第8章 光电式传感器8.1 光电器件18.2 光纤传感器8.3 红外传感器32概述 光电电式传传感器是将将光通量转换为电转换为电 量的一种传种传 感器，光电电式传传感器的基础础是光电电 转换转换 元件的光电电效应应。由于光电测电测 量方法灵灵活多样样，可测参数众测参数众 多 ，具有非接触触、高精度、高可靠性和反应应快等 特点，使得光电传电传 感器在检测检测 和控制领领域获获 得了广泛的应应用。8.1 光电器件 光电电器件是构构成光电电式传传感器最主要的部件。光电电式传传感器的工作原理如图图8-1所 示：首先把被测测量的变变化转换转换 成光信号号的变变 化，然后通过过光电转换电转换 元件变换变换 成电电信号号。 图图中x1表示被测测量能直接引起光量变变化的检检 测测方式；x2表示被测测量在光传传播过过程中调调制光量的检检 测测方式。图图8-1 光电电式传传感器的工作原理8.1 光电器件8.1.1 光电电效应应光电电器件工作的物理基础础是光电电效应应。光电电效应应分为为外 光电电效应应和内内光电电效应两应两 大类类。1外光电电效应应在光线线作用下，能使电电子逸出物体表面的现现象称为称为 外光 电电效应应，如光电电管、光电电倍增管就属属于这类这类 光电电器件 。 我们们知道，光子是具有能量的粒子，每个个光子具有的能 力由下式确定： 式中： h普朗克常数数，6.62610 （Js）； 光的频频率（s ）。8.1 光电器件若物体中电电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时时，电电子就逸出物体表面，产产生电电子发发射。故要使 一个电个电 子逸出，则则光子能量h必须须超出逸出功A0，超过过部分的能量，表现为现为 逸出电电子的动动能。即（8-2） 式中：m电电子质质量；v0电电子逸出速度。该该方程称为爱称为爱 因斯坦光电电效应应方程。 8.1 光电器件由式（8-2）可知：光电电子能否产产生，取决决于光子的能量 是否大于该该物体的表面电电子逸出功A0。不同物体具有不同 的逸出功，这这意味着每一个个物体都有一个对应个对应 的光频阀值频阀值 ，成为红为红 限频频率或波长长限。光线频线频 率小于红红限频频率的入射 光，光强再大也不会产会产 生光电电子发发射。当当入射光的频谱频谱 成分不变时变时 ，产产生的光电电流与与光强成正比 。光电电子逸出物体表面具有初始动动能，因此外光电电效应应器件 ，如光电电管即使没没有加阳极电压阳极电压 ，也会会有光电电流产产生。8.1 光电器件2内内光电电效应应受光照的物体导电导电 率发发生变变化，或产产生光生 电动势电动势 的效应应叫内内光电电效应应。内内光电电效应应又 可分为为以下两两大类类。光电导电导 效应应：在光线线作用下，电电子吸收光子 能量从键从键 合状态过状态过 渡到自由状态状态 ，而引起材 料电电阻率变变化，这种这种 效应称为应称为 光电导电导 效应应。 基于这种这种 效应应的器件有光敏电电阻等。8.1 光电器件当当光照射到光电导电导 体上时时，若这个这个 光电导电导 体为为本征 半导导体材料，而且光辐辐射能量又足够够强，光电导电导 材料 价带带上的电电子将将被激发发到导带导带 上去，如图图8-2所示： 图图8-2 电电子能级级示意 图图 从从而使导带导带 的电电子和价带带的空穴增加，致使光导导体的导导 电电率变变大。为为了实现实现 能级级的跃迁跃迁 ，入射光的能量必须须大 于光电导电导 材料的禁带带宽宽度Eg，即：8.1 光电器件光生伏特效应应：在光线线作用下能够够使物体产产生 一定方向电动势电动势 的现现象。基于该该效应应的器件 有光电电池和光敏晶体管等。 势垒势垒 效应应（结结光电电效应应）接触触的半导导体和PN结结中，当当光线线照射其接触区触区 域时时，便引起光电动势电动势 ，这这就是结结光电电 效应应。 侧侧向光电电效应应当当半导导体光电电器件受光照不均匀时匀时 ，由载载流 子浓浓度梯度将会产将会产 生侧侧向光电电效应应。 8.1 光电器件8.1.2 光电电管1结构与结构与 工作原理 光电电管是外光电电效应应的器件， 有真真空光电电管和充气气光电电管 两类两类 。光电阴极电阴极 通常是用逸出功小 的光敏材料徐敷在玻璃泡内内 壁上做成，其感光面对对准光 图图8-3 光电电管的结构结构 的照射孔。当当光线线照射到光敏材料上，便有电电子逸出，这这 些电电子被具有正电电位的阳极阳极 所吸引，在光电电管内内形成空间间 电电子流，在外电电路就产产生电电流。 8.1 光电器件2主要性能（1）光电电管的伏安特性在一定的光照射下，对对光电电器件的阴极阴极 所加电压与阳极电压与阳极 所产产生 的电电流之间间的关关系称为称为 光电电管的伏安特性。真真空光电电管和充气气光电电管的伏安特性分别别如同8-4（a）和（b ）所示。它它是应应用光电传电传 感器参数参数 的主要依据。 图8-4 光电管的伏安特性8.1 光电器件（2）光电电管的光照特性：通常指当当光电电管的阳极阳极 和阴极阴极 之间间的所加电压电压 一定时时，光通量和光电电流 之间间的关关系为为光电电管的光照特性。光电电管阴极阴极 材料不同，其光照特性也不同。光照特性曲线线的斜率（光电电流与与入射光通量之比 称为称为 光电电管的灵灵敏度。8.1 光电器件（3）光电电管光谱谱特性一般对对于光电阴极电阴极 材料不同的光电电管，它们它们 有不同 的红红限频频率v0，因此它们它们 可用于不同的光谱谱范围围。即使照射在阴极阴极 上的入射光的频频率高于红红限频频率v0，并并且强度相同，随随着入射光频频率的不同，阴极发阴极发 射的光电电子的数数量还会还会 不同，即同一光电电管对对于不 同频频率的光的灵灵敏度不同，这这就是光电电管的光谱谱特 性。所以，对对各种种不同波长区长区 域的光，应选应选 用不同材料 的光电阴极电阴极 。8.1 光电器件8.1.3 光电电倍增管1结构与结构与 原理 光电电倍增管也是基于 外光电电效应应的器件。 由于真真空光电电管的灵灵 敏度较较低，因此人们们 便研研制了光电电倍增管， 其工作原理如图图8-5所 示。 图图8-5 光电电倍增管的外型和工作原理8.1 光电器件2主要参数参数（1）倍增系数数M倍增系数数M等于各倍增电极电极 的二次电电子发发射电电子i的乘 积积。如果n个个倍增电极电极 的i都一样样，则则M=i ，因此，阳阳 极电极电 流I为为： M与与所加电压电压 有关关，一般在10 10 之间间。如果电压电压 有 波动动，倍增系数数也要波动动，因此M具有一定的统计涨统计涨 落 。一般阳极阳极 和阴极阴极 的电压为电压为 1000V2500V，两个两个 相邻邻 的倍增电极电极 的电压电压 差为为50V100V。8.1 光电器件（2）阴极灵阴极灵 敏度和总灵总灵 敏度一个个光子在阴极阴极 上能够够打出 的平均电电子数数叫做光电阴极电阴极 的灵灵敏度。而一个个光子在阳极阳极 上产产生的平均电电子数数叫做光电电倍增管的总灵总灵 敏度。光电电倍增管的放大 倍数数或总总灵灵敏度如图图8-6所示 。极间极间电压电压 越高，灵灵敏度 越高；但极间电压极间电压 也不能太 高，太高反而会会使阳极电阳极电 流 不稳稳。另外，由于光电电倍增管 的灵灵敏度很高，所以不能受 强光照 射，否则将会损则将会损 坏。图图8-6 光电电倍增管的特性曲 线线8.1 光电器件（3）光谱谱特性光电电倍增管的光谱谱特性与与相同材料光电电管的光谱谱特性很相似 。（4）暗电电流及本底电电流当当管子不受光照，但极间极间 加入电压时电压时 在阳极阳极 上会会收集到电电子 ，这时这时 的电电流称为称为 暗电电流，。如果光电电倍增管与闪烁与闪烁 体放在一起，在完全避光情况况下，出 现现的电电流称称本底电电流，其值值大于暗电电流。增加的部分是宇宙 射线对闪烁线对闪烁 体的照射而使其激发发，被激发发的闪烁闪烁 体照射在光 电电倍增管上而造成的。本底电电流具有脉冲形式，因此也成为为 本底脉冲。8.1 光电器件8.1.4 光敏电电阻1光敏电电阻的结构与结构与 工作原理 光敏电电阻又称称光导导管，是内内光电电效应应器件， 它它几乎都是用半导导体材料制成的光电电器件。光 敏电电阻器以硫化隔制成，所以简称为简称为 CDS。光敏电电阻没没有极极性，纯纯粹是一个电个电 阻器件， 使用时既时既 可加直流电压电压 ，也可以加交流电压电压 。无光照时时，光敏电电阻值值（暗电电阻）很大， 电电路中电电流（暗电电流）很小。8.1 光电器件当当光敏电电阻受到一定波长长范围围的光照时时，它它的阻值值（亮电电阻）急剧减剧减 少，电电路中电电流迅速增大。一般希 望暗电电阻越大越好，亮电电阻越小 越好，此时时光敏电电阻的灵灵 敏度高。实际实际 光敏电电阻的 暗电电阻值值一般在兆欧级欧级 ， 亮电电阻在几千欧欧以下。图图8-7为为光敏电电阻的原理结构结构 。 图图8-7 光敏电电阻结构结构8.1 光电器件2光敏电电阻的主要参数参数（1）暗电电阻光敏电电阻在不受光时时的阻值称为值称为 暗电电阻，此时时流过过的电电 流称为称为 暗电电流。（2）亮电电阻光敏电电阻在受光照射时时的电电阻称为称为 亮电电阻，此时时流过过的 电电流称为称为 亮电电流。（3）光电电流亮电电流与与暗电电流之差称为称为 光电电流。8.1 光电器件3光敏电电阻的基本特性 （1） 伏安特性 在一定照度下，流过过光敏电电阻的电电流与与光敏电电阻两两端的电压电压 的关关系称为称为 光敏电电阻的伏安特性。图图8-8为为硫 化镉镉光敏电电阻的伏安特性曲 线线。由图图可见见，光敏 电电阻在一定的电压电压 范围围 内内，其I-U曲线为线为 直线线， 说说明其阻值与值与入射光量有关关 ，而与电与电 压压、电电流无 关关。 图图8-8 硫化镉镉光敏电电阻的伏安特性8.1 光电器件（2）光谱谱特性光敏电电阻的相对对光敏灵灵敏度与与入射波长长的关关系 称为称为 光谱谱特性，亦称为称为 光谱响应谱响应 。图图8-9为为几种种不同材料光敏电电阻的光谱谱特性。 对应对应 于不同波长长，光 敏电电阻的灵灵敏度是不 同的。 图图8-9 光敏电电阻的光谱谱特性8.1 光电器件（3）光照特性光敏电电阻的光照特性是光敏电电阻的光电电流与与 光强之间间的关关系，如图图8-10所示。由于光敏电电阻的光照 特性呈非线线性，因此 不宜作为测为测 量元件， 一般在自动动控制系统统 中常用作开关开关 式光电电 信号传号传 感元件。 图图8-10 光敏电电阻的 光照特性8.1 光电器件（4）温温度特性光敏电电阻受温温度的影响较响较 大。当温当温 度升高时时，它它 的暗电电阻和灵灵敏度都下降。温温度变变化影响响光敏电电 阻的光谱响应谱响应 ，尤其 是响应响应 于红红外区区的硫 化铅铅光敏电电阻受温温度 影响响更大。图图8-11为为 硫化铅铅光敏电电阻的光 谱温谱温 度特性曲线线。图8-11 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线 8.1 光电器件（5）光敏电电阻的响应时间响应时间 和频频率特性实验证实验证 明，光电电流的变变化对对于光的变变化，在时间时间 上有一个滞个滞 后，通常用时间时间 常数数t来来描述，这这叫做光电导电导 的弛豫现现象。所 谓时间谓时间 常数数即为为光敏电电阻自停止光照起到电电流下降到原来来的63%所需的时间时间 ，因此，t越小，响应响应 越迅速，但大多数数光敏电电阻的时间时间 常数数都较较大，这这