第7章 光电式与光纤传感器

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1、感测技术讲义第7章光电式传感器光电式传感器（PhotoelectricSensor）：以光电效应为基础，将光信号（光量的变化）转换为电信号（电量的变化）的一种传感器。7.1光电效应（PhotoelectricEffect,Photoeffect）爱因斯坦光子学说：光是由一连串具有一定能量的粒子组成，其能量大小等于。—普朗克常数—光的频率（）不同频率的光具有不同的能量，光的频率越高，其光子能量越大。光照射到物体表面后产生光电效应，分为两类：1.外光电效应（光电发射PhotoeletricEmission）在光线作用下，能使物体内的电子逸出物体表面的现象。基于外光电效应的光电器件（光敏元件）

2、：光电管、光电倍增管根据爱因斯坦光电效应方程：（能量守恒定律）A0—某物体的电子的逸出功V—电子的逸出速度。结论:（1）当光子能量，即时，才有光电子逸出物体表面，产生外光电效应。当，即（红限频率）时，光电子的。当时，不论光强度有多大，都不会使物体发射出光电子，不会产生外光电效应。（2）光电子的初动能取决于光的频率，。-80-感测技术讲义1.内光电效应（InnerPhotoeffect）（1）光电导效应在光线作用下，某些物体（本征半导体）内部的原子释放电子，这些电子并不逸出物体表面，但使物体的电导率发生变化的效应被称为光电导效应。基于光电导效应的光电器件：光敏电阻为实现能级的跃迁，入射光的

3、能量必须满足即：入射光的波长必须（波长限）（2）光生伏特效应在光线作用下，物体（半导体）内部的原子释放电子，这些电子并不逸出物体表面，但使物体产生光生电动势的效应被称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管-80-感测技术讲义7.2外光电效应的光电器件1.光电管（真空）2.光电倍增管-80-感测技术讲义阳极电流I为：i—光电阴极的光电流；—各倍增电极的二次电子发射系数；n—光电倍增管极数。光电倍增管的电流放大倍数为7.3内光电效应的光电器件1.光敏电阻（光电导管Photoconductor,PhotoconductiveTube）（1）工作原理基于光电导

4、效应。无光照时，RG很大，I很小；有光照时，RG急剧减小，I迅速增大。（2）光敏电阻的主要参数和基本特性①暗电阻、亮电阻、光电流暗电阻—在未受到光（某种波长）照射时的阻值称为暗电阻，流过的电流为暗电流。亮电阻—在受到光（某种波长）照射时的阻值称为亮电阻，流过的电流为亮电流。光电流=亮电流—暗电流暗电阻越大，亮电阻越小，则光敏电阻的性能越好。即暗电流要小，亮电流要大。一般，暗电阻>1MΩ,亮电阻<(1~10)KΩ。②光敏电阻的伏安特性③光敏电阻的光照特性光敏电阻的伏安特性光敏电阻的光照特性-80-感测技术讲义④光敏电阻的光谱特性可见光区域红外区域⑤光敏电阻的响应时间和频率特性光电流的变化相

5、对于光的变化，存在滞后，这是光电导的“弛豫现象”。⑥光敏电阻的温度特性随着温度的升高，它的暗电阻和灵敏度都下降。2.光电池（Photocell）在光线照射下，直接能将光能量转变为电动势的光电元件（电压源）。应用最广、最有发展前途的是：硅光电池、硒光电池（1）光电池的结构原理（基于光生伏特效应）（2）光电池的主要特性（P140）①光电池的光谱特性②光电池的光照特性③光电池的频率特性④光电池的温度特性-80-感测技术讲义3.光敏二极管和光敏三极管（1）光敏二极管无光照时，光敏二极管反向电阻很大，反向饱和漏电流（暗电流）很小，处于截止状态；受光照时，产生光电流，光的照度越大，光电流越大，光敏二

6、极管处于导通状态。（2）光敏三极管1）工作原理①无光照时，集电极反偏，反向饱和漏电流很小；②有光照时，在PN结附近产生光生电子-空穴对，在PN结内电场作用下，做定向运动，形成光电流（相当于基极电流），输出电流-80-感测技术讲义2）基本特性（P143）①光敏三极管的光谱特性②光敏三极管的伏安特性③光敏三极管的光照特性④光敏三极管的温度特性⑤光敏三极管的频率特性7.4光电耦合器件光电耦合器件=发光元件+光电接收元件发光二极管光敏电阻、光敏二（三）极管1.光电耦合器实现电隔离，具有抗干扰性能和单向信号传输功能。广泛应用于电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等。2.光电开关检测

7、有无物体。广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。-80-感测技术讲义7.5光导纤维（光纤Opticalfiber）传感器光纤：20世纪70年代的重要发明光纤传感器：始于1977年光纤传感器光纤光纤通信技术与传统的以电为基础的传感器相比有本质的区别：1．光纤传感器用光而不是用电来作为敏感信息的载体；2．光纤传感器用光纤而不是用导线来作为传递敏感信息的媒介光纤传感器的特点：1．电绝缘，特别适用于高压供电系统及