光电传感器检测技术,传感器性能特点

光电传感器检测技术

一、光电传感器概述

　　1.定义 1.定义 通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量， 通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并 能将光能转化成电信号的器件。 2.结构 2.结构 光源、 光源、光学元件和光电变换器三部分组成。 3.工作试验方法 3.工作试验方法 被测量使光源发射的光通量变化→ 被测量使光源发射的光通量变化→光电变换器接受到 的光通量相应变化→输出电量也作相应地变化。 的光通量相应变化→输出电量也作相应地变化。 4.优点 4.优点 结构简单、体积小、响应快，可靠性高、抗干扰能力强。 结构简单、体积小、响应快，可靠性高、抗干扰能力强。

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　　二、光电效应

　　定义

　　光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物 体的轰击， 体的轰击，物体吸收光子能量产生相应的电效应。

　　光子能量

　　E = h? f = h?

　　光的 频率

　　C

　　光速

　　λ

　　光的 波长

　　式中h=6.626× 式中h=6.626×10-34 J·S，为普朗克常数。 h=6.626 S 为普朗克常数。

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　　三、光电效应的分类

　　通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为 外光电效应和内光电效应。 外光电效应和内光电效应。

　　1.外光电效应 1.外光电效应

　　外光电效应(1887/赫兹/德国)：光照射固体而从 外光电效应(1887/赫兹/德国)：光照射固体而从 赫兹 )： 表面逸出电子的现象，称为外光电效应( 表面逸出电子的现象，称为外光电效应(光电发射效 应); 基于外光电效应 的光电器件属于光电 发射型器件, 发射型器件,有光电 光电倍增管等。 管、光电倍增管等。

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　　光电倍增管工作试验方法图

　　光电 阳极

　　K

　　光电 阴极

　　D1～D6光电 倍增极

　　(1)组成 光电阴极：由半导体材料锑-铯制造，入射光在它上面打出光电子。 光电阴极：由半导体材料锑-铯制造，入射光在它上面打出光电子。 光电倍增极：数目在4 14个不等 个不等。 光电倍增极：数目在4～14个不等。 光电阳极：收集电子，外电路形成电流输出。 光电阳极：收集电子，外电路形成电流输出。 在工作时,这些电极的电位是

　　逐级增高的。 在工作时,这些电极的电位是逐级增高的。

　　阴极K电位*低，阳极A电位*高。各电极之间保持上百伏的电压差。 阴极 电位*低，阳极A电位*高。各电极之间保持上百伏的电压差。 电位*低

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　　光电倍增管工作试验方法图

　　(2)工作试验方法： 工作试验方法： 光电倍增极→ 光 → 阴极 → 光电倍增极→ 阳极 → 光电流 光线→光电阴极( 正电位作用)→ )→加速并打在*倍增极 光线→光电阴极(D1正电位作用)→加速并打在*倍增极D1上,产生二

　　次发射; 次发射; 的二次发射电子( 正电位作用)→ )→加速入射到电极 D1的二次发射电子(D2正电位作用)→加速入射到电极D2上; …这样逐级前进,一直到达阳极A为止。由上述的工作过程可见,光电 这样逐级前进, 为止。由上述的工作过程可见, 这样逐级前进 流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。 流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。

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　　特点：产生光电流，对光电流有放大作用。 特点：产生光电流，对光电流有放大作用。

　　如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子， 如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子，这个电子将被 *倍增极的正电压所加速而轰击*倍增极，设这时*倍增极有σ *倍增极的正电压所加速而轰击*倍增极，设这时*倍增极有σ个 二次电子， 个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又增加σ 二次电子，这σ个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又增加σ 经过n个倍增极后，原先的1个电子将变成σ 个电子， 倍，经过n个倍增极后，原先的1个电子将变成σn个电子，这些电子*后被 阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。 阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。 构成倍增极材料的σ>1， 构成倍增极材料的σ>1，设σ=4，n=10，放大倍数为σ=410≈ 106 10，放大倍数为σ 可见，光电倍增管的放大倍数是很高的。 可见，光电倍增管的放大倍数是很高的。

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　　2、内光电效应

　　受光照物体(通常为半导体材料) 受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产 生光电动势的效应称为内光电效应。 生光电动势的效应称为内光电效应。 内光电效应按其工作试验方法分为两种： 内光电效应按其工作试验方法分为两种：光电导效应和光 生伏*应。 生伏*应。

　　(1)光电导效应

　　试验方法： 试验方法：光 → 半导体 → 电子吸收能 电子-空穴对→ 量 → 跃迁 → 电子-空穴对→导电 性能→电阻值。 性能→电阻值。 基于这种效应的光电器件有光敏电 光电导型) 阻(光电导型)和反

　　向工作的光敏二极 光敏三极管(光电导结型) 管、光敏三极管(光电导结型)。

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　　导带 禁带 价带 半导体能带图

　　a.光敏电阻(光导管) a.光敏电阻(光导管) 光敏电阻

　　特点：灵敏度高,体积 特点：灵敏度高, 重量轻, 小,重量轻,光谱响应 范围宽,机械强度高, 范围宽,机械强度高, 耐冲击和振动, 耐冲击和振动,寿命长 等优点。 等优点。

　　试验方法：电阻器件，加直流偏压，无极性 试验方法：电阻器件，加直流偏压， 无光照---电子-空穴对很少---电阻大(暗电阻)---暗电流很小 ---电子 ---电阻大 无光照---电子-空穴对很少---电阻大(暗电阻)---暗电流很小 有光照---电子-空穴对增多---电阻小(亮电阻)---亮电流很大 ---电子 ---电阻小 有光照---电子-空穴对增多---电阻小(亮电阻)---亮电流很大

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　　主要参数： 主要参数：

　　暗电流：光照时，通过光敏电阻的电流; 暗电流：光照时，通过光敏电阻的电流; 亮电流：有光照时，通过光敏电阻的电流; 亮电流：有光照时，通过光敏电阻的电流; 光电流=亮电流- 光电流=亮电流-暗电流

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　　4. 基本特性

　　部分光敏元件的光谱特性 光谱特性 光照特性 伏安特性 频率特性 温度特性

　　光敏电阻的光谱特性是指光电流对不同波 长单色光的相对灵敏度。 长单色光的相对灵敏度。

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　　部分光敏元件的光谱特性

　　光敏电阻的光谱特性是指光电流对不 同波长单色光的相对灵敏度。 同波长单色光的相对灵敏度。

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　　光敏电阻的光照特性

　　光敏电阻的光照特性是指在一定的电压 光电流I与光照强度E 下，光电流I与光照强度E的关系 。

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　　光敏电阻的伏安特性

　　光敏电阻的伏安特性是指在一定强度的光 照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。 照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。

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　　光敏电阻的频率特性

　　频率特性系指光敏电阻上的光电流对入 射光调制频率的响应特性 。

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　　硫光铅光谱温度特性

　　温度特性系指光敏电阻工作特性受温度的影响。 温度特性系指光敏电阻工作特性受温度的影响。

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　　b.光敏二极管和光敏三极管 b.光敏二极管和光敏三极管

　　光敏管的工作试验方法与光敏电阻是相似的, 光敏管的工作试验方法与光敏电阻是相似的,其差别只是 光照在半导体结上而已。 光照在半导体结上而已。

　　(a)光敏二极管

　　(b)光敏三极管

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　　2.光生伏*应 2.光生伏*应

　　光生伏*应指半导体材料P 光生伏*应指半导体材料P-N结受到光照后产 生一定方向的电动势的效应。 生一定方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电器 件是自发电式的,属有源器件。 件是自发电式的,属有源器件。以可见光作光源的光 电池是常用的光生伏特型器件, 电池是常用的光生伏特型器件,硒和硅是光电池常用 的材料,也可以使用锗。 的材料,也可以使用锗。

　　硅光电池：在N型 硅光电池： 硅片上掺入P 硅片上掺入P型杂 质，形成一个大 面积的PN PN结 面积的PN结。

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　　硅光电池光照特性

　　光电池在不同光照强度下， 光电池在不同光照强度下，有不同的光生电 势或光生电流 。

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　　四、光电传感器的应用实例

　　由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多， 由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多， 又具有非接触、高精度、高分辨率、 又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和 响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、 响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、 CCD器件 光导纤维等的相继出现和成功应用， 器件、 CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用， 使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的 应用。 应用。

　　按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传 感器。 感器。 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、 反射式、辐射式四种基本形式。 反射式、辐射式四种基本形式。

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　　下图表明了四种形式的工作方式。 下图表明了四种形式的工作方式。

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　　下面举一实例，说明光敏器件的具体应用。直射式光电转 下面举一实例，说明光敏器件的具体应用。 速传感器的结构见下图。 速传感器的结构见下图。

　　开孔圆盘

　　工作试验方法： 工作试验方法：开孔圆盘上 有许多小孔， 有许多小孔，开孔圆盘 旋转一周， 旋转一周，光敏元件输 出的电脉冲个数等于圆 盘的开孔数，因此， 盘的开孔数，因此，可 通过测量光敏元件输出 的脉冲频率， 的脉冲频率，得知被测 转速。 转速。

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　　直射式光电转速传感器

　　开孔圆盘

　　60 f n= r / min m

　　转速; 式中n——转速; 转速 f——脉冲频率; 脉冲频率; 脉冲频率 。m——圆盘开孔数。 圆盘开孔数。 圆盘开孔数

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　　比色温度计 ：通过测量热辐射体在两个以上波长 的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表。 的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表。

　　被测对象经物镜1成像经光栏3与光导棒4投射到分光镜6 被测对象经物镜1成像经光栏3与光导棒4投射到分光镜6上，它使长波 红外线)辐射线透过，而使短波(可见光)部分反射。 (

　　红外线)辐射线透过，而使短波(可见光)部分反射。透过分光镜的辐射 线再经滤光片9将残余的短波滤去， 后被红外光电元件硅光电池10接收， 10接收 线再经滤光片9将残余的短波滤去，之后被红外光电元件硅光电池10接收， 转换成电量输出;由分光镜反射的短波辐射线经滤波片7将长波滤去， 转换成电量输出;由分光镜反射的短波辐射线经滤波片7将长波滤去，而被 可见光硅光电池8接收， 可见光硅光电池8接收，转换成与波长亮度成函数关系的电量输出。

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　　将这两个电信号输入自动平衡显示纪录仪进行比较得出光电信号比， 将这两个电信号输入自动平衡显示纪录仪进行比较得出光电信号比， 即可读出被测对象的温度值。 即可读出被测对象的温度值。 光栏3前的平行平面玻璃2将一部分光线反射到瞄准反射镜5 光栏3前的平行平面玻璃2将一部分光线反射到瞄准反射镜5上，在经 反射镜11 目镜12和棱镜13 11、 12和棱镜13， 反射镜11、目镜12和棱镜13，便能从观察系统中看到被观测对象的状 以便校准仪器的位置。 态，以便校准仪器的位置。

前言：
目前，工业生产安全，环境污染等问题倍受关注。所发生的事故中，有一类是由于有毒、易燃、易爆气体的泄漏所造成。因此，对于此类气体的检测，预警及其防范有其重要意义。越来越多的企业致力于有毒/有害气体的监测。本文将简要介绍气体检测传感器的类型，特点及ADI公司在此应用中所提供给的出色信号调理器件。
一、气体传感器的类型
传感器是气体检测设备的核心元件，按照其检测试验方法可分为：金属氧化物半导体式传感器、电化学式传感器、催化燃烧式传感器、红外式传感器、PID光离子化传感器等。
1 金属氧化物半导体式传感器
金属氧化物半导体式气体传感器是利用在一定温度下，被测气体的吸附作用，改变半导体的电导率，其变化率与气体成份，浓度相关。通过检测电阻的变化，检测得待测气体。半导体式气体传感器的主要特点：灵敏度高，响应快，寿命长，成本低，对湿度敏感度低，但需要高温加热，气体的选择性差，环境因素影响大，输出稳定性差，功耗高。广泛使用的在气体的微漏现象的测量，如 甲烷(天然气、沼气)、酒精、一氧化碳(城市煤气)、硫化氢、氨气(包括胺类，肼类)等气体，但不宜用于精密测量气体含量的场合。
2 电化学式传感器
电化学气体传感器是一种微燃料电池元件，利用气体在电化学氧化/还原反应试验方法，气体在工作电极发生化学反应，在化学试剂、电极间产生电流，电流随着气体浓度变化而变化，通过检测电流的大小得到气体浓度的值。这种类型传感器包括原电池型、恒定电位电解池型、浓差电池型、极限电流型等。电化学传感器的主要特点是气体的高灵敏度、选择性好，长期稳定性好，相应时间慢，但寿命短，此类传感器可以检测许多有毒气体和氧气，例如一氧化碳、硫化氢、氨气和氧气等。
3 催化燃烧式传感器
催化燃烧式气体传感器是是气敏材料在通电状态下，可燃气体在催化剂作用下燃烧，由于燃烧使气敏材料温度升高从而电阻发生变化。一般是在铂电阻的表面制备耐高温的催化剂层，在一定的温度下，可燃性气体在其表面催化燃烧，铂电阻温度升高，电阻变化，变化值是可燃性气体浓度的函数。此类型气体传感器的主要特点是精度高，相应快，寿命长，在可燃性气体范围内，选择性差，且容易发生"传感器中毒"（有机物蒸汽会使传感器失效），有引爆气体的危险。
4 红外式传感器
红外式传感器是根据光谱吸收法，气体对某个中红外区的特定波长的吸收试验方法，检测特征吸收峰位置的吸收强度，确定某气体的浓度及其种类。其特点是，抗中毒性好，灵敏度高，但结构复杂，成本高。对大多数碳氢化合物都有反应，如甲烷，乙炔，氨气，二氧化碳等，可以有效地分辨气体的种类，准确测定气体浓度。
5 PID光离子化气体传感器
PID光离子化传感器由紫外灯光源和离子室等主要部分构成，通过离子室内的正负电极，形成电场，在紫外灯的照射下，离子化待测气体，生成正负离子，在电极间形成电流，经放大输出信号。PID光离子化气体传感器精度高，灵敏度好，响应快，无中毒问题，安全可靠，但成本高，定期维护。主要用于挥发性有机化物测量，如芳香烃类、酮类、醛类等。
二 、信号调理要求
1 半导体式：
此类通常传感器含有4/6个引脚，如图1所示：H/h 为加热级，A/a与B/b是敏感电阻的两极，器中A/a内部短路，B/b内部短路。VH是加热电压，Vc是激励电压，RL为端接负载电阻。通过两端的电压VRL可得到传感器的阻值，即可得到气体的浓度（根据传感器厂家提供的特征曲线计算）。
在测量VRL时，对后端的放大器和数据转换器（ADC）的要求一般不高，一般选取高输入阻抗，带宽小于1Mhz的低成本的放大器。ADC：低成本，一般采用单片机（MCU）集成的ADC 分辨率>=8 bits, 采样率 < 1Kbps，或直接采用比较器，作为报警功能使用。门限值的调整与负载电阻RL相关。
AD8613是低成本，低功耗的放大器，带宽400Khz，失调电压2.2mV，可作为缓冲/放大电路使用。
AD7170是低功耗，分辨率12bit，数据吞吐率为125hz S/D型ADC，适合低功耗，一般精度要求的数据采集系统。
2 电化学式：电化学式传感器通常是电流方式输出，信号的灵敏度从几十nA/ppm到几百nA/ppm，其数值根据气体的种类不同而不同。另外，不同厂家的传感器也略有差异。此类传感器一般3个引脚，分别是工作电极（WE）/参考电极（RE）/对电极（CE）。 工作电极与对电极之间流动的电流与气体浓度成比例。参考电极没有电极流动，只是提供一个参考电压。对于不同气体传感器，参考电压会有所不同，设计后端电路时要仔细阅读产品手册。该传感器需要使用TIA（Trans Impedance Amplifier）将电流信号转成电压信号，再进行模数转换。由于信号的输出电流较小，需要选用Ib（偏置电流<10pA）较小的精密运算放大器。
ADA4505-1/2/4是超低功耗，轨到轨，零交越失真输入输出放大器。Ib为0.5pA，供电范围1.8～5V，每个放大器的功耗为10μA，非常适合此应用。
AD7988-1是16bit分辨率，100Kbps采样率的SAR型超低功耗ADC。功耗在100Kbps采样率时仅0.7mW。
AD7792/3是16/24bit分辨率，低功耗的S/D型ADC。内部集成仪表放大器及其参考源，适于低频高精度的采样系统。
3 催化燃烧式：
催化燃烧式传感器如图5所示。包括探测器端和补偿端。通过配置外围的R1/R2/VR，使电桥平衡。采用惠斯通电桥试验方法，感应电阻与环境中的可燃气体发生无焰燃烧，使温度使感应电阻的阻值发生变化，打破电桥平衡，使之输出稳定的电信号，再经过信号放大电路、稳定和处理*终得到测量数。在此种应用中，需要放大器有较高的共模抑制比，低失调电压，可选用仪表放大器实现。
AD8420是低功耗90μA，宽电压供电范围2.7V～36V，高共模抑制（>100dB）的轨到轨输出的仪表放大器。

4 红外式：
热势电是红外传感器中重要的一种，其传感器及其典型接口电路如图7和图8所示，框中部分是传感器，内部集成有JFET和CMOS运放两种形式。对外部均需要精密运算放大器对输出的信号进行调理。温度的变化对于此类传感器影响较大，一般有温度校正的环节。

5 PID光离子化式：

PID光电离式传感器的电路部分不仅包括信号的检测电路，还包括紫外光的电源驱动，风扇控制电路等控制。严格的说，它是一个气体探测器，而非传感器。以下仅讨论起信号的检测部分。光离化后，产生的离子流通常在0.1nA的等级，需要微弱信号检测技术。需超低偏流的TIA放大器，处理噪声极为重要，如图9所示。信号放大之后需要高精度，低噪声的模数转换器ADC。当然，也有一些传感器将这些都处理好，提供给用户的直接是mV级灵敏度的电压信号。再此基础上，用户就可以通过简单的放大电路进行处理。AD549L：针对微弱电流信号的检测，它是提供了目前业界出色的超低偏流放大器，Ib仅60fA max。
AD7190是分辨率24bit，超高精度S/D型ADC，在4.7Hz吞吐率，增益128时，噪声水平仅为8.5nV/sqrt Hz.广泛的用于超高精度数据采样系统。
对于气体传感器后端的信号处理，ADI提供了非常有竞争力的信号调理产品，如上所述的运算放大器、仪表放大器、数据转换器等。表1给出了针对不同类型的气体传感器对信号调理器件的主要参数需求，及其推荐器件。

三、综述
有毒有害等气体的检测，已成为环境监测与化学分析应用的一个重要分支，其传感器的发展随着应用的需求也在发生着变化。同时，对后端的信号处理，也提出了挑战。ADI公司一直致力于精密信号处理，其领先的技术及信号调理产品（放大器，数据转换器等）在气体测量的可靠性，精准性方面，带来了出色的性能，很好的满足这一应用的需求。
参考文献：
1 - AD8613/7，ADA4052，AD8420，AD8622，OP2177，AD549，AD7170，AD7792/3，AD7988-1，AD7190/2数据手册。
2 - Luis Orozco - 《Designing a Low-Power Toxic Gas Detector》 Analog Dialog
3 - 潘小青，刘庆成 《气体传感器及其发展》，东华理工学院学报，Vol127，No11 Mar. 2004

传感器测量的方法

测量方法是实现测量过程所采用的具体方法，应该根据被测量的性质、特点和测量任务的要求来选择适当的测量方法。

1.按照测量过程的特点分类：可将测量方法分为直接测量和间接测量。

（1）直接测量

直接测量是针对被测量选用专用仪表进行测量，直接获取被测量值的过程。

（2）间接测量

用直接测量法得到与被测量有确切函数关系的一些物理量，然后通过计算求得被测量值的过程成为间接测量。

2.按照检测时对偏差的处理方式：可以分为偏差式测量、零位式测量和微差式测量。

（1）偏差式测量

用事先标定好的测量仪器进行测量，根据被测量引起显示器的偏移值直接读取被测量的值。

（2）零位式测量

将被测量x与某一已知标准量s完全抵消，使作用到检查仪表上的效应等于零。

（3）微差式测量

将零位测量和偏差测量结合起来，把被测量的大部分抵消，选用灵敏度较高的仪表测量剩余部分的数值，被测量便等于标准量和仪表偏差值之和。

3.根据传感器是否与被测量对象直接接触：可分为接触式测量和非接触式测量。

（1）接触式测量

检测仪表的传感器与被测对象直接接触，承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得信号，并测量其信号大小的方法，称接触式测量。

（2）非接触式测量

检测仪表的传感器不与被测对象直接接触，而是间接承受被测参数的作用，感受其变化，从而获得信号，以达到测量目的的方法，称非接触式测量。