第8章 光电式传感器

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1、传感器原理及应用第8章光电式传感器传感器原理及应用第8章      光电式传感器主要内容：8.1光电效应8.2光电器件光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电晶体管、光电池、其他光电器件、电荷耦合器件8.3光纤传感器8.4光栅式传感器传感器原理及应用第8章      光电式传感器概述光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。光敏器件种类很多，如：光电管、光敏二极管、光电倍增管、光敏三极管、光敏电阻、光

2、电池、光电耦合器、光纤等等。光信号光电传感器电信号传感器原理及应用第8章      光电式传感器概述指纹锁指纹门禁光电鼠标传感器原理及应用第8章      光电式传感器概述料位自动控制电动扶梯自动启停光电开关传感器原理及应用第8章      光电式传感器概述光栅光纤光电管光敏电阻8.1光电效应传感器原理及应用第8章      光电式传感器光敏器件主要利用各种光电效应光电效应可分为：外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应传感器原理及应用第8章      光电式传感器8.1光电效应(1)外光电效应在光

3、线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。J.Sg——普朗克常数()——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大每个光子具有的能量是：入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比传感器原理及应用第8章      光电式传感器8.1光电效应(1)外光电效应光照射物体时，物体中电子吸收入射光子的能量E，当物体吸入的能量超出逸出功A时电子就会逸出物体表面，产生光电子发射。超出的能量就表现在电子逸出的动能上。能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。由能量守恒定律有：A—电子

4、的逸出功；一个电子逸出的动能（能量）；爱因斯坦光电效应方程传感器原理及应用光电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，由于在入射光作用下电子吸收光子能量，从价带激发到导带过度到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空穴浓度增大引起电阻率减小。为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度的能量Eg。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。8.1光电效应(2)内光电效应第8章      光电式传感器导带价带电子吸收光子能量禁带光E0

5、自由状态Eg〈E0电子传感器原理及应用第8章      光电式传感器8.1光电效应(2)内光电效应光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？下面分两种情况讨论：不加偏压时的PN结处于反偏时的PN结PN电子空穴---+++-+光源传感器原理及应用第8章光电传感器不加偏压时的PN结当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0＞Eg）,可激发出电子——空穴对在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区使P区和N区之间

6、产生电压，这个电压就是光生电动势.8.1光电效应(2)内光电效应PN电子空穴---+++-+光源基于这种效应的器件有光电池PN结开路电压：传感器原理及应用第8章      光电式传感器处于反偏时的PN结：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对，在PN结电场作用下，电子N，空穴P运动，形成光电流；光电二极管一般反向连接。电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管从原理上讲，不加偏压的光电二极管就是光电池。8.1光电

7、效应(2)内光电效应EPN电子空穴---+++-+光源I-+传感器原理及应用第8章      光电式传感器8.2光电器件（1）光电管光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极、阳极，光阴极涂有光敏材料，当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻R上产生正比于电流大小的压降。入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比传感器原理及应用第8章      光电式传感器8.2光电

8、器件（1）光电管主要用于：分光光度计、光电比色计等分析仪器和各种自动装置。传感器原理及应用第8章      光电式传感器8.2光电器件（2）光电倍增管光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。传感器原理及应用第8章      光电式传感器光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极（