光电传感器的原理和应用

1.光电管

(1)结构和工作原理

光电管由一个阴极和一个阳极构成,并密封在一支真空玻璃管内,如图3.27所示。光电管的阴极用于接受光的照射,它决定了器件的光电特性;阳极由金属丝做成,用于收集电子。

图3.27　光电管示意图

光电管的工作作理:当阴极受到适当波长的光线照射时,电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面,形成电子发射。电子被带正电位的阳极所吸引,这样在光电管内就有了电子流,在外电路中便产生了电流。光电管工作时,必须在其阴极与阳极之间加上电势,使阳极的电位高于阴极。光电流的大小与照射在光电管阴极上的光强度成正比。

(2)基本特性

①光电管的伏安特性。在一定的光照射下,光电管的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。图3.28是真空光电管和充气光电管的伏安特性曲线,它是应用光电传感器参数的主要依据。

图3.28　真空光电管和充气光电管的伏安特性

②光电管的光照特性。当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时,光通量与光电流之间的关系称为光电管的光照特性。如图3.29所示,曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性,其光电流与光通量呈线性关系;曲线2表示锑铯阴极光电管的光照特性,其光电流与光通量呈非线性关系。光照特性曲线的斜率(光电流与入射光光通量之比)称为光电管的灵敏度。

图3.29　光电管的光照特性

③光电管的光谱特性。一般对于阴极材料不同的光电管,它们有不同的红限频率ν0,因此它们可用于不同的光谱范围。而且,同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同,这就是光电管的光谱特性。

2.光电倍增管

(1)结构和原理

光电倍增管是指在光电管的阳极A 和阴极K 之间增加若干个(11～14个)倍增极(二次发射体)来放大光电流。如图3.30所示,当入射光很微弱时,普通光电管产生的光电流很小,只有零点几微安,很不容易探测,这时常用光电倍增管对电流进行放大。光电倍增管有放大光电流的作用,灵敏度非常高,信噪比大,线性好,多用于测量微弱信号。

图3.30　光电倍增管原理图

(2)主要特性

光电倍增管的实际放大倍数或灵敏度如图3.31所示。极间电压越高,灵敏度越高,但极间电压也不能太高,太高会使阳极电流不稳。另外,由于光电倍增管的灵敏度很高,所以不能受强光照射,否则将会损坏。并且光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的光谱特性很相似。

图3.31　光电倍增管的特性曲线

3.光敏电阻

(1)工作原理

光敏电阻是采用半导体材料制成的、利用内光电效应(光电导效应)工作的光电器件,又称光导管。如图3.32所示,光敏电阻在光线的作用下,电导率增大,电阻值变小。工作时,在光敏电阻两电极间加上电压,其中便有电流通过。当无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中的电流很小;当有光照时,由于光电导效应,光敏电阻值(亮电阻)急剧减少,电流迅速增加,电流随着光强的增加而变大,实现了光电转换。

(2)主要特性

①暗电阻、亮电阻与光电流

光敏电阻在未受到光照射时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流;在受到光照射时的电阻称为亮电阻,此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。

图3.32　光敏电阻工作原理示意图(www.xing528.com)

②光敏电阻的伏安特性

如图3.33所示,由曲线可知,所加的电压越高,光电流越大,而且没有饱和现象。在给定的电压下,光电流的数值将随光照的增强而增大。

图3.33　光敏电阻的伏安特性

③光敏电阻的光照特性

光敏电阻的光照特性用于描述光电流和光照强度之间的关系,绝大多数光敏电阻的光照特性曲线是非线性的,如图3.34所示。不同光敏电阻的光照特性是不相同的。光敏电阻不宜作为线性测量元件,一般用作开关式的光电转换器。

图3.34　光敏电阻的光照特性曲线

4.光敏二极管和光敏三极管

(1)光敏二极管

光敏二极管工作原理如下:光敏二极管工作在反向状态,在无光照时,少数载流子产生的暗电流为10-8～10-9 A,此时它处于截止状态。在有光照时,半导体内受激发产生电子-空穴对,少数载流子浓度大大增加,在反向电压的作用下形成光电流,此时光敏二极管处于导通状态。

(2)光敏三极管

①工作原理

光敏三极管工作原理如下:在无光照时,集电结反偏,其反向饱和电流Icbo经发射结放大为集射之间的穿透电流Iceo(暗电流)。在有光照时,集电结附近基区受到光照,产生激发,增加了少数载流子的浓度,这使得集电结反向饱和电流(集电结光电流)大大增加,集电结光光流经发射结放大为集射之间的光电流,即光敏三极管的光电流。

②基本特性

· 光敏三极管的光谱特性

如图3.35所示,从曲线可以看出,光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。硅的峰值波长为9 000Å,锗的峰值波长为15 000Å。由于锗管的暗电流比硅管大,因此锗管的性能较差。故在可见光下或探测炽热状态物体时,一般都选用硅管,但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。

图3.35　光敏三极管的光谱特性

· 光敏三极管的伏安特性

光敏三极管在不同的照度下的伏安特性就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样,如图3.36所示。因此,只要将入射光照在发射极与基极之间的PN 结附近,并将所产生的光电流看作基极电流,就可将光敏三极管看作为一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号,而且输出的电信号较大。

图3.36　光敏三极管的伏安特性

· 光敏三极管的光照特性

图3.37给出了光敏三极管的输出电流和光照度之间的关系,它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几千勒克斯)时,光敏三极管的输出电流会出现饱和现象,从而使光敏三极管既可作为线性转换元件,也可作为开关元件。

图3.37　光敏三板管的光照特性

· 光敏三极管的温度特性

光敏三极管的温度特性反映的是光敏三极管的暗电流和光电流与温度的关系,如图3.38所示。从特性曲线可以看出,温度变化对光电流的影响很小,而对暗电流的影响很大。所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿,否则将会导致输出误差。

图3.38　光敏三极管的温度特性