光电式传感器
光电效应、光敏电阻、光纤传感器、光电耦合器原理与应用
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光电式传感器
- 内、外光电效应
- 光敏电阻原理、光谱特性
- 光纤结构及传光原理、NA 的概念与含义
- 光电耦合器原理
- 光敏二极管使用方式
光电效应基础
光电效应分类
1. 外光电效应（光电发射效应）
定义： 当光照射到某些金属或半导体表面时，材料中的电子吸收光子能量，克服表面势垒逸出到真空中的现象。
基本方程：
$$ E_k = h\nu - W_0 $$
其中：
- $E_k$ 为光电子的动能
- $h$ 为普朗克常数
- $\nu$ 为光频率
- $W_0$ 为逸出功
特点：
- 存在红限频率：$\nu_0 = \frac{W_0}{h}$
- 光电流与光强成正比
- 光电子动能与光频率有关，与光强无关
- 响应时间极短（10⁻⁹s）
典型器件：
- 光电管
- 光电倍增管
- 光电阴极
应用：
- 弱光检测
- 光谱分析
- 图像增强器
2. 内光电效应
定义： 光照射到半导体材料上时，材料内部产生载流子（电子-空穴对），改变材料电导率的现象。
分类：
2.1 光电导效应
原理： 光子能量大于禁带宽度时，价带电子跃迁到导带，产生电子-空穴对，增加载流子浓度。
条件：
$$ h\nu \geq E_g $$
其中 $E_g$ 为禁带宽度
典型器件：
- 光敏电阻
- 光敏晶体管
2.2 光伏效应
原理： 光照射 PN 结时，在内建电场作用下，光生载流子分离，产生光电动势。
特点：
- 不需外加电源
- 可直接输出电压或电流
- 响应速度快
典型器件：
- 光电池
- 光伏电池
- 光敏二极管
光敏电阻
工作原理
基本原理： 基于光电导效应，当光照射到光敏电阻表面时，半导体材料吸收光子产生电子-空穴对，载流子浓度增加，电阻值减小。
电阻变化关系：
$$ R = \frac{A}{(I_d + I_L)^{\gamma}} $$
其中：
- $R$ 为光敏电阻阻值
- $A$ 为材料常数
- $I_d$ 为暗电流
- $I_L$ 为光电流
- $\gamma$ 为常数（0.5-1.0）
简化关系： 在一定光照范围内：
$$ R = \frac{R_0}{1 + k \cdot E} $$
其中：
- $R_0$ 为暗电阻
- $k$ 为光敏常数
- $E$ 为光照度
光谱特性
常用光敏电阻材料
| 材料 | 光谱响应范围 | 峰值响应波长 | 特点 | 应用 |
|---|---|---|---|---|
| 硫化镉(CdS) | 400-700nm | 550nm | 可见光敏感，价格低 | 照相机测光、路灯控制 |
| 硒化镉(CdSe) | 500-750nm | 650nm | 红光敏感 | 红外探测、火焰监测 |
| 硫化铅(PbS) | 800-3000nm | 2000nm | 近红外敏感 | 红外测温、夜视设备 |
| 锗(Ge) | 800-1800nm | 1500nm | 远红外敏感 | 红外通信、遥感 |
| 硅(Si) | 400-1100nm | 900nm | 宽光谱响应 | 光电检测、太阳能电池 |
光谱特性参数
光谱灵敏度：
$$ S(\lambda) = \frac{I_{ph}(\lambda)}{P(\lambda)} $$
其中：
- $S(\lambda)$ 为某波长下的光谱灵敏度
- $I_{ph}(\lambda)$ 为该波长下的光电流
- $P(\lambda)$ 为该波长下的入射光功率
量子效率：
$$ \eta(\lambda) = \frac{光生载流子数}{入射光子数} $$
光敏电阻特性
优点
- 灵敏度高：电阻变化范围大（可达几个数量级）
- 光谱响应宽：可覆盖可见光到红外光
- 结构简单：制造工艺简单，成本低
- 工作电压低：一般几伏到几十伏
缺点
- 响应速度慢：毫秒到秒级
- 温度特性差：受温度影响较大
- 光谱选择性差：难以实现窄带响应
- 非线性严重：光照-电阻关系非线性
光纤传感器
光纤结构
基本结构
各层作用：
- 纤芯：光传输的主要区域，折射率 n₁
- 包层：约束光在纤芯中传播，折射率 n₂ < n₁
- 保护层：机械保护，防止外界影响
传光原理
全反射条件
全反射发生条件：
$$ \sin\theta_c = \frac{n_2}{n_1} $$
其中：
- $\theta_c$ 为临界角
- $n_1$ 为纤芯折射率
- $n_2$ 为包层折射率
光线传播： 当入射角 $\theta > \theta_c$ 时，光线在纤芯-包层界面发生全反射，光被约束在纤芯中传播。
数值孔径(NA)
定义： 数值孔径是光纤接收光线能力的度量，表示光纤能够接收的最大光锥角。
计算公式：
$$ NA = \sin\theta_{max} = \sqrt{n_1^2 - n_2^2} $$
其中：
- $\theta_{max}$ 为最大接收半角
- $n_1$ 为纤芯折射率
- $n_2$ 为包层折射率
物理意义：
- NA 越大：光纤接收光的能力越强，耦合效率越高
- NA 越小：光纤的方向性越好，适合精密测量
典型数值：
- 阶跃型多模光纤：NA = 0.2-0.5
- 渐变型多模光纤：NA = 0.2-0.3
- 单模光纤：NA = 0.1-0.15
光电耦合器
工作原理
工作过程：
- 光电转换：输入电信号驱动发光器件发光
- 光传输：光信号通过透明绝缘介质传播
- 光电接收：光敏器件接收光信号转换为电信号
- 电隔离：输入输出完全电气隔离
光敏二极管
反向接入 P 负 N 正 阳极接负电压，阴极接正电压