传感器原理与应用--光电传感器(含光纤).ppt

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1、传感器原理与应用电子科技大学中山学院2013光电传感器光电传感器介绍光电效应、光电元件的分类、结构、工作原理、特性、应用电路，以及光电传感器的四种类型的应用实例。还简单介绍了光辐射的基本知识。1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf（或hν）的光子的轰击，组成这物体的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。第一节光电效应及光电元件光电效应的分类第一类：在光线的作用下能使电

2、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、光电摄像管等。第二类：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，也称为光电导效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管及光敏晶闸管等。第三类：在光线的作用下，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。1）外光电效应a)光电管b)外光电效应示意1－阳极a2－阴极k3－石英玻璃外壳4－抽气管蒂5－阳极引脚6－阴极引脚7－金属表面8－光子9－光

3、致发射电子金属板“光电子”爱因斯坦光电方程式中m——电子质量；W——金属光电阴极材料的逸出功；f——入射光的频率。由于逸出功与材料的性质有关，当材料选定后，要使金属表面有电子逸出，入射光的频率f应有一最低的限度值。当hf小于W时，即使光通量很大，照射时间很长，也不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限。电子逸出金属表面的速度v可由能量守恒定律确定：电磁波频谱（光是一种电磁波）光电管电路及特性金属阳极a和阴极k封装在一个石英玻璃壳内。当入射光照射在阴极板上时,光子的能量传递给阴极表面的电子,当

4、电子获得的能量足够大时,电子就可以克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面,形成电子发射。当光电管阳极加上数十伏电压时,从阴极表面逸出的“光电子”被具有正电压的阳极所吸引,在光电管中形成电流,简称为光电流,光电流IΦ正比于光电子数,而光电子数又正比于光照度。1－低照度时的曲线2－紫外线增强时的曲线光电倍增管外光电效应的典型元器件还有光电倍增管。它的灵敏度比上述光电管高出几万倍以上，在星光下就可以产生可观的电流，光通量在10-14～10-6lm（流明）的很大变化区间里，其输出电流均能保持线性。因此光电

5、倍增管可用于微光测量,如探测高能射线产生的辉光等。但由于光电倍增管是玻璃真空器件，体积大、易破碎,工作电压高达上千伏,所以目前已逐渐被新型半导体光敏元件所取代。微弱光照二、基于内光电效应的光电元件1．光敏电阻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光敏电阻。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。光敏电阻的图形符号：构成光敏电阻的材料有：金属的硫化物(如CdS)、硒化物、碲化物等半导体。半导体的导电能力取决于半导体载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，若光子能量hf大于该

6、半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收光子能量后，跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子-空穴对的出现使电阻率变小。光照越强，光生电子-空穴对就越多，阻值就越低。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值。光敏电阻外形及结构当光敏电阻受到光照时，左右电极之间的阻值减小。光敏电阻原理演示当光敏电阻受到光照时，光生电子-空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（温度升高，暗电增大）光照产生的电流称为亮电流光敏电阻的特性和参数1）暗电阻：置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，

7、通常大于1MΩ。光敏电阻受温度影响甚大，温度上升，暗电阻减小，暗电流增大，灵敏度下降，这是光敏电阻的一大缺点。2）光电特性：在光敏电阻两极电压固定不变时,光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性(非线性严重)3）响应时间：光敏电阻受光照后，光电流需要经过一段时间（上升时间）才能达到其稳定值。同样，在停止光照后，光电流也需要经过一段时间(下降时间)才能恢复到其暗电流值，（时延特性）。光敏电阻的上升响应时间和下降响应时间约为10–2～10–3s，光敏电阻不能用在要求快速响应的场合。部分光敏电阻的特性参

8、数二、光敏管光敏二极管、光敏晶体管、光敏晶闸管等统称为光敏管，它们的工作原理是基于内光电效应。光敏晶体管的灵敏度比二极管高，但频率特性较差，暗电流也较大。目前还研制出光敏晶闸管，它的导通电流比光敏晶体管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，主要用于光耦合器（俗称光电耦合器）中。光敏二极管的结构光敏二极管的PN结被设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射。1－负极引脚2－管芯3－外壳4－玻璃聚光镜5－正极引脚6－N型衬底7－SiO2保护圈8－SiO2透明保护层9－铝引出电极10－