传感器技术第2章 光电式传感器

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1、第2章光电式传感器将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。2.1光电效应概述光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。一.外光电效应在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量hν必须超出逸出功A0

2、，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即二.内光电效应受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。一.普通光电管在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子

3、逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。2.2光电管二.光电倍增管1.结构与原理由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，其工作原理如图。2.主要参数1）倍增系数M电流放大倍数M与所加电压有关，一般在105－108之间。一般阳极和阴极的电压为1000V－2500V，两个相邻的倍增电极的电压差为50V－100V。2）阴极灵敏度和总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数焦作光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数焦灼光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的放大倍数或总灵敏度如图所示。光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件

4、。光电池在有光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件就不需要外加电源。一.结构与工作原理光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结,当光照射到PN结的一个面,例如p型面时,若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴,电子空穴对从表面向内迅速扩散,在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有关的电动势。2.3光电池二.光电池的基本特性1.光谱特性硒光电池和硅光电池的光谱特性如左图不同的光电池，光谱峰值的位置不同。例如，硅光电池在8000A附近，硒光电池在5400A附近。2.光照特性光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能

5、通量。单位勒克斯。Lx(W/m2)反映短路电流、开路电压与光照度的关系。短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。开路电压（负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的,并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。光电池工作于开路电压状态，可做开关元件。3.温度特性温度特性主要描述开路电压与短路电流随温度变化的情况。如图所示.把光电池作为测量器件应用时,应保证温度恒定或采取温度补偿措施。JMJ112V2A51KL39K470uf～三.光电池的应用1.自动干手器手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，光电池不受光照，晶体管基极正偏而导通，继电器吸合。风机和电

6、热丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，灯泡发出光直接照射到光电池上，产生光生电动势，使三极管基射极反偏而截止，继电器释放，从而切断风机和电热丝的电源。2.路灯控制器2.4光敏电阻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。1.光敏电阻的结构它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,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。2.光敏电阻的工作原理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。无光照时,光

7、敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。一般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级,亮电阻在几千欧以下。3．光敏电阻的主要参数１）暗电阻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。２）亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流