第7章 光电式传感器

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1、主要内容：7.1光电效应7.2光电器件光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电晶体管、光电池、其他光电器件、电荷耦合器7.3光纤传感器7.4光栅式传感器概述光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器件种类很多，如：光电管、光敏二极管、光电倍增管、光敏三极管、光敏电阻、光电池、光电耦合器、光纤等等。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。概述指纹锁门禁光电鼠标概述料位自动控制电动扶梯自动启停光电开关概述光栅光纤光电管光敏电阻7.1光电效应传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为：外光电

2、效应内光电效应⑴光电导效应⑵光生伏特效应7.1光电效应7.1.1工作原理(1)外光电效应红限频率在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光子具有的能量是：Ｅ＝ｈ×γｈ——普朗克常数＝6.626×10-34(J.s)γ——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大7.1光电效应7.1.1工作原理如果光子的能量E大于电子的逸出功A，超出的能量表现在电子逸出的功能，电子逸出物体表面，产生光电子发射。能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。由能量守恒定律有：光电导效应：入射光强改变物质导电

3、率的物理现象称光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。7.1光电效应7.1.1工作原理(2)内光电效应临界波长7.1光电效应7.1.1工作原理(2)内光电效应光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？有下面两种情况：不加偏压的PN结处于反偏的PN结不加偏压的PN结当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0＞Eg）,可激发出电子——空穴对，在PN结内电场作用下空穴

4、移向P区，而电子移向N区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动势.基于这种效应的器件有光电池7.1光电效应7.1.1工作原理(2)内光电效应处于反偏的PN结：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对，在PN结电场作用下，形成光电流，电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管.7.1光电效应7.1.1工作原理(2)内光电效应7.2光电器件（1）光电管当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的

5、阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻R上产生正比于电流大小的压降。因此7.2光电器件（1）光电管7.2光电器件（1）光电管7.2光电器件（2）光电倍增管光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。7.2光电器件（2）光电倍增管光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极（10个左右），在阳极和阴极之间加有几百～上千伏的高压，每个倍增极间有100～200V高压，电流增益在105数

6、量极。倍增极外加电压Ud与增益G的关系近似为：式中：K——常数N——光电倍增管倍增极数7.2光电器件（2）光电倍增管上式可见，外加电压Ud的变化引起光电倍增管增益的变化，因此对供给光电倍增管的工作电源电压要求较高，必须有极好的稳定性。另外，为减少光电倍增管受温度影响，在核探测技术中“稳谱”是一个重要内容，与光电倍增管的指标、参数密切相关。7.2光电器件（2）光电倍增管增益变化为：7.2光电器件（2）光电倍增管光电倍增管测量电路7.2光电器件（3）光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极

7、，然后在半导体上覆盖一层漆膜。光敏电阻结构及符号7.2光电器（3）光敏电阻光敏电阻光照特性无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；有光照时，电阻值随光强增加而降低；光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光敏电阻主要参数暗电阻——无光照时的电阻；暗电流——无光照时的电流；亮电阻、亮电流——受光照时的阻值、电流；光电流——亮电流与暗电流之差称亮电流。7.2光电器件（3）光敏电阻伏安特性给定偏压光照越大光电流越大；给定光照度电压越大光电流越大；光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、无饱和，但受最大功耗限制。7.2光电器件（3）光敏电阻——基本特性光敏电阻

8、伏安特性光谱特性光敏电阻灵敏度与入射波长有关;光敏电阻灵敏度与半导