第8章光电式传感器课件.ppt

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1、传感器原理及工程应用第8章光电式传感器第8章光电式传感器本章基本要求：了解光电池、光电式传感器的应用；理解光电管、光电倍增管，CCD图像传感器；重点掌握光电效应的三种类型、光敏电阻、光敏晶体管。8.1光电式传感器组成及工作原理敏感元件：光电元件参数变化过程：非电量－>光信号－>光电元件－>电信号工作原理：光电效应优点：元件响应快、结构简单、非接触测量、可靠性较高8.1光电式传感器组成及工作原理1.光电效应（1）外光电效应（2）内光电效应8.1光电式传感器组成及工作原理（1）外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物

2、体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。每个光子动能：式中：h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s)υ——光的频率（s-1）光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。8.1光电式传感器组成及工作原理爱因斯坦光电效应方程式：光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出表面时具有初始动能，为使光电流为零，必须加负的截止电压。8.1光电式传感器

3、组成及工作原理（2）内光电效应：在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应。（a）光电导效应在光线作用下，半导体材料吸收光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。（b）光生伏特效应在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。8.1光电式传感器组成及工作原理2.光源（1）热辐射光源：太阳、白炽灯、卤钨灯（2）气体放

4、射光源：汞灯、钠灯、金属卤化物灯（3）发光二极管（4）激光器8.1光电式传感器组成及工作原理3.光电器件（1）光电管的结构原理及基本特性（2）光电倍增管的结构原理及基本特性（3）光敏电阻的结构原理及基本特性（4）光电池的结构原理及基本特性（5）光电二极管的结构原理及基本特性（6）数字图像传感器的结构及特性（1）光电管的结构原理及基本特性光电管结构原理：分类：真空光电管、充气式光电管。结构：阴极在玻璃管内壁上涂以阴极材料，阳极为置于光电管中心的环形金属丝（1）光电管的结构原理及基本特性光电管基本特性：（1）光照特性：指

5、光电管两端所加电压不变时，光能量φ与光电流Iφ之间的关系。对于氧铯阴极的光电管，Iφ与φ呈线性关系，1号线；但对于锑铯阴极的光电管，当光通量较大时，Iφ与φ呈非线性关系，2号线。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。（1）光电管的结构原理及基本特性（2）光谱特性：不同的阴极材料对同一种波长的光有不同的灵敏度。对于红外光，选用氧铯阴极光电管；对于可见光，选用锑铯材料；对紫外光，常用锑铯阴极和镁镉阴极。（3）伏安特性：指在一定的光通量照射下，光电流与光电管两端的电压关系。在不同的光通量照射下，伏安特性是几条相似的曲线。当

6、极间电压高于50V时，光电流开始饱和，所有的光电子都达到了阳极。图8-4光电管的伏安特性（1）光电管的结构原理及基本特性（3）暗电流：光电管在全暗条件下，极间加上工作电压，光电流并不等于零，该电流称为暗电流。它对测量微弱光强及精密测量的影响很大，在特定的应用场合下应尽量选用暗电流小的光电管。（4）温度特性：光电管输出信号及特性与温度的关系称温度特性。工作环境温度变化会影响光电管的灵敏度，因此应严格在各种阴极材料规定的温度下使用。（5）频率特性：当入射光强度以不同的正弦交变频率调制时，光电管输出的光电流I(或灵敏度)与

7、频率f的关系，称为频率特性。由于光电发射几乎具有瞬时性，所以真空光电管的调制频率可高达1MHZ以上。（2）光电倍增管的结构原理及基本特性光电倍增管结构原理：结构：在光电发射和二次反射的基础上，光电倍增极在电子轰击下可发射更多刺激电子，在每个倍增极依次增大电压，光电流增加。若σ=4，n=10时，σ10＝410≈1*106，光电倍增管放大倍数很高。（2）光电倍增管的结构原理及基本特性光电倍增管基本特性：（1）光照特性（2）光谱特性（3）伏安特性（4）暗电流（3）光敏电阻的结构原理及基本特性光敏电阻：又称光导管，半导体材料

8、制成的器件。光敏电阻没有极性，电极采用梳妆以增大接触面积，纯粹是一个电阻器件，既可加直流电压，也可以加交流电压。希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。（3）光敏电阻的结构原理及基本特性光敏电阻的基本特性（1）暗电阻、亮电阻、光电流暗电阻：在不受光照射时的阻值为暗电