第7章 光电式传感器ppt课件.ppt

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1、光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，在检测和控制领域内得到广泛应用。第七章光电传感器用光照射某一物体，可以看做是一连串能量为Au的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，我们把这种物理现象称为光电效应。一、光电效应与光电器件根据光的波粒二象性，我们可以认为光

2、是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为E=h·f7-1式中，f为光波频率；h为普朗克常数，h＝6.63x10-34J/Hz光波频率越高，光子能量越大。1)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，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电信增管等。2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。3)在光线作用下，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。通常把光电效应分为三类：(一)光电管、光电倍增管光电管和光电倍增管是利用外光电效应制

3、成的光电元件。下面简要介绍它们的结构和工作原理。光电管的外形和结构如图7-1-1所示，当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为(1／2)mυ2式中，m为电子质量；v为电子逸出的初速度。7-2根据能量守恒定律有1.光电管入射光频率大于“红限”的前提下，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。由式7-2可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hf>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不

4、会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特性，要求人们应当根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获得满意的灵敏度。由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。图7-1-3是光电倍增管结构示意图。2.光电倍增管从图中可以看到光电倍增管也有一个阴极K和一个阳极A，与光电管不同的是在它的阴极和阳极间设置了若干个二次发射电极，D1、D2、D3…它们称为第一倍增电极、第二倍增电极、…，倍增电极可在4～14级。

5、在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。若倍增电极有n级，各级的倍增率为δ，则光电倍增管的倍增率可以认为是δn，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。1.工作原理光敏电阻是采用半导体材料制做，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。（二）光敏电阻光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过光

6、敏电阻的电流之间的关系，称为伏安特性。2．基本特性和参数光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。例如MG41-21型光敏电阻暗阻大于等于0.1M。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。MG41—21型光敏电阻亮阻小于等于1k。亮电流与暗电流之差称为光电流。显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏度就高。2)伏安特性1)暗电阻、亮电阻由图7-1-5可知，光敏电阻伏安特性近似直线，而且没有饱和现象。受耗散功率的限制，在使

7、用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。3)光电特性5)频率特性当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。图7-1-8给出相对灵敏度Kr，与光强变化频率f之间的关系曲线，可以看出硫化铅的使用频率比硫化铊高的多。但多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个缺陷。4)光谱特性对于不同波长的入射光，光敏电阻