传感器原理 孟立凡蓝金 辉cgq10课件

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1、第10章光电式传感器10.1光电式传感器的工作原理及基本组成10.2光电式传感器中的敏感元件10.3光电式传感器的类型及设计10.4光电式传感器的应用光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置，光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现非电量的测量。其核心（敏感元件）是光电器件，基础是光电效应。光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学量的其它被测量，然后输出电信号。测量光学量时，光电器件是作为敏感元件使用；而测量其它物理量时，它作为变换元件使用。光电式传感器由

2、光路及电路两大部分组成，光路部分实现被测信号对光量的控制和调制，电路部分完成从光信号到电信号的转换。10.1光电式传感器的工作原理及基本组成常用的光电转换元件有真空光电管、充气光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电池、光电二极管及光敏三极管等，它们的作用是检测照射其上的光通量。选用何种形式的光电转换元件取决于被测参数所需的灵敏度、响应的速度、光源的特性及测量环境和条件等。10.2光电式传感器中的敏感元件当光照射在某些物体上时，光能量作用于实测物而释放出电子，这种现象称为光电效应，所放出的电子叫光电子。光电效应一般分为外光电效应和内光电效应两大类。根

3、据这些效应可以做出相应的光电转换元件，简称光电元件或光敏器件。光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。爱因斯坦的光子假设：光子是具有能量的粒子，每一光子的能量:h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）不同频率的光子，具有不同的能量。10.2.1外光电效应型光电器件E=hν根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子

4、的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理该方程称为爱因斯坦光电效应方程。式中m—电子质量；v0—电子逸出速度；A—表面电子逸出功不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的极限频率，称为红限频率（ν０），相应的极限波长称为阈波长（λ０）。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率（波长小于阈波长），即使光线微弱

5、，也会有光电子射出。从光子假设中可看到:某一金属（或某一物质）产生光电效应时，有一定的光频阈值存在。光电子初动能决定于光的频率，而和入射光的强度无关。一个光子的全部能量是一次被一个电子所吸收，无需积累能量的时间.利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。左图为光电发射检测装置，右图为测出的光电流

6、随光强的变化曲线，可以看出：在足够的外加电压下，当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。1.光电管及其基本特性(1)结构与工作原理光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图所示。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。当光照在阴极上时，中央阳极可收集从阴极上逸出的电子，在外电场作用下形成电流I。充气光电管管壳内充有低压惰性气体

7、（通常是氩气和氖气），由于气体被电离而形成的电子倍增效应，使到达阳极的电子数目比真空光电管大10倍左右。与真空光电管相比，灵敏度高，但稳定性和频率特性差。(2)主要性能1)光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阳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。它是应用光电传感器参数的主要依据。图（a）中，同一光强下，在0～20V范围内，阳极电压增大，光电子到达阳极的数目也增大，阳极电流急剧增大，当阳极电压大于20V后，随着电压的增大，电流几乎不变，这部分称为饱和区。另外，随着光强的增加，光电流增大，即光电流与光强成正比。图（

8、a）真空光电管图（b）充气光电管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为光电管的光照特性。其特性曲线如下