《基本传感器》PPT课件

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1、第六节 光电传感器把光能（可见光或不可见光）的变化转化为电量（电阻、电流、电压等）变化的器件称为光电器件如光电池、光三极管等。用一个或几个光电器件把欲测量的物理量（长度、宽度等）转换成电量的装置称为光电传感器。光子效应和光热效应光电管与光电倍增管光敏电阻结型光电器件光电传感光子效应，是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。因为，光子能量是hν，h是普朗克常数，ν是光波频率，所以．光子效应就对光波颠率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的储况下，其响应速度

2、一般比较快。光电传感光热效应。探测元件吸收光辐射能量后，是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度比较慢，而且容易受环境温度变化助影响。光电传感热释电：材料自发的极化电荷量与温度有关。。在居里温度以下，才有热释电现象。当强度变化的光照射热电体时，热电体的温度发生变化，Pj亦发生变化，面电荷

3、从原来的平衡值跟着发生变化。热释电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，一般在1一l000秒量级。好的热电体，这个过程很慢。在来不及中和之前，热电体表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化。把热电体放进一个电容器极板之间，把一个电流表与电容两端相接，流过电流表的称为短路热释电流。光电传感光子效应和光热效应光电传感光电效应光电传感器的作用是：光源产生光通量，光通量的参数受被测对象控制，然后由光电器件接收再转变为电参量的变化进行测量。而光电器件的基础是光电效应。由光的粒子学说知道光可以被看成是由一定能量的粒子组成。而每个光子所具有的能量E的粒子轰击在物体上。光电效应就是由

4、于物体吸收了能量为E的光子后产生的电效应。光电传感从变换器的角度看光电效应应分为三类。外光电效应是指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管与光电倍增管均属于这一类。它们的光电发射极——光阴极就是用这种特性的材料制成的。内光电效应是指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。由于这里没有电子自物质向外发射，仅改变物质内部电阻，称之为内光电效应。光电传感除金属外，大多数绝缘体和半导体都在这种现象，其中以半导体较显著，一般用半导体材料制成光电导管或光电导器件，这类器件又称为光敏电阻。有PN结、PIN结、肖特基结以及异质结…阻挡层（势垒）的光电器件半导体PN结或有阻挡层的器

5、件受光照时，吸收光子的能量产生载流子，使PN结（阻挡层）产生电动势，或使PN结的光电流增加，称这种现象为PN结的光电效应。利用光电效应制成的光电器件有光伏电池、光敏二极管和光敏三极管。光电传感光电管的示意及其连接光电传感光电管与光电倍增管在抽成真空的玻璃泡内，放置两个电极——光阳极和光阴极（图a,b）,这种装置称为光电管。阳极是用一细长金属丝弯成圆形或矩形，放在玻璃泡中央，引线至管脚。阴极是在玻璃泡上涂上阴极材料，或放入一定形状的涂有涂料的金属板。图C给出了光电管的符号及联接线路。光电管阳极A通过电阻Rb接电源正极，阳极K接电源负极，因此光电管内建立了一个阳极为正，阴极为负的

6、电场。光电传感光电管的示意及其连接阴极受到光线照射时，产生光电效应而发射电子，电子在电场的作用下被阳极收集形成光电流i。当光线强度改变时，光电流i及负载电阻Rb上的电压随之发生变化，光信号就转变为对应的电信号了。除真空光电管外，有充气光电管，后者玻璃泡内充有惰性气体如氩、氖等。当电子流向阳极的过程中，运动着的电子轰击惰性气体，使其电离，产生更多的电子，提高光电变换灵敏度。通常充气光电管的灵敏度比真空光电管高5—10倍，但是充气光电管的非线性也增加很多。一般精密测量不用充气光电管。光电传感光电管特性光电特性，光通量、光电流和阳极电压关系。光电特性成线性关系。阳极电压越大，阳极吸

7、引电子能力越强，因此光电变换灵敏度越高。（图a）。光谱特性，入射光的光谱与变换灵敏度的关系。特性与阴极材料有关，普通光电管最大灵敏度在近红外，而且红外光谱范围内也有较大的灵敏度（图b中曲线1）；光电管特性（a）光电特性（b）光谱特性锑铯阴极光电管的最大灵敏度在紫蓝光谱范围（图b中曲线2）；含有多种成分（如锑、钾、钠和铯等）的光阴极，在较宽的可见光谱范围内有较高的灵敏度（图b中曲线3）。从图b可看出,不同的光阴极,对应于最大灵敏度波长不同。选择光电器件时,应使其最大灵敏度在需要测定的光谱范围内。频率特性：