1、第9章 光學(xué)傳感器,第9章 光學(xué)傳感器,光學(xué)傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種傳感器。用這種傳感器測(cè)量其它非電量（如轉(zhuǎn)速、濁度）時(shí)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。 測(cè)量方法具有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)。,第一節(jié) 光電傳感器,光電傳感器，也稱為光敏傳感器。是以光為媒介、以光電效應(yīng)為物理基礎(chǔ)的一種能量轉(zhuǎn)換器件，是利用光敏材料的光學(xué)效應(yīng)制作的光敏器件。 常見(jiàn)的光電傳感器有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電池、光電二極管、光電三極管以及光電耦合器件。,一束光是由一束以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。 光子具有能量，每個(gè)光子具有的能量由下式確定：,E=h,式中： h普

2、朗克常數(shù)=6.62610-34(Js) 光的頻率（s-1）。,一、光電效應(yīng),光照射到物體上，可以看作一連串能量為E的光子轟擊到物體上，光電效應(yīng)就是由于物體吸收了光子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電效應(yīng)常分為內(nèi)、外光電效應(yīng)兩大類。,一、外光電效應(yīng)(external photo electric effect) 當(dāng)光照射某種物質(zhì)時(shí)，若入射的光子能量hv足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，致使電子逸出物質(zhì)表面，這種現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng)。,外光電效應(yīng)電子能量的轉(zhuǎn)換公式為：,公式表明，入射光子的能量必須大于逸出功，才能使電子有足夠的動(dòng)能逸出表面。逸出的電子數(shù)越多，產(chǎn)生的光電流也越大。 基于外光電效

3、應(yīng)的光電變換器件有光電管、光電倍增管等。,光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出。,當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。,二、內(nèi)光電效應(yīng)(internal photo electric effect) 當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照射時(shí)，由于對(duì)光子的吸收，會(huì)

4、在半導(dǎo)體材料內(nèi)部激發(fā)電子-空穴對(duì)，即載流子，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。,1光電導(dǎo)效應(yīng)(photo conductive effect) 光電導(dǎo)體受光線作用時(shí)，其電導(dǎo)率(電阻)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 基于此原理的光電器件有光敏電阻、光導(dǎo)管。,過(guò)程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。,導(dǎo)帶,價(jià)帶,禁帶,自由電子所占能帶,不存在電子所占能帶,價(jià)電子所占能帶,Eg,2光生伏特效應(yīng) 某

5、些半導(dǎo)體或電介質(zhì)材料，在光線作用下，產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。,在N型材料中，電子濃度大而空穴濃度??；在P型材料中，電子濃度小而空穴濃度大，在結(jié)區(qū)導(dǎo)致空穴從P區(qū)到N區(qū)，電子從N區(qū)到P區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從而形成內(nèi)電場(chǎng)，方向N區(qū)指向P區(qū)。,基于此原理的器件主要有光電池、光電二極管、光電三極管等等。,二、 光電器件的特性參數(shù),1、靈敏度(響應(yīng)度)k 光電器件輸出電壓Vs與入射光功率Ps之比，稱為靈敏度度k。即: k = Vs/Ps = Vs/(HAd) 式中, Vs是器件的輸出電壓；Ps為入射光敏面的輻射功率 Ad是器件受光面積；H為光敏面的輻射照度。 k的單位為(V/W)。 靈敏度k是

6、表征光電器件輸出信號(hào)能力的特征量。,2.光譜特性 光電器件的響應(yīng)度與入射波長(zhǎng)關(guān)系。 通常用直角坐標(biāo)的橫軸表示入射光的波長(zhǎng)(),而縱軸表示歸一化的響應(yīng)度。曲線描述不同波長(zhǎng)的入射光所產(chǎn)生器件響應(yīng)度的曲線。峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng),表征該器件對(duì)這一波長(zhǎng)最靈敏。響應(yīng)度下降到一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為截止波長(zhǎng)。光譜特性曲線給出光電器件的工作波長(zhǎng)范圍。,3.等效噪聲功率和探測(cè)度D 當(dāng)光輻射強(qiáng)度減小到某一值后，再繼續(xù)減小光輻射強(qiáng)度，其輸出信號(hào)也不會(huì)再減小，這時(shí)的輸出信號(hào)電壓為噪聲電壓。 由于噪聲的存在，對(duì)任何一個(gè)光電器件來(lái)說(shuō)，在檢測(cè)信號(hào)時(shí)都具有一個(gè)閾值，低于這個(gè)閾值的輻射信號(hào)時(shí)無(wú)法檢測(cè)到的。 入射到光電器件光

7、敏面上的輻射功率所產(chǎn)生的響應(yīng)電壓，恰好等于該器件的噪聲電壓值，那么這個(gè)輻射功率稱為等效噪聲功率，常用NEP表示。,4.響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間是描述光電器件對(duì)入射光輻射響應(yīng)快慢的參數(shù),也稱為時(shí)間常數(shù) 5線性度 線性度是指光電器件輸出光電流(或電壓)與輸入光功率成線性比例的程度和范圍。 6溫度特性 溫度的變化，將會(huì)引起光電器件光、電性質(zhì)的改變，是引起測(cè)量系統(tǒng)靈敏度不穩(wěn)定的一個(gè)重要因素。,光電管和光電倍增管都是基于外光電效應(yīng)的光電器件。其內(nèi)部的金屬感光材料在受到光照后向外發(fā)射電子，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的電子數(shù)量與光照強(qiáng)度有關(guān)，發(fā)射電流反映了光照的強(qiáng)度。,一、光電管(phototube),1. 結(jié)構(gòu)與工作原理,

8、光電管由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有感光材料。陽(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。,三、光電管和光電倍增光及其應(yīng)用,不同的感光材料所敏感的光波長(zhǎng)不同，即具有不同的光譜特性。,當(dāng)光線照射到感光材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。,3.7.3 光電管、光電倍增管,注意：陽(yáng)極接電源正極，陰極接電源負(fù)極。,光電器件的性能主要由伏安特性、光電特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測(cè)率和溫度特性來(lái)描述。,2. 基本特性,（1） 光電管的伏安特性 照射光通量一定時(shí)，陽(yáng)極與陰極之間電壓

9、與光電流的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。 極間電壓較小時(shí)光電流很快增加；當(dāng)極間電壓達(dá)到40V左右時(shí)進(jìn)入飽和區(qū)。,光電管的伏安特性,50,20lm,40lm,60lm,80lm,100lm,120lm,100,150,200,0,2,4,6,8,10,12,陽(yáng)極與末級(jí)倍增極間的電壓/V,IA/ A,（2）光電管的光電特性 通常指當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光電特性。,其特性曲線如圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光電特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電

10、管的靈敏度。,光電管的光電特性,25,50,75,100,2,0,0.5,1.5,2.0,/1m,IA/ A,1.0,2.5,1,（3）光電管光譜特性 光譜特性指在單位輻射通量，不同波長(zhǎng)的光照射光管時(shí)，產(chǎn)生的飽和光電流和光波波長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線。 光譜特性主要決定于陰極材料。,若在真空光電管中充入低壓惰性氣體，在陰極和陽(yáng)極之間供給直流電壓E，陽(yáng)極接電源正極，陰極接電源負(fù)極，則陰極發(fā)出的電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中要撞擊惰性氣體，使其發(fā)生電離。由電離產(chǎn)生的電子和光電子一起都被陽(yáng)極接收，正離子卻反向運(yùn)動(dòng)被陰極接收。使光電流增加，提高了靈敏度。這種充入低壓惰性氣體的光電管稱為充氣光電管。,3.充氣光電管,

11、真空光電管的優(yōu)點(diǎn)：在很寬的光強(qiáng)范圍內(nèi)，輸入光強(qiáng)與輸出電流成正比，測(cè)量精確度高，缺點(diǎn)：靈敏度低。,二、光電倍增管(PMT),當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾A，不容易探測(cè)，需要用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大。 1.光電倍增管結(jié)構(gòu)和工作原理,由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽(yáng)極三部分組成。,光電倍增管也有一個(gè)陰極K，一個(gè)陽(yáng)極A。與光電管不同的是，在它的陰極和陽(yáng)極之間設(shè)置許多次發(fā)射電極D1、D2、D3，它們又稱為第一倍增極、第二倍增極，相鄰的電極間通常加上100伏左右的電壓。,當(dāng)微弱光線照射陰極K時(shí)，從陰極K上逸出的光電子被第一倍增極D1所加速，以高速轟擊D1,入射光電子的能量傳

12、遞給D1表面的電子，使它們由D1表面逸出，這些電子稱為二次電子，一個(gè)入射光電子可以產(chǎn)生多個(gè)二次電子。 D1發(fā)射出來(lái)的二次電子被D1、D2間的電場(chǎng)加速，射向D2, 并再次產(chǎn)生二次電子發(fā)射，得到更多的二次電子，這樣逐級(jí)前進(jìn)，一直到最后到達(dá)陽(yáng)極A為止。若每級(jí)的二次電子發(fā)射倍增率為，共有n級(jí)（通?？蛇_(dá)911級(jí)），則光電倍增陽(yáng)極得到的光電流比普通光電管大n倍，因此，光電倍增管靈敏度極高。,（1）靈敏度 靈敏度是衡量光電倍增管探測(cè)光信號(hào)能力的一個(gè)重要參數(shù)。 指照射的每單位光通量使陽(yáng)極產(chǎn)生的飽和光電流值，也可理解為入射一個(gè)光子后在陽(yáng)極上能收集到的平均電子數(shù)。 光電倍增管對(duì)不同頻率的輻射光其靈敏度是不一樣的，

13、提到靈敏度應(yīng)注明是何種光的靈敏度。,2. 主要參數(shù),（2）暗電流 當(dāng)光電倍增管加有一定的工作電壓，但完全沒(méi)有光照射時(shí)，陽(yáng)極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場(chǎng)致發(fā)射造成的，這種暗電流通常可以用補(bǔ)償電路消除。 暗電流決定了管子可檢測(cè)光通量的閾值。,（三）光電管、光電倍增管的應(yīng)用,光電管多用于光信號(hào)較強(qiáng)的光學(xué)分析儀器。 光電倍增管廣泛用于弱光線的測(cè)量,尤其是對(duì)各種射線的探測(cè)。,分光光度計(jì)的測(cè)量原理,利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見(jiàn)的有光敏電阻、光電池等。 一、光敏電阻 當(dāng)光輻射于光敏電阻時(shí)，在光敏電阻的內(nèi)部，由光生載流子變化會(huì)引起器件的電導(dǎo)率

14、發(fā)生變化，電導(dǎo)率發(fā)生變化會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與光輻射度有光的電信號(hào)。 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過(guò)載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等。 不足：需要外部電源，有電流時(shí)會(huì)發(fā)熱。,內(nèi)光電效應(yīng)器件,光敏電阻又稱光導(dǎo)管, 它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。 光敏電阻沒(méi)有極性, 純粹是一個(gè)電阻器件, 使用時(shí)既可加直流電壓, 也可以加交流電壓。 無(wú)光照時(shí), 光敏電阻值（暗電阻）很大, 電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí), 它的阻值（亮電阻）急劇減少, 電路中電流迅速增大。 一般希望暗電阻越大越好, 亮電阻越小越好,此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。 實(shí)際光敏電阻

15、的暗電阻值一般在兆歐級(jí), 亮電阻在幾千歐以下。,為了防止周圍介質(zhì)的影響, 在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜, 漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。,光敏電阻的結(jié)構(gòu) 它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì), 半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極, 金屬電極與引出線端相連接, 光敏電阻就通過(guò)引出線端接入電路。,2 光敏電阻的主要參數(shù) ） 暗電阻 光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻, 此時(shí)流過(guò)的電流稱為暗電流。 ） 亮電阻 光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻, 此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流。 ） 光電流 亮電流與暗電流之差稱為光電流。,3 光敏電阻的基本特性 1） 伏安特性： 在一定照射度下， 流過(guò)

16、光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系。 光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其I-U曲線為直線，說(shuō)明其阻值與入射光量有關(guān)，與電壓和電流無(wú)關(guān)。,2） 光譜特性 光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光譜特性。 亦稱為光譜響應(yīng)。,同一種材料，對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光，其相對(duì)靈敏度不同，響應(yīng)電流不同。 應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)，選擇合適的光電元件（匹配）使光電元件得到較高得相對(duì)靈敏度。,光敏電阻的光譜特性,3） 溫度特性 溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)。 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線, 它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方,向移動(dòng)。因此, 硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。 對(duì)于可見(jiàn)光的光敏電阻, 其溫

17、度影響要小一些。,光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。 光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源, 電路中有了這種器件就不需要外加電源。 1、定義 光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。當(dāng)它受到光照時(shí)不需再外加其他任何形式的能量就會(huì)產(chǎn)生電流輸出。其輸出電流與接收的光照有一定的關(guān)系，可以反映光照的強(qiáng)度。 光電池可分為兩類：一是利用pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)效應(yīng)制成的光電池，二是利用半導(dǎo)體與金屬接觸產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)制成的光電池。,3.7.4 光電池,二、光電池,2、工作原理,光電池的結(jié)構(gòu)圖,硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖。它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)。,光電池的工作原理示意圖

18、,若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來(lái)，電路中就有電流流過(guò)。若將外電路斷開(kāi)，就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。,是在一塊N型(或P)硅片上，用擴(kuò)散的方法摻入一些P型(或N)雜質(zhì)，而形成一個(gè)大面積的PN結(jié)。當(dāng)入射光照在PN結(jié)上時(shí)，PN結(jié)附近激發(fā)出電子空穴對(duì)，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，電子和空穴分別向N區(qū)和P區(qū)移動(dòng)，形成與光照強(qiáng)度有關(guān)的光電動(dòng)勢(shì)。,(1)光譜特性 指相對(duì)靈敏度和入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系,2. 基本性能,硅光電池適用的光波長(zhǎng)在0.41.2m范圍內(nèi),最大靈敏峰在0.8m左右; 硒光電池適用的光波長(zhǎng)在0.30.7m范圍內(nèi),最大靈敏峰在0.5m左右。,L/klx,L/klx,5,4,3,2,1,0,0.1,0.2,0.3,0

19、.4,0.5,2,4,6,8,10,開(kāi)路電壓,Uoc /V,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.3,0.1,0,1,2,4,5,Uoc/V,Isc /mA,Isc/mA,(a) 硅光電池,(b)硒光電池,（2）光照特性 開(kāi)路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和。 短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線,開(kāi)路電壓,短路電流,短路電流,短路電流，指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。 下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻RL越小，光電流與

20、強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。,0,2,4,6,8,10,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,I/mA,L/klx,50,100,1000,5000,RL=0,(3) 頻率特性 頻率響應(yīng)就是指相對(duì)輸出電流與光調(diào)制頻率的關(guān)系。 由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。,20,40,60,80,100,0,I / %,1,2,3,4,5,1,2,f / kHz,1硒光電池 2硅光電池,（4）溫度特性 光電池的溫度特性是指開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。開(kāi)路電壓隨溫度增加而下降的速度較快，而短路電流隨溫度上升而增加的速度卻很緩慢。因此，當(dāng)光電池作為測(cè)

21、量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。,20,0,40,60,90,40,60,UOC/ mV,T / C,ISC,UOC,ISC / A,600,400,200,UOC開(kāi)路電壓,ISC 短路電流,硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線,基本工作原理是當(dāng)光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，在反向電壓的作用下，其反向電流隨光照度變化而變化，由此實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能。,三、光電二極管（光敏二極管）,1.結(jié)構(gòu)與原理 光電二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管一樣，都有一個(gè)PN結(jié)，兩根電極引線，裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。,沒(méi)有光照射時(shí)，處于反向偏置的光電二極管，工作于截止

22、狀態(tài), 這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，形成微小的反向電流即暗電流。這時(shí)反向電阻很大。 當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí), 光子打在PN結(jié)附近, PN結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在外電場(chǎng)的作用下，載流子作定向運(yùn)動(dòng)使通過(guò)PN結(jié)的反向電流大為增加，形成光電流。這時(shí)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光的照度越大, 光電流越大。,光電二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。,（1） PIN管光電二極管 PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于 I 層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。,P-Si,N-Si

23、,I-Si,PIN管結(jié)構(gòu)示意圖,在PN結(jié)的P區(qū)外增加一層摻雜濃度極高的P +層，且在其上加上高反偏壓。,雪崩式二極管,（2） 雪崩光電二極管(APD),當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)， 光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。如果電壓增加到使電場(chǎng)達(dá)到200 kV/cm以上，初始電子（一次電子）在高電場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。 新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，,3、光電二極管的特性,1）光譜特性 光電二極管具有一定的光譜響應(yīng)范圍。 在0.4-1.1m的范圍內(nèi)，硅光電二極管對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光的光敏

24、響應(yīng)靈敏度是不同的。 最高響應(yīng)靈敏度所對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng)。,2）光照特性,暗電流iD:在無(wú)光射的條件下，加有一定的反向工作電壓的光電二極管的反向電流。暗電流越小越好。 光電流IL：在受到一定光照的條件下，加有一定的反向工作電壓的光電二極管中所流過(guò)的電流。一般光電流越大越好。光的照度越大, 光電流越大。,3）伏安特性,對(duì)光敏二極管施加正向電壓時(shí),正向電流將幾乎隨電壓升高而按指數(shù)規(guī)律上升。如同導(dǎo)通的二極管，不可用于光電測(cè)量。,光敏二極管的伏安特性曲線,施加反向電壓： 無(wú)光照時(shí),光電二極管的電壓-電流特性與一般二極管一樣 當(dāng)入射光照加強(qiáng)時(shí)，反向電流隨入射光照度的增強(qiáng)而增大,在一定的反向電壓

25、范圍內(nèi),反向電流的大小幾乎與反向電壓的高低無(wú)關(guān),但是與光照度成比例。 結(jié)論：在入射光照度一定的條件下,反向偏置的光敏二極管相當(dāng)于一個(gè)恒流源。,4）響應(yīng)時(shí)間,光電二極管對(duì)入射光信號(hào)的反應(yīng)速度，可用響應(yīng)時(shí)間t來(lái)表示。 響應(yīng)時(shí)間主要是由光電二極管的結(jié)構(gòu)決定，但是外電路參數(shù)的選擇，也會(huì)影響其響應(yīng)時(shí)間。,RB很小，可忽略。,當(dāng)負(fù)載電阻減小時(shí)，就能減小時(shí)間常數(shù)，從而減小響應(yīng)時(shí)間，改善頻率響應(yīng)。,4、光電二極管的測(cè)量電路,光電二極管測(cè)量電路,3、光電三極管 光電三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，只是集電結(jié)面積較大，發(fā)射結(jié)較小，以擴(kuò)大光的照射面積，且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正

26、電壓，基極開(kāi)路時(shí)，集電極處于反向偏置狀態(tài)。,2、光電三極管的主要特性：,在一定光照功率下光靈敏度與波長(zhǎng)之間的關(guān)系。 與二極管相同,（1）光譜特性,相對(duì)靈敏度/%,硅,鍺,入射光,/,4000,8000,12000,16000,100,80,60,40,20,0,光敏晶體管的光照特性,I / A,L/lx,200,400,600,800,1000,0,1.0,2.0,3.0,（2）光照特性 光電三極管的光照特性如圖所示。它給出了光電三極管的光電流 I 和光照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大(幾klx)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開(kāi)關(guān)元件。,

27、0,500lx,1000lx,1500lx,2000lx,2500lx,I/mA,2,4,6,20,40,60,80,光敏晶體管的伏安特性,（3）伏安特性,在一定照度下輸出電壓與輸出電流關(guān)系稱作伏安特性（輸出特性）。 光電三極管的伏安特性與一般晶體管相似，不同處是每條曲線的參變量不是基極電流是入射光照度。,U/V,暗電流/mA,光電流/mA,10,20,30,40,50,60,70,T /C,25,0,50,100,0,200,300,400,10,20,30,40,50,60,70,80,T/C,光敏晶體管的溫度特性,（4）溫度特性 光電三極管的溫度特性曲線反映的是暗電流及光電流與溫度的關(guān)系

28、。從特性曲線可以看出，溫度變化對(duì)光電流的影響很小，而對(duì)暗電流的影響很大。所以電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。,3、生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用 光電式脈搏波傳感器,原理：是利用光電信號(hào)來(lái)測(cè)量脈搏容積的變化。當(dāng)血管內(nèi)血容量變化時(shí),組織對(duì)光的吸收程度相應(yīng)發(fā)生變化,利用光電傳感器可測(cè)出這種變化，反映出血液脈動(dòng)的基本參數(shù)情況（包括頻率，幅度，脈搏波形狀的改變）。,(a) 透射式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和應(yīng)用圖 (b)反射式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和應(yīng)用于腦血氧的應(yīng)用圖,光電耦合器件是由發(fā)光元件(如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件。 發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體發(fā)光二極管；

29、接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅。 根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測(cè)有無(wú)物體的光電開(kāi)關(guān)。,第二節(jié) 光電耦合器件,1. 光電耦合器 電耦合器的發(fā)光元件和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，發(fā)光源的管腳為輸入端，光敏器件的管腳為輸出端。 當(dāng)輸入端有信號(hào)時(shí)，發(fā)光源發(fā)光，光敏元件在光照作用下產(chǎn)生光電流，由輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)以光為媒介的電信號(hào)的傳輸。 工作原理：發(fā)光器件通常采用發(fā)光二極管，其管芯由一個(gè)PN結(jié)組成，發(fā)光的強(qiáng)度隨電流的增加而增加。輸出端的光敏器件將光信號(hào)檢測(cè)后變?yōu)殡娏鬏敵觥９怆娊邮赵梢允枪饷舳O管和光敏三極管，也可以是達(dá)林頓光敏管。,光電耦合

30、器組合形式,如圖為光敏三極管和達(dá)林頓光敏管輸出型的光電耦合器。為了保證光電耦合器有較高的靈敏度， 應(yīng)使發(fā)光元件和接收元件的波長(zhǎng)匹配。,光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)： 信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。,2. 光電開(kāi)關(guān) 光電開(kāi)關(guān)是一種利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收， 并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開(kāi)”、 “關(guān)”信號(hào)的器件。,如圖為典型的光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖。圖(a)是一種透射式的光電開(kāi)關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過(guò)它們之間時(shí)，會(huì)阻斷光路，使

31、接收元件接收不到來(lái)自發(fā)光元件的光，這樣就起到了檢測(cè)作用。,圖(b)是一種反射式的光電開(kāi)關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點(diǎn)一般即為待測(cè)物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)時(shí)，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒(méi)有物體時(shí)則接收不到。 光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是小型、高速、非接觸，而且與TTL、 MOS等電路容易結(jié)合。,除了太陽(yáng)能輻射紅外線外，自然界任何物體只要它本身具有一定溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外光，而且物體溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能越多。物體在向周圍發(fā)射紅外輻射能的同時(shí)，也吸收周圍物體發(fā)射的紅外輻射能。 由于各種物質(zhì)內(nèi)部的原子分子結(jié)構(gòu)不同，它們所發(fā)射出的輻射頻率也不相同，這些頻

32、率所覆蓋的范圍也即稱為紅外光譜。由實(shí)驗(yàn)可知，物體輻射的電磁波中，其峰值幅射波長(zhǎng)m與物體自身的絕對(duì)溫度T成反比，即有：,m=2897/T (m),紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ),第三節(jié) 紅外傳感器,探測(cè)器的基本類型,熱探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)測(cè)量相關(guān)物理參數(shù)的變化來(lái)確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。 根據(jù)吸收紅外輻射能后探測(cè)器物理參數(shù)的變化，可以將熱探測(cè)器分為四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型。其中，熱釋電型探測(cè)器探測(cè)率最高，頻率響應(yīng)最寬，也是目前用得最廣的紅外傳感器。,熱探測(cè)器,1,探測(cè)器的基本類型,利用光

33、電效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器稱為光子探測(cè)器。常見(jiàn)的光子效應(yīng)有外光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光電磁效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)。相應(yīng)的，光探測(cè)器主要包括，利用外光電效應(yīng)而制成的光電子發(fā)射探測(cè)器；利用內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電導(dǎo)探測(cè)器；利用阻擋層光電效應(yīng)制成的光生伏特探測(cè)器；利用光磁電效應(yīng)制成的光磁探測(cè)器。,光探測(cè)器,2,熱探測(cè)器不需要冷卻,熱探測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)都能響應(yīng),熱探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間比光子探測(cè)器長(zhǎng),熱探測(cè)器性能與器件尺寸、形狀、工藝等有關(guān),熱探測(cè)器的特點(diǎn),光導(dǎo)纖維傳感器（簡(jiǎn)稱光纖傳感器） 是20世紀(jì)七十年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器。光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。 與其它傳感器相比較，光

34、纖傳感器有如下特點(diǎn)： 1.不受電磁干擾，防爆性能好，不會(huì)漏電打火； 2.可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲； 3.可以用于高溫、高壓,絕緣性好,耐腐蝕.,第四節(jié) 光纖傳感器,光纖的結(jié)構(gòu),光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯(纖芯)和玻璃包皮(覆蓋層)兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。,纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖芯折射率n1比包層折射率n2稍大些兩層之間形成良好的光學(xué)界面，光線在這個(gè)界面上反射傳播。,光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理,1、斯乃爾定理（Snells Law） 當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖，其折射角大于入射角，即n1n2時(shí)，ri。 n1、n2、r、i 之間的數(shù)學(xué)關(guān)

35、系為,光的折射示意圖,可見(jiàn)，入射角i 增大時(shí)，折射角r 也隨之增大，且始終rci。,當(dāng)r =90時(shí)，i 仍90，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D，稱為臨界狀態(tài)。這時(shí)有,臨界狀態(tài)示意圖,若認(rèn)為空氣n01，則,1、數(shù)值孔徑,sin0為臨界入射角；n1、n2分別為纖維芯和覆蓋層的折射率,光纖的主要參數(shù),數(shù)值孔徑NA反映了光纖對(duì)入射光的吸收能力。NA越大，說(shuō)明光纖能夠使光線全反射的入射角范圍大，即接收能力越強(qiáng)。,2、傳輸損耗,由于光纖纖芯材料的吸收、散射、光纖彎曲處的輻射損耗等的影響，光信號(hào)在光纖中的傳播不可避免地要有損耗，光纖的傳輸損耗A可用下式表示,式中 I0光纖入射光強(qiáng) I距離光纖入射端1km處的光

36、強(qiáng),光纖的分類,1、按輸出模數(shù)分類,可分為多模光纖和單模光纖兩類。 單模光纖的纖芯直徑很小, 在給定的工作波長(zhǎng)上只能以單一模式傳輸，傳輸頻帶寬，傳輸容量大。 多模光纖是在給定的工作波長(zhǎng)上，能以多個(gè)模式同時(shí)傳輸?shù)墓饫w。 與單模光纖相比，多模光纖的傳輸性能較差。,2、按作用分類,分為功能型（物性型）和非功能型（結(jié)構(gòu)型）兩大類。 功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件, 被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制, 使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化。一般使用單膜光纖。 光纖在其中不僅起到傳光作用，而且也是敏感元件。 非功能型傳感器中，光纖不是敏感元件，只是作為傳光元件。 非功能型傳

37、感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化, 光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。一般使用多膜光纖。,3、按材料分類,分為高純度石英玻璃纖維、多組分玻璃光纖和塑料光纖。 高純度石英(SiO2)玻璃纖維。這種材料的光損耗較小,在=1.2m的波長(zhǎng)時(shí),最低損耗為0.47dB/km。 多組分玻璃光纖。用常規(guī)玻璃制成，損耗也很低。 塑料光纖。用人工合成導(dǎo)光塑料制成，其損耗較大，但制造成本低廉，相對(duì)來(lái)說(shuō)芯徑較大，與光源的耦合效率高，耦合進(jìn)光纖的光功率大，使用方便。,在光纖中傳輸?shù)墓獠捎萌缦滦问降姆匠堂枋觯?光纖傳感器的基本原理,E0：光波振幅 ：角頻率 ：初相角,上式包含5個(gè)參數(shù)：強(qiáng)度E02、頻率、波長(zhǎng)、相位、偏振態(tài)。 工作原理：用被測(cè)量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使之發(fā)生變化，然后對(duì)已調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而得到被測(cè)量。,光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為 強(qiáng)度調(diào)制光