传感器原理及应用-第8章课件.ppt

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1、第八章光电式传感器8.1光电器件8.2光纤传感器8.3红外传感器概述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。◆由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。8.1光电器件光电器件是构成光电式传感器最主要的部件。光电式传感器的工作原理如图8-1所示：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。图中x1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表

2、示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。图8-1光电式传感器的工作原理8.1光电器件8.1.1光电效应◆光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。1．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，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定：式中：h——普朗克常数，6.626×10（J∙s）；υ——光的频率（s）。8.1光电器件◆若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出

3、物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量hυ必须超出逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即（8-2）式中：m－电子质量；v0－电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。8.1光电器件◆由式（8-2）可知：光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同物体具有不同的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值，成为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射。◆当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。◆

4、光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。8.1光电器件2．内光电效应◆受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。●光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。8.1光电器件◆当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，如

5、图8-2所示：图8-2电子能级示意图从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即：8.1光电器件●光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。①势垒效应（结光电效应）接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。②侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。8.1光电器件8.1.2光电管1．结构

6、与工作原理◆光电管是外光电效应的器件，有真空光电管和充气光电管两类。◆光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光图8-3光电管的结构的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。8.1光电器件2．主要性能（1）光电管的伏安特性◆在一定的光照射下，对光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。◆真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如同8-4（a）和（b）所示。

7、它是应用光电传感器参数的主要依据。图8-4光电管的伏安特性8.1光电器件（2）光电管的光照特性：通常指当光电管的阳极和阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间的关系为光电管的光照特性。◆光电管阴极材料不同，其光照特性也不同。◆光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比称为光电管的灵敏度。8.1光电器件（3）光电管光谱特性◆一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率v0，因此它们可用于不同的光谱范围。◆即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发

8、射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。◆所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。8.1光电器件8.1.3光电倍增管1．结构与原理◆光电倍增管也是基于外光电效应的器件。由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，其工作原理如图8-5所示。图8-5光电倍增管的外型和工作原理8.1光电器件2．主要参数（1）倍增系数M◆倍增系数M等于各倍增电