光电式传感器11

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1、第九章光电式传感器光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。其基础是光电转换元件的光电效应。光电式传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和高分辨率、反应快等特点，故光电式传感器广泛应用于自动检测技术中。9-1光电效应由于物体吸收了光子的能量而产生电效应的这一现象，称为光电效应。可分为三类：外光电效应、内光电效应（光电导效应）和光生伏特效应。一、外光电效应（1）定义：在光的照射下，物体内的电子逸出表面，向外发射的现象。基于外光电效应的光电器件有：光电管、光电倍增管等。（2）原理：一个电子要从物体中逸出表面，必须使光子能量大于表面逸出

2、功，此时逸出表面的电子就具有动能。二、内光电效应（1）定义：在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。基于内光电效应的光电器件有：光敏电阻。（2）原理：光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增大，从而使电阻率减小，电导率增大。三、光生伏特效应在光的照射下，物体内部产生电势的现象（利用光势垒效应）。基于该效应的光电器件有：光电池、光敏晶体管等。9-2光电器件及其特征一、光电管与光电倍增管1.构造：如图9-1为光电管的典型结构。它是在真空玻璃管内

3、装入两个电极——光阴极和光阳极。光电管的阴极受到光照射后便发射电子，这些电子被具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。如果在外电路中串入一电阻，则在此电阻上将有正比于光电管中空间电流的电压降。如图9-2为光电倍增管的典型结构。它是一个除在玻璃泡内装入光电阴极和光电阳极外，还装有若干个光电倍增极，且在光电倍增极上涂以在电子轰击下可发射更多次级电子的材料，倍增极的形状及位置要正好能使轰击进行下去，在每个倍增极间均依次增大加速电压。设每级的倍增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流倍增率将为δn。倍增级数n可在4~14之间，δ的范围一般是

4、3~6。2.特性光电管的基本特性主要有以下几个方面：（1）光电特性光电特性表示当阳极电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上光通量φ之间的关系。如图9-3（a）为真空光电管的光电特性；图9-3（b）为充气光电管的光电特性。（2）伏安特性当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同光电流的关系。如图9-4（c）所示。（3）光谱特性由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。如图9-4（d）所示。9-4(a)真空光电管的伏安特性(b)充气光电管的伏安特性光电倍增

5、管的基本特性参数主要有以下几个方面：（1）倍增系数M。，其中c为收集系数，它反映倍增极收集电子的效率。（2）光电阴极的灵敏度及光电倍增管的灵敏度光电阴极的灵敏度是指一个光子照射在阴极上所能激发的电子数。而光电倍增管的灵敏度是指一个光子照射后，在阳极上得到的总电子数。（3）光电倍增管的暗电流及本底电流当管子不受光照，但极间加入电压时在阳极上会收集到电子，这时的电流称为暗电流。如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流。（4）飞行时间及其涨落飞行时间是指从光电阴极发射处电子开始，到收集阳极接受电子为止所经过的时间，一

6、般为10-8s数量级。飞行时间不恒定，其波动值用时间涨落来表示。二、光敏电阻1.光敏电阻的结构光敏电阻的结构很简单，如图9-5所示。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，金属电极与半导体层保持着可靠的电接触，再将涂有半导体物质的玻璃板压入塑料盒内。金属电极与引出线相连接，光敏电阻就通过引出线接入电路。2.光敏电阻的主要参数和基本特性（1）光电流光敏电阻在无光照时的电阻叫“暗电阻”，此时的电流叫“暗电流”；有光照时的电阻叫“亮电阻”，此时的电流叫“亮电流”；亮电流与暗电流之差即为“光电流”。一般地，光敏电阻的暗电阻是兆

7、欧数量级，亮电阻则在几千欧姆以下。（2）光敏电阻的伏安特性在一定照度下，光敏电阻两端所加电压与流过光敏电阻的光电流的关系。如图9-6所示。（3）光敏电阻的光照特性光敏电阻的光电流I和光通量φ之间的关系。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但在大多数情况下，曲线的形状类似图9-7所示。（4）光敏电阻的光谱特性光敏电阻对于不同波长的入射光，其相对灵敏度Kr是不同的。各种不同材料的光谱特性曲线如图9-8所示。从图中可以看出，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外光区域，因此在选择光敏电阻时，应当把元件和电源结合起来考虑，才能获得满意的结果。（

8、5）光敏电阻的频率特性在使用光敏电阻时，应当注意它的光电流并不是随光强改变而立刻作相应的变化，而是具有一定的惰性，图9-9为两种不同材料的光敏电阻的频率特性，即相对