光电式传感器及应用

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1、2021/9/171第6章光电式传感器及应用2021/9/172引言光电式传感器是以光电元件作为转化元件，将被测非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件3部分组成。光电元件是构成光电式传感器最主要的部件。光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可靠性，因此在自动检测，计算机和控制系统中，应用非常广泛。光电式传感器的物理基础是光电效应。2021/9/173主要内容6.1光电效应及光电元器件6.2光电式传感器的实用电路6.3光纤传感器6.4红外传感器2021/9/1746.1光电效应及光电元器件光电式传感器的工作原理是基

2、于不同形式的光电效应。根据光的波粒二象性，光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。具有的能量hν正比于光的频率ν（h普朗克常数）。每个光子具有的能量为E=hν6.1.1光电效应及分类2021/9/175特点对不同频率的光，其光子能量是不相同的，频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hν的光子所轰击，组成该物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。2021/9/176光电响应的类型（1）外光电效应。真空管元件（2）内光电效应。（3）光生伏特效应。（2）、（3）类属于半导体元件。2021/9/177光学单位流明（l

3、m）和勒克斯（lx）两个光学单位。所谓流明是光通量的单位，所有的灯都以流明表征输出光通量的大小。勒克斯是照度的单位，它表征受照物体被照程度的物理量。2021/9/1786.1.2光电元器件及基本测量电路（1）结构与工作原理。它们是利用外光电效应制成的光电元件。1．光电管、光电倍增管光电管的结构2021/9/179光电子的能量当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，自由电子就可以克服金属表面束缚而逸出，形成逸出电子。这种逸出的电子称为光电子，光电子逸出金属表面的初速度υ可由爱因斯坦光电效应方程确定。（1/2）mυ2=hν−A2021/9/1710特点当阴极金属材料选定

4、后，要使阴极金属表面有电子逸出，入射光的频率ν要大于某一最低限度，否则当hν小于A时，不管光通量有多大，都不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限。当hν大于A时，光通量越大，逸出的电子数目也越多，光电流Iφ就越大。2021/9/1711光电管符号及测量电路光电管正常工作时，阳极电位高于阴极电位。在入射光频率大于“红限”的前提下，当光电管阳极加上适当电压（几十伏）时，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管中形成电流，称为光电流。2021/9/1712光电倍增管光电倍增管是把微弱的光输入转换成电子，并使电子获得倍增的电真空器件。它有放大光电流的作用，

5、灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。光电倍增管由两个主要部分构成：阴极室和若干光电倍增极组成的二次发射倍增系统2021/9/1713结构示意图在它的阴极与阳极之间设置许多二次倍增极D1、D2、D3、……，它们又称为第1倍增极、第2倍增极……，相邻电极之间通常加上100V左右的电压，其电位逐级提高，阴极电位最低，阳极电位最高，两者之差一般在。600～1200V左右。光电倍增管结构示意图2021/9/1714光电倍增管的基本电路2021/9/1715原理当微光照射阴极K时，从阴极K上逸出的光电子在D1的电场作用下，以高速向倍增极D1射去，产生二次发射，于是更多

6、的二次发射的电子又在D2电场作用下，射向第二倍增极，激发更多的二次发射电子，如此下去，一个光电子将激发更多的二次发射电子，最后被阳极所收集。若每级的二次发射倍增率为m，共有n级（通常可达9～11级），则光电倍增管阳极得到的光电流比普通光电管大mn倍，因此光电倍增管的灵敏度极高。2021/9/1716光电倍增管的稳定性各倍增极的电压是用分压电阻R1、R2、…、Rn获得的，阳极电流流经电阻RL得到输出电压Uo。当用于测量稳定的辐射通量时，图中虚线连接的电容C1、C2、…、Cn和输出隔离电容C0都可以省去。这时电路往往将电源正端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连接。当入

7、射光通量为脉冲量时，则应将电源的负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声，此时输出端应接入隔离电容，同时各倍增极的并联电容亦应接入，以稳定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防止饱和。2021/9/1717（2）光电管特性①光电特性。光电管光电特性曲线2021/9/1718②伏安特性。2021/9/1719③光谱特性。2021/9/1720其他特性光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯性特性，暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和有关手册合理选用。2021/9/17212．光敏电阻光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电元件。它具有灵