传感器与检测技术---第8章 光电式传感器

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1、8.1光电器件8.2光纤传感器8.３红外传感器返回主目录第8章光电式传感器将光能转换为电能的设备称作光电式传感器件,它的最主要部件光电器件8.1光电器件光电器件的物理基础是光电效应。光电效应可分为外光电效应和内光电效应两类。1.外光电效应由光子理论可知，光是由光子组成的，光子具有能量，每个光子具有的能量可由下式表示：E=hγ（8－1）式中：h为普朗克常数，γ为光的频率。由(8－1)式可知，光的频率越高（即波长越短），其光子的能量就越大。反之，若光的频率越低（即波长越长），其光子的能量就越小。当光照射物体时，可以看作物体被一连串能量为hγ的光子所轰击。当物体内电子吸收入射光子能量超

2、过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面向外发射，这种现象就称作外光电效应。向外发射的电子就叫作光电子。基于外光电效应的有光电管、光电倍增管等。2.内光电效应在光线作用下,物体内的电子不逸出物体表面，而使其电性能发生变化或产生光生电动势的现象称作内光电效应。1）光电导效应：在光线作用下,当半导体吸收的光子能量超过它的禁带宽度，就激发出电子－空穴对，使载流子浓度增加，电阻减小，这种现象称为光电导效应。如光敏电阻等就属于这类光电器件。2）光生伏特效应：在光线作用下,能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应,又称阻挡层光电效应。如光电池、光敏晶体管等就属于这类光电器件。一、光电管和

3、光电倍增管1、光电管光电管的结构如下图（a）所示，它是在一个真空玻璃泡内装有两个电极的器件。一个贴在玻璃泡内称作光电阴极，阴极前装有一根金属丝称作阳极。其工作原理是基于外光电效应：即当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸收，在光电管内就产生光电流，在外电路中便产生电流。其光电流的大小与光通量有关，这个关系曲线称作光电管的伏安特性曲线。如下图（b）所示。阳极电压阳极电流光通量阳极光电阴极玻璃泡（a）光电管结构图（b）光电管伏安特性图2、光电倍增管光电倍增管结构如下图所示，它有光电阴极、若干（通常4～14个）倍增极和阳极3部分组成。其工作原理也是基于外光电效应

4、：工作时，各个倍增电极上均加上电压，阴极K电位最低，各倍增极E1、E2、E3、E4(或更多）电位一次升高，阳极A电位最高。当光线照射到阴极上打出光电子，由于各极间有电场存在，电子加速从而轰击出更多的电子，这些电子最后被阳极吸收，从而在光电阴极和阳极之间形成较大电流。并且放大倍数与极数成倍增关系。其伏安特性曲线与光电管相似。KE1E2E3E4A光光电子光电倍增管示意图二、光敏电阻１．光敏电阻的结构光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。其结构如下图8-1所示1它是涂于玻璃底板上的一薄层半

5、导体物质,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。2.工作原理它的工作原理是基于半导体的光电导效应。即当无光照时,光敏电阻值很大,电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的电阻率急剧减少,从而导致电阻急剧减少，因此电路中电流迅速增大。3．光敏电阻的主要参数（１）暗电阻和暗电流——光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。一般来说暗电阻越大越好。（２）亮电阻和亮电流——光敏电阻在受光照射时的电阻称

6、为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。一般来说亮电阻越小越好。（３）光电流——亮电流与暗电流之差称为光电流。一般来说光电流越大越好。光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。4．光敏电阻的基本特性（1）伏安特性——在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图8-2为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见,光敏电阻在一定的电压范围内,其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关,而与电压、电流无关。（2）光谱特性——光敏电阻的相对光灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性,亦称为光谱响应。图8-3为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。从图中可

7、以看出，对应于不同波长,光敏电阻的灵敏度是不同的。即光敏电阻对入射光的光谱有选择作用。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光(波长在380~780nm之间）区域,常被用作光度量测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区,常用做火焰探测器的探头。（3）温度特性——温度变化影响光敏电阻的光谱响应,同时,光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变,尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图8-4为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线,它