第7章光电式传感器.ppt

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1、第7章光电式传感器7.1光电效应7.2光电元件及其特性7.3光电式传感器的测量电路7.4光电传感器及其应用7.5光纤传感器7.6电荷耦合器件（CCD）7.7光栅式传感器7.8激光式传感器本章要点下页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。图库返回7.1光电效应由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后产生的电效应。从传感器的角度

2、看光电效应可分为二大类型。下页上页返回7.1.1外光电效应指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍增管均属这一类。它们的光电发射极，即光明极就是用具有这种特性的材料制造的。7.1.2内光电效应指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属此类。7.1.3光生伏特效应利用光势垒效应，即在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势。图7-1P-N结的光势垒图库7.2光电器件及其特性下页上页返回光电管与光电倍增管光敏电阻光敏二极管和光敏三极管光电池半导体光电元件的特性图库7.2.1光电管与光电倍增管下页上页返回一、构造二、特性

3、1．光电特性表示当光电管的阳级电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上光通量φ之间的关系。2．伏安特性当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同光电流的关系叫伏安特性，如图7-4(c)所示。3．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。保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。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。图7-3光电倍增管的结构图图7-2光电管的结构图图7-4光电管的特性图库7.2.2光敏电阻下页上页返回光敏电阻是用

4、具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻优点：灵敏度高，体积小、重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高、耐冲击和振动，寿命长。缺点：使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。图7-5光敏电阻的结构及表示符号图库7.2.3光敏二极管和光敏三极管下页上页返回当二极管和三极管的PN接受到光照射时，通过PN结的电流将增大。光敏二极管和光敏三极管则必须使PN结能受到最大的光照射。图7-7光敏三极管图7-6光敏二极管图库7.2.4光电池下页上页返回光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。它有较

5、大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。图7-8光电池的构造和表示符号图库7.2.5半导体光电元件的特性下页上页返回上面讨论的光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管、光电池等三种光电元件都是半导体传感器件。它们各有特性，但又有相似之处，为了便于分析和选用，把它们的特性综合如下。一、光电特性光电特性是指这些半导体光电元件产生的光电流与光照之间的关系。二、伏安特性伏安特性是指光照一定时，这些光电元件的端电压U与电流I之间的关系。图7-9半导体光电元件的光电特性图7-10半导体光电元件的伏安特性图库7.2.5半导体光电元件的特性下页上页

6、返回三、光谱特性半导体光电元件对不同波长的光，其灵敏度是不同的，因为只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子--空穴对。而光子能量的大小与光的波长有关。四、频率特性半导体光电元件的频率特性是指它们的输出电信号与调制光频率变化的关系。五、温度特性半导体材料易受温度的影响，它直接影响光电流的值。因此需要讨论这些光电元件的温度特性，以便选用合适的工作温度。图7-12半导体光电元件的频率特性图7-13半导体光电元件的温度特性图7-11半导体光电元件的光谱特性图库7.3光电式传感器的测量电路下页上页返回要使光电式传感器能很好地工作。除了

7、合理选用光电转换元件外，还必须配备合适的光源和测量线路。7.3.1光源发光二极管钨丝灯泡电弧灯或石英灯激光7.3.2测量电路光电管的测量电路光电倍增管的测量电路光敏电阻的测量电路光敏晶体管的测量电路光电池的测量电路图7-14真空光电管的差接测量电路图7-15光电倍增管的测量电路图7-16光敏电阻开关电路图7-18具有温度补偿的光敏二极管测量电路图库7.4光电传感器及其应用下页上页返回光电传感器按其接收状态可分为模拟和脉冲式光电传感器两大类。图库7.4光电传感器及其应用下页上页返回7.4.1模拟式光电传感器模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件

8、的光电特性，其光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和辐射式。7.4.2脉冲