电机与拖动技术第十一章.ppt

高等教育高等教育电气工程与自动化系列规划教材电气工程与自动化系列规划教材传感器与检测技术传感器与检测技术高等教育教材编审委员会高等教育教材编审委员会高等教育教材编审委员会高等教育教材编审委员会 组编组编组编组编主编主编主编主编 邓长辉邓长辉邓长辉邓长辉主审主审主审主审 王福利王福利王福利王福利传感器与检测技术传感器与检测技术第十一章第十一章光电式传感器光电式传感器传感器与检测技术传感器与检测技术第十一章第十一章光电式传感器光电式传感器光光电电传传感感器器技技术术是是先先把把被被测测量量的的变变化化转转换换成成光光信信号号的的变变化化，再再通通过过光光电电器器件将光信号的变化转换为电信号的一种传感器。件将光信号的变化转换为电信号的一种传感器。下下图图是是光光电电式式传传感感器器的的原原理理框框图图。它它一一般般由由光光源源、光光路路、光光电电器器件件及及其其测测量电路三部分组成。被测量作用于光源或者光学通路，从而引起光量的变化。量电路三部分组成。被测量作用于光源或者光学通路，从而引起光量的变化。光电式传感器的原理框图光电式传感器的原理框图传感器与检测技术传感器与检测技术第十一章第十一章光电式传感器光电式传感器光光电电式式传传感感器器具具有有频频谱谱宽宽、不不易易受受电电磁磁干干扰扰的的影影响响、非非接接触触式式测测量量、响响应应快快、可可靠靠性性高高等等优优点点。随随着着激激光光、光光纤纤、电电荷荷耦耦合合器器件件CCD技技术术的的发发展展，光光电电式传感器在自动检测、计算机和控制系统中得到了广泛的应用。式传感器在自动检测、计算机和控制系统中得到了广泛的应用。光光电电器器件件是是将将光光信信号号转转换换为为电电信信号号的的一一种种器器件件，它它是是构构成成光光电电式式传传感感器器最最主主要要的的部部件件。光光电电器器件件工工作作的的物物理理基基础础是是光光电电效效应应，光光电电效效应应分分为为外外光光电电效效应应和内光电效应两大类。和内光电效应两大类。传感器与检测技术传感器与检测技术11.1.1外光电效应外光电效应11.1外光电效应与光电器件外光电效应与光电器件在在光光线线作作用用下下，物物体体内内的的电电子子逸逸出出物物体体表表面面向向外外发发射射的的现现象象称称为为外外光光电电效效应应。向向外外发发射射的的电电子子称称为为光光电电子子。这这是是由由德德国国科科学学家家赫赫兹兹在在1887年年发发现现的的。利利用用该该效效应制成的光电器件主要有光电管、光电倍增管等。应制成的光电器件主要有光电管、光电倍增管等。一一束束光光是是由由一一束束以以光光速速运运动动的的粒粒子子流流组组成成的的，这这些些粒粒子子称称为为光光子子。光光子子具具有有能量，每个光子具有的能量可定义为：能量，每个光子具有的能量可定义为：因因此此，光光的的波波长长越越短短，则则频频率率越越高高，其其光光子子的的能能量量也也越越大大；反反而而言言之之，光光的的波波长长越越长长，其其光光子子的的能能量量也也就就越越小小。光光照照射射物物体体，可可以以看看作作一一连连串串具具有有一一定定能能量量的的光光子子轰轰击击物物体体，物物体体中中电电子子吸吸收收的的入入射射光光子子能能量量超超出出逸逸出出功功A时时，电电子子就就会会逸逸出出物物体体表表面面，产产生生光光电电子子发发射射，超超过过部部分分的的能能量量表表现现为为逸逸出出电电子子的的功功能能。根根据据能能量量守恒定理：守恒定理：传感器与检测技术传感器与检测技术11.1外光电效应与光电器件外光电效应与光电器件上式即为爱因斯坦光电效应方程式。由该式可知：上式即为爱因斯坦光电效应方程式。由该式可知：（1）光光电电效效应应能能否否产产生生，取取决决于于光光子子的的能能量量是是否否大大于于该该物物质质表表面面的的电电子子逸逸出出功功。这这意意味味着着每每一一种种物物质质都都有有一一个个对对应应的的光光频频阈阈值值，称称为为红红限限频频率率（对对应应的的光光波波长长称称为为临临界界波波长长）。光光的的频频率率小小于于红红限限频频率率，光光子子的的能能量量不不足足以以使使物物体体的的电电子子逸逸出出，因因而而小小于于红红限限频频率率的的光光，光光强强再再大大也也不不会会产产生生光光电电发发射射。反反之之，入入射射光光频频率率高于红限频率，即使光强微弱也会有电子发射出来。高于红限频率，即使光强微弱也会有电子发射出来。（2）若若入入射射光光的的光光频频为为v，光光功功率率为为P，则则每每秒秒钟钟到到达达的的光光子子数数为为P/hv。假假设设这这些些光光子子中中只只有有一一部部分分（）能能激激发发电电子子，则则入入射射光光在在光光电电面面激激发发的的光光电电流流密密度度为：为：传感器与检测技术传感器与检测技术11.1外光电效应与光电器件外光电效应与光电器件（3）光光电电子子逸逸出出物物体体表表面面具具有有初初始始动动能能。因因此此外外光光电电效效应应器器件件即即使使未未加加初初始始阳阳极极电电压压，也也会会有有光光电电流流产产生生。为为使使光光电电流流为为零零，必必须须加加负负的的截截止止电电压压，而而截截止电压与入射光的频率成正比。止电压与入射光的频率成正比。传感器与检测技术传感器与检测技术11.1.2光电管光电管光光电电管管是是一一个个装装有有光光电电阴阴极极和和阳阳极极的的真真空空玻玻璃璃管管，种种类类繁繁多多，如如下下图图所所示示。a图图中中，光光电电阴阴极极是是在在玻玻璃璃管管内内壁壁涂涂上上阴阴极极涂涂料料构构成成的的；b图图中中，光光电电阴阴极极是是在在玻玻璃璃管内装入涂有阴极涂料的柱面形极板构成的。管内装入涂有阴极涂料的柱面形极板构成的。光电管示意图光电管示意图当当光光通通量量一一定定时时，阳阳极极电电压压与与阳阳(阴阴)极极电电流流的的关关系系，叫叫做做光光电电管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线，如如下下图图所所示示。当当入入射射光光比比较较弱弱时时，由由于于光光电电子子较较少少，只只用用较较低低的的阳阳极极电电压压就就能收集到所有的光电子，而且输出电流很快就能达到饱和；当入射光较强能收集到所有的光电子，而且输出电流很快就能达到饱和；当入射光较强传感器与检测技术传感器与检测技术时时，要要想想使使输输出出电电流流达达到到饱饱和和，则则需需要要较较高高的的阳阳极极电电压压。光光电电管管的的工工作作点点应应选选在在光光电电流流与与阳阳极极电电压压无无关关的的饱饱和和区区域域内内。由由于于这这一一区区域域的的动动态态阻阻抗抗(dUdI)非非常常大大，可可以以近近似似看看作作是是恒恒定定电电流流源源，接接入入较较大大的的负负载载阻阻抗抗，可可获获取取输输出出电电压压。光光电电管管的的灵灵敏敏度度较较低低，有有一一种种充充气气光光电电管管，在在管管内内充充以以少少量量的的惰惰性性气气体体，如如氩氩气气或或氖氖气气（或充氦气，也有的充以混合气体）。（或充氦气，也有的充以混合气体）。11.1.2光电管光电管光电管的伏安特性曲线光电管的伏安特性曲线传感器与检测技术传感器与检测技术11.1.2光电管光电管在在光光照照作作用用下下光光电电阴阴极极能能够够向向外外发发射射电电子子（光光电电子子），光光电电子子在在趋趋向向阳阳极极的的途途中中撞撞击击惰惰性性气气体体的的原原子子，使使其其电电离离（汤汤姆姆生生放放电电），从从而而使使阳阳极极电电流流急急速速增增加加（电电子子倍倍增增作作用用），使使光光电电管管的的灵灵敏敏度度得得到到提提高高。充充气气光光电电管管的的电电压压-电电流流特特性性不不具具有有真真空空光光电电管管的的那那种种饱饱和和特特性性，而而是是在在达达到到充充气气离离子子化化电电压压附附近近时时，阳阳极极电电流流急急速速上上升升，如如下下图图所所示示。急急速速上上升升部部分分体体现现气气体体放放大大特特性性，放放大大系系数数为为510。充充气气光光电电管管的的优优点点是是灵灵敏敏度度高高，但但其其在在灵灵敏敏度度随随电电压压显显著著变变化化的的稳稳定定性性、频频率率特特性性等方面都比真空光电管差。所以在实际测试中一般选用真空光电管。等方面都比真空光电管差。所以在实际测试中一般选用真空光电管。传感器与检测技术传感器与检测技术11.1.2光电管光电管真真空空光光电电管管具具有有良良好好的的时时间间响响应应特特性性，从从光光子子变变换换为为光光电电子子只只需需10-12s的的时时间间，可可以以忽忽略略不不计计。光光电电子子从从阴阴极极到到阳阳极极时时间间t占占时时间间比比较较多多。在在外外加加电电压压为为U、平板电极间隔为平板电极间隔为d时，时，t值的粗略估算为：值的粗略估算为：设设U=100V，d=lcm，则则t接接近近1ns。尽尽管管一一般般的的光光电电管管的的结结构构各各不不相相同同，但但响响应应时时间间可可大大致致估估算算为为这这一一数数值值的的几几倍倍。从从上上式式可可以以看看出出，t与与dU成成正正比比，所所以如果以如果d是几毫米，是几毫米，U在在1000V以上时，则响应时间可以估算为以上时，则响应时间可以估算为0.2ns0.3ns。传感器与检测技术传感器与检测技术11.1.3光电倍增管光电倍增管采采用用光光电电管管检检测测微微弱弱光光时时，光光电电管管输输出出的的光光电电流流很很小小，由由于于放放大大部部分分所所产产生生的的噪噪声声比比决决定定光光电电管管本本身身检检测测能能力力的的光光电电流流散散粒粒效效应应噪噪声声大大得得多多，检检测测极极其其困困难难。因此通常在对微弱光进行检测时，就要采用光电倍增管。因此通常在对微弱光进行检测时，就要采用光电倍增管。光光电电倍倍增增管管是是利利用用二二次次电电子子释释放放效效应应，将将光光电电流流在在管管内内部部进进行行放放大大。所所谓谓二二次次电电子子释释放放效效应应是是指指高高速速电电子子撞撞击击固固体体表表面面，再再发发射射出出二二次次电电子子的的现现象象。下下图图为为光电倍增管示意图。它由光电阴极、若干个倍增极和阳极光电倍增管示意图。它由光电阴极、若干个倍增极和阳极3部分组成。部分组成。光电倍增管示意图光电倍增管示意图传感器与检测技术传感器与检测技术11.1.3光电倍增管光电倍增管倍倍增增极极的的形形状状和和位位置置的的设设计计，恰恰好好使使前前一一级级倍倍增增极极发发射射的的电电子子能能够够继继续续轰轰击击后后一一级级倍倍增增极极，并并在在每每个个倍倍增增极极间间依依次次加加上上加加速速电电压压。从从阴阴极极开开始始，设设每每级级的的光光电电流流倍倍增增率率为为，经经过过N个个倍倍增增极极后后，则则光光电电倍倍增增管管的的光光电电流流倍倍增增率率为为N。称称为为二二次次电电子子发发射射比比。不不仅仅与与物物质质的的种种类类和和表表面面状状态态有有关关，而而且且随随着着一一次次电电子子能能量量以以及及光光的的入入射角的不同有很大的差异。下表列出了几种物质的射角的不同有很大的差异。下表列出了几种物质的max值值：管内电流放大增益为：管内电流放大增益为：一般认为，一般认为，f为为90%左右，左右，g接近接近100。倍增极间的外加电压。倍增极间的外加电压Ud与总增益与总增益G的的关系可近似表示为：关系可近似表示为：传感器与检测技术传感器与检测技术11.1.3光电倍增管光电倍增管下下图图表表示示倍倍增增器器电电极极间间电电压压与与总总放放大大倍倍数数的的关关系系（以以931A型型光光电电倍倍增增管管为为例例）。N是倍增极的极数。因此可以得到：是倍增极的极数。因此可以得到：下下图图给给出出几几种种常常见见的的光光电电倍倍增增管管结结构构。图图(a)是是侧侧窗窗聚聚焦焦型型，该该型型很很早早就就得得到到了了应应用用，它它的的光光电电面面是是不不透透明明的的，从从光光的的入入射射侧侧取取出出电电子子。图图(b)是是直直接接定定向向线线性性聚聚焦焦型型，图图(c)是是直直接接定定向向百百叶叶窗窗型型，图图(d)是是直直接接定定向向栅栅格格型型。图图(b)图图(d)都都是是直直接接定定向向型型，光光电电面面是是透透明明的的。这这几几种种类类型型的的电电极极构构造造各各有有特特点点。在在图图(a)、图图(b)中中电电极极的的配配置置起起到到光光学学透透镜镜的的作作用用，为为聚聚焦焦型型，由由于于电电子子飞飞行行的的时时间间短短，时时间间滞滞后后也也小小，有有很很快快的的响响应应速速度度。图图(c)是是百百叶叶窗窗型型，图图(d)是是栅栅格格型型，电电子子飞飞行行时时间间都都比比较较长长，但不需要细致地调整倍增器电极间的电压分配就能获得较大的增益。但不需要细致地调整倍增器电极间的电压分配就能获得较大的增益。传感器与检测技术传感器与检测技术11.1.3光电倍增管光电倍增管 倍倍增增极极的的电电压压是是由由分分压压电电阻阻链链R1，R2，RN+1提提供供，如如下下图图所所示示，由由流流经经负载电阻负载电阻RL的放大电流输出电压，总的外加电压通常在的放大电流输出电压，总的外加电压通常在300V700V范围内。范围内。传感器与检测技术传感器与检测技术11.1.3光电倍增管光电倍增管光电倍增管倍增极的分压电阻链光电倍增管倍增极的分压电阻链在在检检测测脉脉冲冲式式光光源源时时，最最好好把把电电源源负负极极接接地地，这这样样有有利利于于降降低低噪噪声声。这这时时的的输输出出可可通通过过电电容容和和下下一一级级放放大大器器耦耦合合。通通常常用用电电容容器器C1、C2等等来来稳稳定定最最后后几几个个倍倍增增极极在在脉脉冲冲期期间间的的电电压压，这这些些电电容容器器起起到到稳稳定定增增益益和和防防止止饱饱和和的的作作用用，它它们们通通过过电电源源去去耦电容耦电容C实现对脉冲电压接地。实现对脉冲电压接地。传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.1内光电效应内光电效应11.2内光电效应与光电器件内光电效应与光电器件在在光光照照作作用用下下，使使得得物物体体的的导导电电性性能能发发生生变变化化或或产产生生光光生生电电动动势势的的效效应应称称为为内内光电效应。内光电效应又可分为两类：光电导效应和光生伏特效应。光电效应。内光电效应又可分为两类：光电导效应和光生伏特效应。光光照照射射引引起起载载流流子子增增加加，使使半半导导体体的的电电导导率率增增加加的的现现象象成成为为光光电电导导效效应应。几几乎乎所所有有高高电电阻阻率率半半导导体体都都有有这这种种效效应应。这这时时由由于于电电子子在在入入射射光光作作用用下下，吸吸收收光光子子能能量量，从从价价带带激激发发到到导导带带过过度度，再再到到自自由由状状态态，同同时时价价带带也也因因此此形形成成自自由由空空穴穴，致致使使导导带带的的电电子子和和价价带带的的空空穴穴浓浓度度增增大大，从从而而导导致致材材料料电电阻阻率率减减小小。为为使使电电子子从从价价带带激激发发到到导导带带，入入射射光光子子的的能能量量E0应应大大于于禁禁带带宽宽度度Eg，如如下下图图所所示示，即即光光的的波波长长应应小小于于某某一一临界波长临界波长0。传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.1光电导效应光电导效应不同的半导体材料具有不同的禁带宽度，据此可得相应的临界波长。不同的半导体材料具有不同的禁带宽度，据此可得相应的临界波长。光光电电导导元元件件工工作作示示意意图图如如下下图图所所示示。图图中中光光电电导导元元件件与与偏偏置置电电源源及及负负载载电电阻阻RL串串联联。在在一一定定强强度度的的光光的的连连续续照照射射下下，光光电电导导元元件件达达到到平平衡衡状状态态时时，输输出出的的短短路路电电流流密密度为：度为：传感器与检测技术传感器与检测技术可可以以看看出出，在在波波长长一一定定时时i0与与P成成正正比比；在在、P一一定定时时，i0与与光光波波长长成成正正比比。利利用光导效应制成的元件有光敏电阻。用光导效应制成的元件有光敏电阻。11.2.1光电导效应光电导效应在在光光照照作作用用下下，能能够够使使物物体体产产生生一一定定方方向向的的电电动动势势的的现现象象称称为为光光生生伏伏特特效效应应。当当光光照照在在PN结结附附近近，就就会会产产生生电电子子空空穴穴对对，电电子子向向N区区扩扩散散，空空穴穴向向P区区扩扩散散，在在PN结结两两端端产产生生电电势势，这这种种现现象象称称为为光光生生伏伏特特效效应应。若若在在N型型硅硅片片掺掺入入P型型杂杂质质可可形形成成一一个个PN结结，如如下下图图所所示示。在在P型型半半导导体体内内有有很很多多多多余余的的空空穴穴，N型型半半导导体体内内有有许许多多过过剩剩的的电电子子，当当N型型半半导导体体和和P型型半半导导体体结结合合在在一一起起时时，在在热热运运动动作作用用下下，N型型半半导导体体中中的的电电子子越越过过交交界界面面填填补补了了P型型半半导导体体中中的的空空穴穴，也也可可以以说说P型型半半导导体体中中的的空空穴穴越越过过交交界界面面复复合了合了N型半导体中的电子。型半导体中的电子。传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.1光电导效应光电导效应PN结产生光生伏特效应结产生光生伏特效应PN结的电压电流特性结的电压电流特性 PN结结用用于于整整流流时时，其其电电压压电电流流特特性性如如右右上上图图中中的的曲曲线线(1)所所示示。这这时时外外加加电电压压U（参考方向如图所示）与电流（参考方向如图所示）与电流Id的关系为：的关系为：当当光光照照射射PN结结时时，由由光光生生伏伏特特效效应应产产生生的的短短路路电电流流I0与与光光电电导导效效应应中中表表达达光光电电导导元件达到平衡状态时，输出短路电流密度相类似，即元件达到平衡状态时，输出短路电流密度相类似，即：传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.1光电导效应光电导效应这个电流与上式所示电流方向相反，则流经节点的电流是二者之差，即这个电流与上式所示电流方向相反，则流经节点的电流是二者之差，即：由由此此可可见见，当当有有光光照照射射时时，电电压压电电流流特特性性向向下下方方平平行行移移动动，如如上上图图中中的的曲曲线线（2）所示。当）所示。当I=0时，对时，对U求解，得开路电压为求解，得开路电压为：如果入射光较弱，如果入射光较弱，I01GHz）。）。传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.3光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管光光敏敏二二极极管管的的响响应应速速度度主主要要取取决决于于PN结结之之间间的的结结电电容容C和和载载流流子子通通过过耗耗尽尽层层的的时时间间。耗耗尽尽层层的的厚厚度度对对C和和的的影影响响正正好好起起到到相相反反效效果果，耗耗尽尽层层越越厚厚，C减减小小，但但使使增增加加。普普通通光光敏敏二二极极管管对对灵灵敏敏度度要要求求较较高高，一一般般PN结结面面积积比比较较大大，影影响响响响应应速速度度的的主主导导因因素素是是C。高高速速光光敏敏二二极极管管的的响响应应速速度度主主要要取取决决于于，耗耗尽尽层层越越薄薄，响响应应速速度度越越快快，但但是是也也不不能能太太薄薄，否否则则会会降降低低光光子子转转化化为为载载流流子子的的比比率率（量量子子效效率率）。硅硅光光敏敏二二极极管管当当耗耗尽尽层层厚度为厚度为5m时响应速度可达时响应速度可达0.1ns，带宽也很高（，带宽也很高（1GHz）。）。光光敏敏二二极极管管的的光光谱谱带带宽宽与与材材料料有有关关，硅硅光光敏敏二二极极管管为为0.4m1.1m，峰峰值值出出现现在在0.9m，锗光敏二极管的带宽为，锗光敏二极管的带宽为0.6m1.89m，峰值出现在，峰值出现在1.5m。光光敏敏三三极极管管与与光光敏敏二二极极管管相相似似，不不同同的的是是内内部部有有两两个个PN结结，类类似似一一般般三三极极管管也也有有PNP型和型和NPN型两种。和一般三极管不同的是为了扩大光照面积，它的发射极一边型两种。和一般三极管不同的是为了扩大光照面积，它的发射极一边传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.3光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管做做得得很很小小，如如图图(a)所所示示。它它可可以以等等效效看看作作一一个个光光电电二二极极管管和和一一只只晶晶体体三三极极管管的的结结合合，如如图图(b)所所示示。当当基基极极开开路路时时，基基极极集集电电极极处处于于反反偏偏。当当光光照照射射在在集集电电结结时时，就就会会在在附附近近产产生生电电子子空空穴穴对对，光光生生电电子子被被拉拉到到集集电电极极，基基区区留留下下空空穴穴，这这相相当当于于由由光光生生载载流流子子注注入入到到发发射射结结控控制制发发射射区区的的扩扩散散电电流流，使使基基极极与与发发射射极极间间的的电电压压升升高高，因因此此光光敏敏三三极极管管通通常常没没有有基基极极引引线线。最最后后，会会有有大大量量的的电电子子流流向向集集电电极极，形形成成输输出出电电流流，且且集集电电极极电电流流为为光光电电流流的的倍倍，所所以以光光敏敏三三极极管管有有放放大大作作用用，其其输输出出的的光光电电流流比比具具有有相相同同有有效面积的光敏二极管的光电流要大几十乃至几百倍，但是响应速度较二极管差。效面积的光敏二极管的光电流要大几十乃至几百倍，但是响应速度较二极管差。传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.3光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管做做得得很很小小，如如图图(a)所所示示。它它可可以以等等效效看看作作一一个个光光电电二二极极管管和和一一只只晶晶体体三三极极管管的的结结合合，如如图图(b)所所示示。当当基基极极开开路路时时，基基极极集集电电极极处处于于反反偏偏。当当光光照照射射在在集集电电结结时时，就就会会在在附附近近产产生生电电子子空空穴穴对对，光光生生电电子子被被拉拉到到集集电电极极，基基区区留留下下空空穴穴，这这相相当当于于由由光光生生载载流流子子注注入入到到发发射射结结控控制制发发射射区区的的扩扩散散电电流流，使使基基极极与与发发射射极极间间的的电电压压升升高高，因因此此光光敏敏三三极极管管通通常常没没有有基基极极引引线线。最最后后，会会有有大大量量的的电电子子流流向向集集电电极极，形形成成输输出出电电流流，且且集集电电极极电电流流为为光光电电流流的的倍倍，所所以以光光敏敏三三极极管管有有放放大大作作用用，其其输输出出的的光光电电流流比比具具有有相相同同有有效面积的光敏二极管的光电流要大几十乃至几百倍，但是响应速度较二极管慢。效面积的光敏二极管的光电流要大几十乃至几百倍，但是响应速度较二极管慢。光光敏敏三三极极管管的的光光电电灵灵敏敏度度虽虽然然比比光光敏敏二二极极管管高高很很多多，但但在在需需要要高高增增益益或或大大电电流流输输出出的的应应用用中中，需需要要采采用用达达林林顿顿光光敏敏三三极极管管，它它采采用用一一个个光光敏敏三三极极管管作作为为输输入入极极，一一个个普通三极管作为输出极，二者在内部采用共集电极连接方式（达林顿接线方式）构成普通三极管作为输出极，二者在内部采用共集电极连接方式（达林顿接线方式）构成传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.3光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管的的集集成成器器件件，如如下下图图所所示示。达达林林顿顿管管具具有有很很大大的的增增益益，其其电电流流放放大大系系数数近近似似为为两两个个管管子子分分离离时时电电流流放放大大系系数数的的乘乘积积。能能更更可可靠靠地地使使输输出出为为开开关关状状态态，也也更更容容易易驱驱动动负负载载，甚甚至至可可以以不不必必经经过过进进一一步步放放大大，便便可可直直接接驱驱动动灵灵敏敏继继电电器器。达达林林顿顿管管所所需需的的入入射射光光非非常常小小，当当输输入入为为0.1mWcm2时时，可可获获得得2mA的的集集电电极极电电流流。其其缺缺点点是是响响应应速速度度低低，当当负负载载电电阻阻为为几几千千欧欧时时，响响应应时时间间为为毫毫秒秒量量级级。且且由由于于无无光光照照时时的的暗暗电电流流也也相相应应增增大大，因此更适合于开关状态或位式信号的光电变换。因此更适合于开关状态或位式信号的光电变换。达林顿光电三极管达林顿光电三极管传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.3光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管（1）光谱特性）光谱特性光光敏敏二二极极管管的的光光谱谱特特性性是是指指在在一一定定照照度度时时，输输出出的的光光电电流流与与入入射射光光波波长长的的关关系系，或或以以相相对对灵灵敏敏度度与与入入射射波波长长之之间间的的关关系系表表示示。硅硅和和锗锗光光敏敏二二极极（三三极极）管管的的光光谱谱特特性性曲曲线线如如下下图图所所示示。可可以以看看出出，硅硅的的峰峰值值波波长长约约为为0.9m，锗锗的的峰峰值值波波长长约约为为1.5m，此此时时灵灵敏敏度度最最大大，当当入入射射光光的的波波长长增增长长或或缩缩短短时时，相相对对灵灵敏敏度度都都会会下下降降。一一般般而而言言，锗锗管管的的暗暗电电流流较较硅硅管管要要大大，性性能能较较差差，在在可可见见光光或或探探测测赤赤热热状状态态物物体体时时，一一般般采采用用硅硅管测量。但对红外光的探图下测，用锗管更为合适。管测量。但对红外光的探图下测，用锗管更为合适。传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.3光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管(2)伏安特性伏安特性下下图图(a)是是硅硅光光敏敏二二极极管管的的伏伏安安特特性性，横横坐坐标标表表示示在在其其两两端端施施加加的的反反向向偏偏置置电电压压。当当光光照照时时，反反向向电电流流随随着着光光照照强强度度的的增增大大而而增增大大，在在不不同同的的照照度度下下，伏伏安安特特性性曲曲线线几几乎平行，所以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏置电压大小的影响。乎平行，所以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏置电压大小的影响。下图下图(b)是硅光敏三极管的伏安特性。纵坐标是为光电流，横坐标为集电极是硅光敏三极管的伏安特性。纵坐标是为光电流，横坐标为集电极发射发射光敏二（三）极管的光谱特性曲线光敏二（三）极管的光谱特性曲线传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.3光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管硅光敏管的伏安特性曲线硅光敏管的伏安特性曲线极极电电压压。从从图图中中可可见见，由由于于光光敏敏三三极极管管的的放放大大作作用用，在在相相同同照照度度下下，其其光光电电流流比比相相应应的二极管大上百倍。的二极管大上百倍。传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.3光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管(3)频率特性频率特性光光敏敏管管的的频频率率特特性性是是指指光光敏敏管管输输出出的的光光电电流流（或或相相对对灵灵敏敏度度）随随频频率率变变化化的的关关系系。光光敏敏二二极极管管的的频频率率特特性性在在半半导导体体光光电电器器件件中中是是最最好好的的，普普通通光光敏敏二二极极管管频频率率响响应应时时间间可可达达10s。光光敏敏三三极极管管的的频频率率特特性性受受负负载载电电阻阻的的影影响响较较大大，下下图图为为光光敏敏晶晶体体管管频频率率特特性，可以通过减小负载电阻来提高频率响应范围，但输出电压响应也会相应减小。性，可以通过减小负载电阻来提高频率响应范围，但输出电压响应也会相应减小。光敏三极管的频率特性曲线光敏三极管的频率特性曲线传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.3光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管(4)温度特性温度特性光光敏敏管管的的温温度度特特性性是是指指光光敏敏管管的的暗暗电电流流及及光光电电流流与与温温度度之之间间的的关关系系。光光敏敏三三极极管管的的温温度度特特性性曲曲线线如如右右上上图图所所示示。由由曲曲线线可可以以看看出出，相相对对而而言言温温度度变变化化对对光光电电流流的的影影响响很很小小（图图(b)），而而对对暗暗电电流流的的影影响响很很大大（图图(a)），所所以以在在电电子子线线路路中中应应该该对对暗暗电电流流进进行温度补偿，否则将会导致输出误差。行温度补偿，否则将会导致输出误差。光敏三极管的温度特性曲线光敏三极管的温度特性曲线传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.4光电池光电池光光电电池池是是一一种种电电源源器器件件，当当受受到到光光照照射射时时，它它直直接接将将光光能能转转换换为为电电能能，可可在在电电路路中中充充当当电电源源。光光电电池池的的种种类类很很多多，有有硒硒光光电电池池、氧氧化化亚亚铜铜光光电电池池、锗锗光光电电池池、硅硅光光电电池池、砷砷化化镓镓光光电电池池等等。其其中中硅硅光光电电池池的的性性能能稳稳定定，光光谱谱范范围围宽宽，频频率率特特性性好好，光光电电转转换效率高，寿命长，耐高温换效率高，寿命长，耐高温，价格便宜，适合红外波长工作，因此最受人们的青睐。，价格便宜，适合红外波长工作，因此最受人们的青睐。光光电电池池的的工工作作原原理理是是基基于于“光光生生伏伏特特效效应应”的的。图图11-28是是硅硅光光电电池池原原理理图图。硅硅光光电电池池实实际际上上是是在在N型型硅硅片片中中掺掺入入P型型杂杂质质形形成成一一个个大大面面积积的的PN结结。当当光光照照射射到到PN结结上上的的一一个个面面，如如P区区时时，若若光光子子能能量量大大于于半半导导体体材材料料的的禁禁带带宽宽度度，则则P区区每每吸吸收收一一个个光光子子，就就产产生生一一对对自自由由电电子子-空空穴穴，电电子子-空空穴穴对对从从表表面面向向内内迅迅速速扩扩散散，在在结结电电场场的的作作用用下下，将将建建立立一一个个与与光光照照强强度度有有关关的的电电动动势势。如如果果将将负负载载电电阻阻接接在在两两电电极极间间，则则电电路路中中便便产产生了电流，如图下图所示。生了电流，如图下图所示。传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.4光电池光电池硅光电池等效电路硅光电池等效电路光电池基本特性有以下几种：光电池基本特性有以下几种：光光电电池池在在不不同同波波长长入入射射光光下下的的灵灵敏敏度度是是不不同同的的。下下图图为为硅硅光光电电池池和和硒硒光光电电池池的的光光谱谱特特性性曲曲线线。从从图图中中可可知知，由由于于材材料料的的不不同同，光光电电池池的的光光谱谱响响应应峰峰值值所所对对应应的的入入射射光光波波长长是是不不同同的的，硅硅光光电电池池的的峰峰值值波波长长在在0.8m附附近近，其其光光谱谱响响应应波波长长范范围围为为0.41.2m；而硒光电池的峰值波长在；而硒光电池的峰值波长在0.5m附近，其光谱响应波长范围只有附近，其光谱响应波长范围只有传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.4光电池光电池0.380.75m。可见，硅光电池可以在很宽的波长范内得到应用。可见，硅光电池可以在很宽的波长范内得到应用。光光电电池池在在不不同同的的光光照照度度下下，具具有有不不同同的的光光电电流流和和光光生生电电动动势势，它它们们之之间间的的关关系系就就是是光光照照特特性性。下下图图为为硅硅光光电电池池的的开开路路电电压压和和短短路路电电流流与与入入射射光光照照度度的的关关系系曲曲线线。从从图图中中看看出出，短短路路电电流流在在很很大大范范围围内内与与光光照照强强度度呈呈线线性性关关系系，开开路路电电压压（即即负负载载电电阻阻RL无无限限大大时时）与与光光照照度度的的关关系系是是非非线线性性的的，并并且且当当照照度度在在2000lx时时就就趋趋于于饱饱和和了了。因因此此用用光电池作为测量元时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜采用电压源工作方式。光电池作为测量元时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜采用电压源工作方式。传感器与检测技术传感器与检测技术硅光电池的光照特性硅光电池的光照特性下下图图是是硅硅光光电电池池和和硒硒光光电电池池的的频频率率特特性性，即即光光电电池池的的相相对对光光电电流流与与光光调调制制频频率率之之间的关系。相对而言，硅光电池具有较好的频率响应。间的关系。相对而言，硅光电池具有较好的频率响应。硅光电池和硒光电池的频率特性硅光电池和硒光电池的频率特性11.2.4光电池光电池传感器与检测技术传感器与检测技术光光电电池池的的温温度度特特性性是是描描述述光光电电池池的的开开路路电电压压和和短短路路电电流流随随温温度度变变化化的的情情况况。光光电电池池都都是是半半导导体体器器件件，温温度度对对其其工工作作有有很很大大的的影影响响，它它直直接接影影响响到到应应用用光光电电池池的的仪仪器器或或设设备备的的温温度度漂漂移移，从从而而会会影影响响测测量量精精度度或或控控制制精精度度等等重重要要指指标标，因因此此温温度度特特性性是是光光电电池池的的重重要要特特性性之之一一。硅硅光光电电池池的的温温度度特特性性如如下下图图所所示示。从从图图中中看看出出，随随着着温温度度的的升升高高，开开路路电电压压下下降降的的速速度度较较快快，而而短短路路电电流流呈呈现现缓缓慢慢增增加加趋趋势势，因因此此把把它它作作为为测测量量元元件件使使用时，最好能采用电流源工作模式，并保证温度恒定或采取温度补偿措施。用时，最好能采用电流源工作模式，并保证温度恒定或采取温度补偿措施。11.2.4光电池光电池传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.5光电闸流晶体管光电闸流晶体管光光电电闸闸流流晶晶体体管管是是由由入入射射光光触触发发而而导导通通的的晶晶闸闸管管，简简称称光光控控晶晶闸闸管管，通通常常又又称称光光激激晶晶闸闸管管。其其结结构构如如下下图图(a)所所示示。在在硅硅片片上上制制作作NPNP4个个薄薄层层，阳阳极极置置于于基基片片上上（最最下下面面的的P区区），从从最最上上面面的的N区区引引出出阴阴极极，在在紧紧接接着着阴阴极极的的P层层引引出出控控制制极极，在在表表面面上上加加一一层层Si02作作为为保保护护膜膜，再再密密封封在在有有透透光光窗窗口口的的管管壳壳中中。其其内内部部等等效效电电路路及及工工作作原原理理电电路路如如图图(b)所所示示。当当P1接接电电源源正正极极，N2接接电电源源负负极极时时，J1结结和和J3结结处处于于正正向向偏偏置状态，置状态，J2结处于反向偏置状态。结处于反向偏置状态。光电闸流晶体管结构及原理电路光电闸流晶体管结构及原理电路传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.5光电闸流晶体管光电闸流晶体管光光电电闸闸流流管管的的4层层结结构构可可以以看看成成P1N1P2和和N2P2N1两两个个晶晶体体管管在在内内部部连连接接在在一一起起而而构构成成，如如上上图图(b)所所示示，且且每每个个晶晶体体管管的的基基极极均均与与另另一一个个晶晶体体管管的的集集电电极极相相连连。等等效效电电路路中中的的二二极极管管D用用来来表表示示J2的的PN结结的的反反向向漏漏电电流流。如如果果设设两两个个三三极极管管V1和和V2的的共共基极（阳基极（阳-阴极短路）电流放大系数（小于阴极短路）电流放大系数（小于1）分别为）分别为1、2，则有如下的关系：，则有如下的关系：则：则：则光控晶闸管的导通电流则光控晶闸管的导通电流IA为：为：IP的的产产生生及及变变化化是是由由光光照照射射引引起起的的，所所以以控控制制端端的的IG可可以以为为零零。当当满满足足1+2=1时，在光照射时随着时，在光照射时随着IP增加，增加，IA将会急剧增大，晶闸管导通。将会急剧增大，晶闸管导通。传感器与检测技术传感器与检测技术11.2.6光电耦合器件光电耦合器件光光电电耦耦合合器器件件的的发发光光元元件件和和接接收收元元件件都都封封装装在在一一个个外外壳壳内内，它它以以光光作作为为媒媒介介把把输输入入端端的的电电信信号号耦耦合合到到输输出出端端，一一般般有有金金属属封封装装和和塑塑料料封封装装两两种种。根根据据结结构构和和用用途途的的不不同同，光光电电耦耦合合器器件件可可分分为为两两类类，一一类类是是用用于于实实现现电电隔隔离离的的光光电电耦耦合合器器（又又称称光光电电隔隔离离器），另一类是用于检测物体位置或检测有无物体的光电开关。器），另一类是用于检测物体位置或检测有无物体的光电开关。光光电电耦耦合合器器件件具具有有体体积积小小、寿寿命命