第10章光电式传感器

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1、主要内容：10.1光电效应10.2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10.3光电式传感器的应用第10章光电式传感器第10章光电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。第10章光电式传感器概述指纹锁门禁光电鼠标第10章光电式传感器概述料位自

2、动控制电动扶梯自动启停光电开关第10章光电式传感器概述光栅光纤光电管光敏电阻10.1光电效应第10章光电式传感器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，基于外光电效应的光电元件有光电管,光电倍增管等。内光电效应光电导效应:在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为光电导效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻，光敏晶体管等。光生伏特效应: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特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。第1

3、0章光电式传感器10.1光电效应10.1.1工作原理(1)外光电效应在光线作用下，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：——普朗克常数()——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大第10章光电式传感器10.1光电效应10.1.1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：第10章光电式传感器光电导效应

4、：入射光强改变物质导电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。10.1光电效应10.1.1工作原理(2)内光电效应第10章光电式传感器10.1光电效应10.1.1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结第10章光电传感器不加偏压的PN结当光照

5、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10.1光电效应10.1.1工作原理(2)内光电效应第10章光电式传感器处于反偏的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.10.1

6、光电效应10.1.1工作原理(2)内光电效应第10章光电式传感器10.2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。因此第10章光电式传感器10.2光电器件（1）光电管第10章光电式传感器10.2光电器件（1）光电管光电管器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。1.光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光

7、电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如3图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。（光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的区域内）图3a真空光电管的伏安特性图3b充气光电管的伏安特性2.光电管的光照特性      通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如4图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率

8、（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。图4光电管的光照特性3.光电管光谱特性      由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的极限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于极限频，并且强度相同，随着入射光频率的不同，