传感器与检测技术第8章 光电式传感器ppt课件.ppt

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1、第8章光电式传感器光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。光电传感器是将被测量的变化通过光信号(如光强、光频率等)变化转换成电信号。图8-1为光电传感器原理图。光电式传感器一般由辐射源、光学通路和光电器件三部分组成。被测量通过对辐射源或光学通路的影响，将被测信息调制到光波上，通常改变光波的强度、相位、空间分布和频谱分布等，光电器件将光信号转化为电信号。电信号经后续电路的解调分离出被测信息，从而实现对被测量的测量。8.1光电效应光电式传感器的作用原理是基于一些物质的光电效应。光照射在某些物质上，使该物质吸收光能后电子的能量和电特性发生变化，这种现象

2、称为光电效应。光电效应可分为两大类，即外光电效应和内光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应两种，具有检测光信号功能的材料称为光敏材料，利用这种材料做成的器件称为光敏器件。8.1.1外光电效应在光线照射下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。光子是具有能量的基本粒子，光照射物体时，可以看成具有一定能量的光子束轰击这些物体。根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能给一个电子，要使电子逸出物体表面，需对其做功以克服对电子的约束。设电子质量为m，电子逸出物体表面时的速度为v0，一个光电子逸出物体表面时具有的初

3、始动能为mv2/2。根据能量守恒定律，光子能量与电子的动能有如下关系8.1.2内光电效应当光线照在物体上，使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，所以内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。1．光电导效应入射光强改变物质导电率的现象称为光电导效应。几乎所有高电阻率半导体都有光电导效应，这是由于在入射光线作用下，电子吸收光子能量，电子从价带被激发到导带上，过渡到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带的电子和价带的空穴浓度增大，电阻率减少。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

4、光敏电阻。2．光生伏特效应光照时物体中能产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。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。pN结因光照产生光生伏特效应分为以下两种情况。(1)不加偏压的PN结如图8-3所示，当PN结不加偏压，光照射在PN结时，如果入射光子的能量大于半导体禁带宽度，使价带中电子跃迁到导带，可激发出光生的电子—空穴对，在PN结阻挡层的内电场作用下被光激发的空穴移向P区，电子移向N区，结果使得P区带正电，N区带负电，形成一定强度的电场，这个电场产生的电压就是光生伏特效应产生的光生电动势。基于这种效应的器件有光电池。(2

5、)处于反偏的PN结如图8-4所示，PN结处于反向偏置。无光照时P区电子和N区空穴很少，反向电阻很大，反向电流很小；当有光照时，光生电子——空穴对在PN结内电场作用下，P区电子穿过PN结会移向N区，N区空穴穿过PN结进入P区，各自向反方向运动，光生的载流子在外电场作用下形成光电流，电流方向与反向电流一致，并且光照越强光电流越大。具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管。8.2光电器件光电器件工作原理主要基于外光电效应、光电导效应和光生伏特效应。基于光电效应可以制作成各种光电器件，即光电式传感器。8.2.1光电管1.结构与工作原理光电管有真空光电管和充

6、气光电管两类，二者结构相似，它们由一个涂有光电材料的阴极K和一个阳极A封装在玻璃壳内，如图8-5a所示。当入射光照射在阴极上时，阴极就会发射电子，由于阳极的电位高于阴极，在电场力的作用下，阳极便收集到由阴极发射出来的电子，因此，在光电管组成的回路中形成了光电流Iφ，并在负载电阻RL上输出电压U0，如图8-5b所示。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压U0与入射光通量成正比。2.光电管特性光电管的性能指标主要有伏安特性、光电特性、光谱特性、响应特性、响应时间、峰值探测率和温度特性等。下面仅对其中的主要性能指标作简单介绍。(1)光电特性光电

7、特性表示当阳极电压一定时，阳极电流I与入射在光电管阴极上光通量φ之间的关系，如图8-6所示。光电特性的斜率(光电流与入射光光通量之比)称为光电管的灵敏度。(2)伏安特性当入射光的频谱及光通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系叫伏安特性，如图8-7所示。当阳极电压比较低时，阴极所发射的电子只有一部分到达阳极，其余部分受光电子在真空中运动时所形成的负电场作用回到光电阴极。随着阳极电压的增高，光电流随之增大。(3)光谱特性光电管的光谱特性通常是指阳极和阴极之间所加电压不变时，入射光的波长(或频率)与其绝对灵敏度的关系。8.2.2光电倍增管及基本测量电路1.

8、结构与工作原理光电倍增管能把微弱的光输入转换成电子，并使电子获得倍增的电真空器件。它有放大光电