传感器与检测技术 教学课件 作者 魏学业 第8章 光电式传感器.ppt

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1、第8章光电式传感器光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光）转变成为电信号的器件。最早的光电转换元件主要是利用光电效应原理制成的，有外光电效应的光电管、光电倍增管；内光电效应的光敏电阻、光导管；阻挡层光电效应的光电二极管、光电晶体管及光电池等。新发展的光电转换元件主要有电荷藕合传感器（CCD）、光纤传感器、光电编码器、计量光栅等，除具有直接测量光信号外，还可以间接测量温度、压力、加速度、速度及位移等多种物理量，具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和抗干扰能力强等优点，

2、其发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力。分类按工作原理可分为：1.光电效应传感器光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件称为光电效应传感器。2.红外热释电探测器红外热释电探测器是对光谱中长波（红外）敏感的器件。主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。8.1光电式传感器的类别3.固体图像传感器结构上分为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光电转

3、换和电荷转移功能制成的CCD图像传感器，一类是用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS金属氧化物半导体图像传感器。4.光纤传感器光纤传感器是唯一的有源光敏传感器。它利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信号。光电器件光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件，是构成光电式传感器的主要部件，光电器件工作的物理基础是光电效应。光电器件响应快、结构简单、使用方便,而且有较高的可靠性，因此在自动检测

4、、计算机和控制系统中，应用非常广泛。光电效应是指在光照射下，物体中的电子吸收了入射光子的能量，发生电学效应的现象光电效应分为内光电效应、外光电效应和光生伏特效应。1.内光电效应在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。即物体的导电性能发生变化的现象。如：光敏电阻。光敏电阻又称光导管，是用半导体材料制成的光电器件，为纯电阻元件。由于电阻没有极性，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。其工作原理

5、是基于光电导效应，无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。光敏电阻的结构如图所示，管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵

6、敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案。光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将光导电体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。不足是需要外部电源，有电流时会发热。2.外光电效应在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，在回路中形成光电流的现象。当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果

7、入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管RGRLEI光电管有真空光电管和充气光电管两类，两者结构相似。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。在真空玻璃管内装入两个电极—光电阴极与光电阳极。光电管的阴极受到适当的光线照射后发射电子，这些电子在电压作用下被阳极吸引，形成光电流。在

8、外电路串入一适当阻值的电阻，则在该电阻的电压降或电路中电流的大小都与光强成函数关系，从而实现了光电转换。玻璃管内充入氩、氖等惰性气体。当光电子被阳极吸引时会对惰性气体进行轰击，从而产生更多的自由电子，提高了光电转换灵敏度。当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，不容易探测，需要用光电倍增管对电流进行放大。它由光阴极、光阳极和若干个倍增极