光电式传感器原理和应用

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1、第8章光电式传感器8.1光电器件18.2光纤传感器8.3红外传感器32概述光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。◆由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。8.1光电器件光电器件是构成光电式传感器最主要的部件。光电式传感器的工作原理如图8-1所示：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。图中x1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。图8-1光电式传感器的工作原理8

2、.1光电器件8.1.1光电效应◆光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。1．外光电效应◆在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。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：式中：h——普朗克常数，6.626×10（J∙s）；υ——光的频率（s）。8.1光电器件◆若物体中电子吸收的入射光的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hυ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（8-2）式中：m－电子质量；v0－

3、电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。8.1光电器件◆由式（8-2）可知：光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同物体具有不同的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值，成为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射。◆当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。◆光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。8.1光电器件2．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。●光电导效应

4、：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。8.1光电器件◆当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，如图8-2所示：图8-2电子能级示意图从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即：8.1光电器件●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。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。①势垒效应（结光电效应）接触的半

5、导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。②侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。8.1光电器件8.1.2光电管1．结构与工作原理◆光电管是外光电效应的器件，有真空光电管和充气光电管两类。◆光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光图8-3光电管的结构的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。8.1光电器件2．主要性能（1）光电管的伏安特性◆在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳

6、极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。◆真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如同8-4（a）和（b）所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。图8-4光电管的伏安特性8.1光电器件（2）光电管的光照特性：通常指当光电管的阳极和阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间的关系为光电管的光照特性。◆光电管阴极材料不同，其光照特性也不同。◆光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比称为光电管的灵敏度。8.1光电器件（3）光电管光谱特性◆一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率v0，因此它们可用于不同的光谱范围。◆即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v0，并且强度

7、相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。◆所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。8.1光电器件8.1.3光电倍增管1．结构与原理◆光电倍增管也是基于外光电效应的器件。由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，其工作原理如图8-5所示。图8-5光电倍增管的外型和工作原理8.1光电器件2．主要参数（1）倍增系数M◆倍增系数M等于各倍