光电式传感器和光纤传感器

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1、第7章光电式传感器和光纤传感器将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。7.1光电效应和光电器件光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。一、外光电效应在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。若物体中电子吸收的入射光的

2、能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量hν必须超出逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即二、内光电效应受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应

3、的器件有光电池和光敏晶体管等。三、光敏电阻为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。1.光敏电阻的结构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,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。2.光敏电阻的工作原理光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电

4、流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。3．光敏电阻的主要参数１）暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。２）亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。３）光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。4．光敏电阻的基本特性1）伏安特性：在一定照度下,流过光敏电阻的电流

5、与光敏电阻两端的电压的关系①一定光照，R一定，I正比于U。②一定电压，I随着光照E增强而增大。E↑→R↓→I↑。2)光照特性（I～E）光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中。3）光谱特性（Kr%）光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性。亦称为光谱响应。①不同材料，其峰值波长不同。②同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。4）温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应

6、。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线,它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此,硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻,其温度影响要小一些。5.光敏电阻的应用1.光照度计农作物日照时数测定。输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。1天查询720次。无光照V0=VL。有光照V0=VH。2.环境照度监视器3.带材跑偏检测仪四、光敏二极管与三极管一.光敏二极管1.工作原理与结构光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个PN结，两根

7、电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不同之处在于光敏二极管的PN结状在管壳的顶部，可直接受到光的照射，其结构和电路如图所示。没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态,这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。当光照射在PN结上时,光子打在PN结附近,PN结附近产生光生电子和光生空穴对。从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在反向外加电压和内电场的作用下,P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡

8、层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。光的照度越大,光电流越大。2.光敏二极管的基本特性1）光谱特性在入射度一定时，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感，这就是它的光谱特性。如图所示。2）伏安特性3）光照特性4）温度特性温度变化对光敏二极管输出电流影响较小,但对暗电流的影响却十分显著.3.光敏二极管的应用1）光电路灯控制电路2）光强测量电路二.光敏三级管光电三极管比具有相同有效面积的