第8章 光电式传感器原理及其应用

第8章 光电式传感器原理及其应用8.1 概 述 8.2 光电器件 8.3 光电式传感器的测量电路及应用 8.4 图像传感器 8.5 光纤传感器

8.1 光电式传感器概述 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的 传感器。它可用于检测直接引起光量变化的 非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体 成分分析等；也可用来检测能转换成光量变 化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、 应变、位移、振动、速度、加速度，以及物 体的形状、工作状态的识别等。 光电式传感器具有非接触、响应快、性能可 靠等特点，因此在工业自动化装置和军事装 置中获得广泛应用。

光电传感器以光电效应为基础，是一种将光 信号转换为电信号的传感器。光电传感器是 采用光电元件作为检测元件的传感器。它首 先把被测量的变化转换成光信号的变化，然 后借助光电元件进一步将光信号转换成电信 号。 光电传感器一般由光源、光学通路、光电元 件和测量电路等部分组成。

8.1.1 光的产生和常见光源 光是电磁波谱中的一员，不同波长光的频率(波长) 各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干 涉和吸收等性质。 1、光的产生

光是从实物中发射出来的，是以电磁波形式传播的 物质。发光物质受激发而发光包括两个过程：激励 和复合。 激励可以使发光物质发光，外界所提供的激励有多 种形式，常用的有以下4种：电致发光、光致发光、 化学发光、热发光。

2、常见光源(1)发光二极管 发光二极管是一种电致发光的半导体器 件，它直接把电能转变成光能。它具有体积 小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高， 便于与集成电路相匹配等优点，广泛地用于 计算机、仪器仪表和自动控制设备中。 发光二极管可用LED表示，它的种类很 多，发出的光的波长也各不相同。

(2)激光激光是高亮度光，它是由各类气体、固体或半导 体激光器产生的频率单纯的光。激光具有能量高度集 中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理 想的光源。 方向性强、亮度高：激光束的发散角很小，一般 约为0.18°。 单色性好：激光源发射出的光的频率单纯，且光 的光谱范围愈窄，光的单色性就愈好。 相干性好：光的相干性是指两光束相遇，并在相 遇区域内发生叠加时，能形成较清晰的干涉图样或能 接收到稳定的拍频信号。

(3)白炽灯 白炽灯是一种最常用的光源，白炽光源中最常用的 是钨丝灯。 它产生的光，谱线较丰富，包含可见光与丰富的红 外线，使用时常加用滤色片来获得不同窄带频率的 光。 如果选用的光电元件对红外

光敏感，构成传感器时 可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的 红外线做光源，可有效防止其他光线的干扰。

(4)卤钨灯 卤钨灯是一种改进的钨丝白炽灯。钨丝在高 温下蒸发使灯泡变黑，如果降低白炽灯的灯丝 温度，则发光效率降低。 在灯泡中充入6价元素氟、氯、溴或碘等卤 族元素，使它们与蒸发在玻璃壳上的钨形成卤 化物。当这些卤化物回到灯丝附近时，遇到高 温便会分解，钨又回到钨丝上。灯丝的温度可 以大大提高，而玻璃壳也不会发黑。因此，灯 丝发光亮度高、效率高，使卤钨灯具有形体小， 成本低的特点。 常用的卤钨灯有碘钨灯和溴钨灯。在光电传 感器技术中应用最多的卤钨灯为溴钨灯。

(5)气体放电光源 气体放电光源是通过高压使气体电离放电产生很 强的光辐射，而不像钨丝灯那样是通过加热灯丝使其 发光，即电流通过气体会产生发光现象，利用这种原 理制成的光源称为气体放电光源。因而也称气体放电 灯，它为冷光源。 气体放电灯的共同特点是发出的光谱为线光谱或 带状光谱，因为它们的发光机理属于等离子体发光。 气体放电光源辐射的光谱是不连续的，要持续向 外辐射光，不仅要维持其温度，而且有赖于气体的原 子或分子的激发过程。 常见的气体放电光源有低压汞灯、氢灯、钠灯、 镉灯、氦灯等，统称为光谱灯，常用作单色光源。

(6)红外辐射 红外辐射又称红外光，随着频率和波长的不同， 从紫光到红光热效应逐渐增大，而热效应最大的为红 外光。 在自然界中只要物体本身具有一定温度(高于绝 对零度),都能辐射红外光。例如电机、电器、炉火、 甚至冰块都能产生红外辐射，又称热辐射。 红外光和所有电磁波一样，具有反射、折射、散 射、干涉、吸收等特性。 能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为 黑体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物 体称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰 体。严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透 明体。

8.1.2 光电效应及分类 根据爱因斯坦光子假设学说，光可以看作是一串具有 一定能量的运动着的粒子流，这些粒子称为光子，每 个光子所具有的能量等于普朗克常数h乘以频率γ。 即：

E h

用光照射某一物体时，可看作是物体受到一连串能量 为hγ的光子的不断轰击，物体由于吸收光子能量后 产生相应电效应的物理现象称为光电效应。 光线照射到物体上所产生的光电效应通常可以分为外 光电效应(也称光电发射)、光电导效应和光伏特效 应三类。根据光电效应的不同可以制成不同的光电

元 件。

(1)外光电效应 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外 光电效应。根据外光电效应制成的光电元件类型很 多，主要有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 当入射光照射在阴极上时，阴极受到光子轰击时， 由于一个光子的能量只能传给一个电子，因此，单 个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个 自由电子，从而使自由电子的能量增加hγ。 根据能量守恒定律可知：

1 2 h mv A 2 该式称为爱因斯坦光电效应方程。

结论：1)光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大 于该物体的表面电子逸出功A。 2)当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与 光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多， 逸出的电子数也就越多。 3)光电子的初动能取决于入射光的频率γ。 4)因为一个光子能量只能传给一个电子，所以电 子吸收能量不需要积累能量的时间，在光一照到物体 上，就立即有光电子发出。

(2)内光电效应 光线照射在半导体材料上，材料中处于价带 的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带， 使导带内电子浓度和价带内空穴增多，但这 些被释放的电子并不能逸出物体表面，而是 停留在物体内部，使其导电能力发生变化， 或产生光生电动势，这种现象称为内光电效 应。 内光电效应按其工作原理可分为两种：光电 导效应和光伏特效应。在光线作用下，物体 两端产生一定方向的电动势，这种现象称为 光伏特效应。 根据光伏特效应制成的光电元件主要是光电 池等。

8.2 光电器件 8.2.1 光电管 光电管和光电倍增管同属于根据外光电效应制 成的光电转换器件。 (1)光电管 光电管有多种类型，最典型的是真空光电管。 光电管是装有光阴极和阳极的真空玻璃管。

光电管结构示意图和测量电路

(2)光电倍增管 真空光电管的灵敏度低，光照很弱时，产生的电流 很小，为提高灵敏度常使用光电倍增管。 光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞 击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行 放大，其工作原理如图。光D1 D3 D5 A K D2 D4 D6

RL

U,I

光电倍增管结构示意图

光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成， 并据要求采用不同性能玻璃壳进行真空封装。 依据分装方法，可分成端窗式和侧窗式两大类。端 窗式光电倍增管的阴极通常为透射式阴极，通过管 壳的端面接受入射光。侧窗式阴极则是通过管壳的 侧面接收入射光，它的阴极通常为反射式阴极。 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里 避光使用，使其只对入射光起

作用。但是由于环境 温度、热辐射和其它因素的影响，光电倍增管接上 工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个 很小的电流输出，这种电流称为暗电流。

光电倍增管在工作时，其阳极输出电流由暗电 流和信号电流两部分组成。 暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号 的最小值。一只好光电倍增管，要求其暗电流 小，且稳定。 光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是 不相同的，这一特性可用光谱响应率表示。在 给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极 电流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率， 表示为： I ( )S ( ) P ( )

8.2.2 光敏电阻 光敏电阻是一种光电效应半导体器件，应用于光存 在与否的感应(数字量)以及光强度的测量(模拟 量)等领域。 (1)光敏电阻的结构 光敏电阻是薄膜元件，它是在陶瓷底衬上覆一层光 电半导体材料，常用的半导体有硫化镉和硒化银等。 在半导体光敏材料两端装上电极引线，金属接触点 盖在光电半导体面下部，将其封装在带有透明窗的 管壳里就构成了光敏电阻。 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光 电导体严密封装在玻璃壳体中。

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