传感器与检测技术 李晓莹 第十章.pptVIP

传感器与测试技术 机电学院 第10章 光电式传感器 第二篇 常用传感器的原理及应用 1.掌握传感器工作原理　　　 2.了解传感器的基本特性 3.了解传感器的应用 第10章 光电式传感器 光电管和光电倍增管 光敏电阻 光电二极管 光电三极管 光电式传感器是将光量转换为电量。光电器件的物理基础是光电效应。 10.1 光电效应 光电效应通常是指物体敏感到由紫外线到红外线的光能量，并将光能转化成电信号现象。 1、外光电效应 在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。 光电子逸出时所具有的初始动能Ek与光的频率有关，频率高则动能大。 由于不同材料具有不同的逸出功，因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率” 。 在入射光的频谱成分不变时，发射的光电子数正比于光强。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。 基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光电倍增管等。 2、内光电效应 在光的照射下材料的电阻率发生改变的现象称为内光电效应。 半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，也称为光电导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。? 3、光生伏特效应 半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。 光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。 以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。 10.2 光电管及光电倍增管 1、光电管 光电阴极通常采用逸出功小的光敏材料(如铯Cs)。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。 光电管有真空光电管和充气光电管。 基本特性： 光照特性 光谱特性 伏安特性 温度特性 频率特性 2、光电倍增管 光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础上，获得大的光电流。 基本特性： 光照特性 光谱特性 伏安特性 10.3 光敏电阻 光敏电阻常用的半导体材料有硫化镉(CdS,ΔEg =2.4eV)和硒化镉(CdSe, ΔEg=1.8eV)。 无光线时其阻值很高；当受到光照并且光辐射能量足够大时，光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度ΔEg 的光子激发，由价带越过禁带而跃迁到导带，使其导带的电子和价带的空穴增加，电阻率变小。 基本特性： 暗电流、亮电流及光电流 光照特性 光谱特性 伏安特性 温度特性 频率特性 光敏电阻是一种电阻元件，具有灵敏度高、体积小、重量轻、光谱响应范围宽、机械强度高、耐冲击和振动、寿命长等优点。 10.4 光电池 光电池常用的材料是硅和硒，也可以使用锗、硫化镉、砷化镓和氧化亚铜等 。 硅光电池也称硅太阳能电池，它是用单晶硅制成，在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的P-N结，P层做得很薄,从而使光线能穿透照到P-N结上。 基本特性： 光照特性 光谱特性 温度特性 频率特性 硅太阳能电池具有轻便、简单，不会产生气体或热污染，易于适应环境。具有光电转换效率高、性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、能耐高温辐射等特点，应用广泛。 10.5 光电二极管和光电三极管 光敏二极管的P-N结装在管的顶部,上面有一个透镜制成的窗口，以便入射光集中在P-N结；光敏二极管使用时往往工作在反向偏置状态。 光敏三极管的结构与光敏二极管相似，不过它有两个P-N结，大多数光敏三极管的基极无引出线，仅有集电极和发射极两端引线；具有电流放大作用，电流灵敏度高 光电二极管和三极管的电路连接图 基本特性： 光照特性 光谱特性 伏安特性 温度特性 频率特性