传感器技术及其工程应用金发庆第4章节光电式传感器

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1、第4章　光电式传感器4.1光电效应4.2光电器件4.3红外线传感器4.4色彩传感器4.5CZG－GD－500系列紫外火焰传感器4.6光纤传感器4.7光传感器应用实例4.8实训4.1光电效应4.1光电效应光电元件的理论基础是光电效应。光可以认为是由一定能量的粒子（光子）所形成，每个光子具有的能量hγ正比于光的频率γ（h为普朗克常数）。用光照射某一物体，可以看做物体受到一连串能量为hγ的光子所轰击。物体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。4.1.1外光电效应光照射于某一物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象

2、称为外光电效应，也称光电发射。逸出来的电子称为光电子。外光电效应可由爱因斯坦光电方程来描述：一个光子的能量只能给物体中的一个自由电子，使自由电子能量增加hγ，这些能量一部分用于克服逸出功A，另一部分作为光电子逸出时的初动能：4.1.2内光电效应光照射于某一物体上，使其导电能力发生变化，这种现象称为内光电效应，也称光电导效应。硫化镉、硒化镉、硫化铅、硒化铅等在受到光照时均会出现电阻下降的现象。电路中反偏的PN结在受到光照时也会在该PN结附近产生光生载流子（电子-空穴对）。利用上述现象可制成光敏电阻，光敏二极管，光敏晶体管，光

3、敏晶闸管等光电转换器件。4.1.3光生伏打效应在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏打效应。具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓等。例如，当一定波长的光照射PN结时，就产生电子-空穴对，在PN结内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，于是P区和N区之间产生电压，即光生电动势。利用该效应可制成各类光电池。4.2光电器件4.2光电器件4.2.1光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管同属于用外光电效应制成的光电转换器件。1.光电管光电管的外形如图4-1所示。金属阳极A和阴极K封装在一个玻璃壳内，当入

4、射光照射在阴极时，光子的能量传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，逸出金属表面形成电子发射，这种电子称为光电子。236145图4-1一种常见的光电管外形1-阳极A2-阴极K3-玻璃外壳4-管座5-电极引脚6-定位销光电管的图形符号及测量电路如图4-2所示。图4-2光电管符号及测量电路2.光电倍增管光电倍增管有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。图４-3是光电倍增管结构示意图。U0RLD1D3KAD2D4φ图4-3光电倍增管结构及工作原理4.2.2光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于内光电

5、效应。光敏电阻的材料有金属硫化物、硒化物、碲化物等半导体材料。例如：硫化镉（CdS），硒化镉（CdSe)。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻，如图4-4（a）所示。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状，如图4-4（b）所示。图4-4光敏电阻机构示意图及图形符号a）原理图b)图4-4光敏电阻机构示意图及图形符号b）外形图c)图4-4光敏电阻机构示意图及图形符号c）图形符号光敏电阻无光照时的暗电阻一般大于1500kΩ,在有光照时，其亮电阻为几kΩ,两者差别较大。对可见光敏感的硫化镉光敏电

6、阻是最有代表性的一种光敏电阻。光敏电阻的光照响应速度较慢。例如：硫化镉光敏电阻的响应时间约为100ms，硒化镉光敏电阻的响应时间约为10ms。光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。4.2.3光敏二极管和光敏晶体管1.光敏二极管光敏二极管是一种利用PN结单向导电性的结型光电器件，其PN结装在透明管壳的顶部，以便接受光照，如图4-5（a）所示。它在电路中处于反向偏置状态，如图4-5（b）所示。光电流与光照度成正比。还有一种雪崩式光敏二极管（APD）。光照φPNa)+–RLEU0IφμAb)图4-5光敏二极管a)结构示意图及图形

7、符号b）基本应用电路2.光敏晶体管光敏晶体管有两个PN结，从而可以获得电流增益。它的结构、等效电路、图形符号及应用电路分别如图4-6（a）、（b）、（c）、（d）所示。光敏晶体管与一只普通晶体管制作在同一个管壳内，连接成复合管，如图4-6（e）所示，称为达林顿型光敏晶体管。它的灵敏度更大（β=β1β2）。但是达林顿光敏晶体管的漏电（暗电流）较大，频响较差，温漂也较大。+CNNP-eJcJea)CIc=βIcboIcboeb)Cec)图4–6光敏晶体管a)结构b)等效电路c）图形符号d)+UCCU0=UCC－IcRLIcRL

8、RL+UCC（3~20）VU0=ICRLIceCe)图4–6光敏晶体管d)应用电路e)光敏达林顿管4.2.4光电池光电池的工作原理是基于光生伏打效应。当光照射在光电池上时，可以直接输出电动势及光电流。图4-7所示是光电池结构与图形符号。光电池的种类很多，有硅、砷化镓、硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等。焊点