传感器与检测技术的理论基础PPT电子课件教案-第8章 光电式传感器

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1、8.1光电效应*8.2光电器件*8.3光纤传感器主要内容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的一种传感器，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。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、光电池、光电耦合器等等。光电器件响应快、结构简单、而且有较高的可靠性,因此在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛.光电鼠标料位自动控制电梯自动启停概述光电管光敏电阻光敏二极管光电池概述光电耦合器光电开关光纤光栅概述光电效应可分为：外光电效应内光电效应8.1光电效应光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每一个粒子具有的能量E与其频率

2、大小成正比，光照射就可看成是一连串具有能量E的粒子轰击在物体上，物体吸收了这些能量为E的粒子后产生的效应为光电效应。光电导效应光生伏特效应8.1光电效应8.1.1工作原理(外光电效应)1.外光电效应在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光子具有的能量是：——普朗克常数()——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大能否产生外光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。8.1光电效应8.1.1工作原理1.外光电效应如果光子的能量E大于电子的逸出功A，这时逸出物体表面的电子就具有动能，产生光电子发射。由能量守恒定律有：常见的器

3、件有光电管、光电倍增管等光电导效应：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，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Eg。基于光电导效应的光电器件常见的有光敏电阻。8.1光电效应8.1.1工作原理2.内光电效应在光线的作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电势的效应称为内光电效应。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？有下面两种情况：不加偏压的PN结处于反偏的PN结8.1光电效应8.1.1工作原理2.内光电效应不加偏压的PN结当光照射在PN结时，如果

4、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区之间产生电压，这个电压就是光生电动势.基于这种效应的器件有光电池8.1光电效应8.1.1工作原理2.内光电效应处于反偏的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，形成光电流，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.8.1光电效应8.1.1工作原理2.内光电效应光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件,它是构成光电式传感器最主要的部件。8.2光电器件光电器件工作的物理基础

5、是光电效应：光电管、光电倍增管光敏二极管、光敏三极管光敏电阻光电池光电耦合器、电荷耦合器8.2光电器件1.光电管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。因此8.2光电器件1.光电管8.2光电器件2.光电倍增管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。光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。光敏电阻结构及符

6、号8.2光电器件3.光敏电阻光敏电阻光照特性无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；有光照时，电阻值随光强增加而降低；光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光敏电阻主要参数暗电阻——无光照时的电阻；暗电流——无光照时的电流；亮电阻、亮电流——受光照时的阻值、电流；光电流——亮电流与暗电流之差称光电流。8.2光电器件3.光敏电阻光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小的特点，因此应用广泛。伏安特性给定偏压光照越大光电流越大；给定光照度电压越大光电流越大；光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、无饱和，但受最大功耗限制。8.2光电器件3.光敏电阻——基本特性光

7、敏电阻伏安特性光谱特性光敏电阻灵敏度与入射波长有关;光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，例图：硫化镉（CdS）0.3～0.8(μm)硫化铅（PbS）1.0～3.5(μm)锑化铟（InSb）1.0～7.3(μm)8.2光电器件3.光敏电阻——基本特性光敏电阻的频率特性100806040200101001000100002硫化铊1硫化铅f/HzSr/%光电器件相对光谱灵敏度(输出端电压(电流)的振幅)随调制光频率的变化关系