綠光；650nm=紅光降低約10%大多數(shù)紅外受光在波長900nm附近靈敏度最高；,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器智能紅外遙控器的設(shè)計(jì),紅外接收器件：光電二極管PIN光電二極管：與普通光電二極管相比：靈敏度高，響應(yīng)速度快是目前紅外遙控裝置中最普遍使用的。光敏三極管：結(jié)構(gòu)模型及符號,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器智能紅外遙控器的設(shè)計(jì),紅外接收器件：,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器智能紅外遙控器的設(shè)計(jì),紅外接收放大電路：簡單的紅外接收放大電路采用復(fù)合管的紅外接收放大電路,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器智能紅外遙控器的設(shè)計(jì),紅外接收放大電路：由運(yùn)放組成的放大電路：,傳感器原理及應(yīng)用,第2章光敏傳感器智