传感器与检测技术光电式传感器

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1、光电式传感器电气工程学院17光电式传感器光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领域中。工业生产和现实生活中光电传感器的应用非常广泛，现举几个常见的实例。27光电式传感器照相机自动测光工业测光亮度传感器通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能

2、的目的。37光电式传感器光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移47光电式传感器57光电式传感器7.1光电效应及光电器件光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量的光子轰击这些物体的表面。所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应一般分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三类。后两类又称为内光电效应，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(或称光敏元件)。67光电式传感器1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物

3、理学奖。77光电式传感器7.1.1.外光电效应在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量E大于该物体的表面逸出功A0。h__普朗克常数f___光的频率;每个光子具有的能量：光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体。87光电式传感器1．当光子能量大于逸出功时，才会有光电子发射出来，才会产生外光电效应。各种不同的材料具有不

4、同的逸出功A0，因此对某特定材料而言，将有一个频率限f0(或波长限λ0)，称为“红限”。显然，如果入射光的频率低与于红限频率，不论入射光的强度有多大，也不会使物质发射光电子。当入射频率高于fo时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。2．当入射光的频谱成分不变时，光电流与入射光的强度成正比。3．由于电子逸出时具有一定的初动能可以形成光电流，为使光电流为零需加反向电压才能使其截止。也就是单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电子。使自由电子的能量增加hf。这些能量一部分用作电子逸出

5、物体表面的逸出功A0，另一部分变电子的初动能EK。即97光电式传感器7.1.2.内光电效应在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电阻率发生变化的效应称为内光电效应。内光电效应分为：光电导效应、光生伏特效应光生电子-空穴对1.光电导效应：半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻和光敏二、三极管。107光电式传感器7.1.3.光生伏特效应：半导体材料受到光照后，在PN结上产生一定方向电

6、动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应型器件是自发电式的，是有源器件。常用的光生伏特器件有光电池。117光电式传感器7.2光电器件及其特性光电管与光电倍增管光敏电阻光敏二极管和光敏三极管光电池半导体光电元件的特性127光电式传感器基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光电倍增管等。光电管有真空光电管和充气光电管。1.光电管光电管受光照发射电子光电管的阴极K受到适当的照射后便发射光电子，这些光电子在电场作用下被具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。电阻RL上产生的电压降正比于空间电流，

7、其值与照射在光电管阴极K上的光成函数关系。如果在玻璃管内充入惰性气体(如氩、氖等)即构成充气光电管。由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电子，从而提高光电变换的灵敏度。图7-2(a)光电管结构示意图图(b)光电管电路7.2.1光电管与光电倍增管137光电式传感器紫外光电管外形当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。紫外线147光电式传感器2.光电倍增管当入射光很微弱时，光电管产生的光电流很小，不易检测，这时

8、常用光电倍增管对光电流放大以提高灵敏度。如下图所示。在光电管的阴极与阳极之间安装若干个倍增极D1、D2、…Dn，就构成了光电倍增管。光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础之上。工作时倍增极电位是逐级增高的，当入射光照射光电阴极K时，立刻有电子逸出，逸出的电子受到第一倍增极D1正电位作用，使之加速打在D1倍增极上，产生二次电子发射。157光电式传感器同理D1发射