传感器与检测技术 教学课件 魏学业 第8章 光电式传感器.pdf

第8章 光电式传感器 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键 元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光）转变成为 电信号的器件。最早的光电转换元件主要是利用光电效 应原理制成的，有外光电效应的光电管、光电倍增管； 内光电效应的光敏电阻、光导管；阻挡层光电效应的光 电二极管、光电晶体管及光电池等。新发展的光电转换 元件主要有电荷藕合传感器（CCD ）、光纤传感器、光 电编码器、计量光栅等，除具有直接测量光信号外，还 可以间接测量温度、压力、加速度、速度及位移等多种 物理量，具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和 抗干扰能力强等优点，其发展速度快、应用范围广，具 有很大的应用潜力。 8.1 光电式传感器的类别 分类 按工作原理可分为： 1. 光电效应传感器 光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光 生电动势等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光 电效应。应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件称为光电效 应传感器。 2. 红外热释电探测器 红外热释电探测器是对光谱中长波（红外）敏感的器件。主要是 利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质发生变 化或产生热电动势原理制成的一类器件。 3. 固体图像传感器 结构上分为两大类，一类是用CCD 电荷耦合器件的光电转换和电 荷转移功能制成的CCD 图像传感器，一类是用光敏二极管与MOS 晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS金属氧化物半 导体图像传感器。 4. 光纤传感器 光纤传感器是唯一的有源光敏传感器。它利用发光管（LED ）或 激光管（LD ）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号 调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变 成电信号。 光电器件 光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件，是构成光电式 传感器的主要部件，光电器件工作的物理基础是光电效应。 光电器件响应快、结构简单、使用方便, 而且有较高的可靠 性，因此在自动检测、计算机和控制系统中，应用非常广泛。 光电效应是指在光照射下，物体中的电子吸收了入射光子的能 量，发生电学效应的现象光电效应分为内光电效应、外光电 效应和光生伏特效应。 1. 内光电效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能 量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使 载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。即物 体的导电性能发生变化的现象。如：光敏电阻。光敏电阻又称光 导管，是用半导体材料制成的光电器件，为纯电阻元件。由于电 阻没有极性，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。其工 作原理是基于光电导效应，无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很 大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围 的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵 敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在 几千欧以下。 光敏电阻的结构如图所示，管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两 个欧姆接触电极的光电导体。 光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层， 虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限， 因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电 阻的电极一般采用梳状图案。 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将光导电体严密封 装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电 压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小。 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从 紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价 格便宜，因此应用比较广泛。不足是需要外部电源，有电流时 会发热。 2. 外光电效应 在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，在回路中形成光电 流的现象。当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光 子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使 电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离 材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。根据外 光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管