传感器原理与应用-光电传感器

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1、光电传感器参赛选手：*****第八章光电传感器第一节常用光电器件一、光敏电阻二、光电池三、光敏二极管和光敏晶体管四、常用光电器件的应用第二节光栅传感器一、莫尔条纹二、光栅传感器的组成三、辨向原理四、细分技术第三节固态图像传感器一、CCD基本结构二、CCD工作原理三、CCD图像传感器的结构第八章光电传感器光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器，它的物理基础是光电效应。具有结构简单、性能可靠、精度高、反应快等优点，在现代测量和自动控制系统中，应用非常广泛，是一种很有发展前途的新型传感器。一般由光源、光学器件、光电元件三部分组成，光源发射出一定光通量的

2、光线，由光电元件接受，在检测时，被测量使光源发射出的光通量变化，因而使接受光通量的光电元件的输出电量也发生变化，实现将被测量转换成电量。输出的电量可以是模拟量，也可以是数字量。光是一种电磁波，不同波长的光分布如图这些光的频率（波长）虽然不相同，但都有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。光电传感器常用光源有：白帜灯光源、气体放电光源（碳灯、低压高压水银灯、钠弧灯、汕弧灯）、气体激光器（氦氖、二氧化碳、氩离子激光器）、固态激光器、半导体激光器、发光二极管等。第一节常用光电器件光是由具有一定能量的粒子组成，根据爱因斯坦光粒子学说，每个光子所具有的能量E与其频率f的大小

3、成正比（即E=hf，式中h=6.626×10-34J·S，为普朗克常数）。光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的轰击，物体吸收光子能量而产生相应的电效应，即光电效应。这是实现光电转换的物理基础。光电器件的作用原理是基于一些物质的光电效应。光电效应依其表现形式的不同，通常可分为三大类。①光电导效应——光照改变半导体的导电率，从而引起半导体电阻值的变化效应，光敏电阻属于这类光电效应器件。②光生伏特效应——光照改变半导体PN结电场，从而引起PN结电势的变化效应，故又称PN结光电效应，光电池、光敏晶体管等属于这类光电效应器件。③光电发射效应——某些物质（如金属丝）在

4、光的照射下，能从表面向外部发射电子的现象，称之为光电发射效应，利用这种效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管。光电发射效应发生在物体的表面，因而又称之为外光电效应；相应地，光电导效应和光生伏特效应被称为内光电效应。本文下面仅介绍几种常见的内光电效应器件及其应用。从阴极开始及在每个倍增极间依次加上加速电压，设每极倍增率为δ，经过N次倍增极后，光电倍增管的光电流倍增到δN。δ称为二次电子反射比。因此，有非常小的光功率输入可得到相当大的电流。半导体光电导效应内部机理如图8－1所示。一、光敏电阻1．光敏电阻的光电效应光敏电阻是典型的光电导效应器件。无光照时，其阻值很高；有光照

5、时，其阻值大大下降，光照越强阻值越低；光照停止，又恢复高阻状态。图8－1光电导效应能带图半导体受光照时，其共价键中的价电子吸收光子能量，由价带穿越禁带到达导带，成为光生自由电子，使得半导体中自由电子—空穴对增加，导电率提高，电阻值下降。光照停止时，失去光子能量的光生自由电子又重新迭落回价带与空穴复合，自由电子—空穴对减少，导电率下降，电阻值提高。图中Eg称为禁带宽度，价电子吸收的光子能量E＞Eg时，才能穿越禁带成为自由电子。光照越强、具有能量E的光子数越多，光生自由电子-空穴对越多，电阻值越小。光照停止或光强减小使E＜Eg时，光生自由电子又迭回价带成为价电子，使电阻值

6、增加或恢复高阻状态。每个光子所具有的能量E数学表达式：E=hf=hc/λ频率越高，或波长越短，光子所具有的能量就越大。产生自由光生电子的入射光临界波长λ0为满足E≥Eg有λ0≦1242/Eg(nm)Si的禁带宽度Eg为1.2ev,Ge0.75ev,硫化镉cds2.4ev,CdSe1.8ev说明：1、光照越强，表明具有hf能量的光子数越多，价带电子吸收光子能量的机会越多，成为导带电子机会越，电导率越大。2、空穴在价带内运动参与导电；电子在导带内运动参与导电；紫外光光子能量大于红外光电子能量。图8－2是光敏电阻光电效应实验电路，当偏压U一定时，检流计指示电流I的大小决定于

7、光敏电阻上的光照强度。图8－2光敏电阻光电效应实验电路无光照时，检流计指示的电流很小，此时的电流称之为暗电流；此时光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻，暗电阻通常为兆欧级。有光照时，检流计指示的电流较大，此电流称之为亮电流；此时，光敏电阻的阻值显著减小，相应称之为亮电阻，亮电阻一般为千欧以内。由光照所产生的自由电子—空穴流称之为光电流，显然光电流是亮电流与暗电流之差，由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。2．光敏电阻种类光敏电阻是一个纯电阻性两端器件，适用于交、直流电路，因而应用广泛，种类很多。对光照敏感的半导体光敏元件都可以制成光敏电阻