第8章光电式传感器要点分析.ppt

第8章 光电式传感器 光电传感器：以光电器件作转换元件的传感器。 工作原理：把被测量的变化→转换成光信号(光 通量或光参数)的变化→通过光电转换 　　　　　元件变换成电信号。 外光电效应：在光线作用下, 物体内的电子逸出 物体表面向外发射的现象。 向外发射的电子叫光电子。 如光电管、光电倍增管。 内光电效应：在光线作用下, 物体的导电性能发 生变化或产生光生电动势的效应。 如光敏电阻、光电池、光敏二极 管、光敏晶体管。 1．外光电效应 一束光是由一束以光速运动的粒子流组成 的，这些粒子称为光子。 光子具有的能量： E=hυ (8-1) 式中：h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s)； υ——光的频率(s-1)。 根据能量守恒定理： 1．外光电效应 （1）光子能量必须超过逸出功，才能产生光电子； （2）入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比； （3）光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此对于外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。 2．内光电效应 (1)光电导效应 在光线作用下，半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性能增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。 光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。 (2)光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势 的现象称为光生伏特效应。 基于该效应的光电器件有光电池。 光敏二极管、光敏晶体管也是基于内光电效应。 一、 光敏电阻（光导管） １． 光敏电阻的结构与工作原理 ２．光敏电阻的主要参数 （１）暗电阻：光敏电阻在不受光时的阻值。 此时流过的电流称为暗电流。  （２）亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻。 此时流过的电流称为亮电流。 （３）光电流：亮电流与暗电流之差称为光电 流。 光敏电阻演示 ３．光敏电阻的基本特性 （1） 伏安特性 光敏电阻的伏安特性：在一定照度下, 流过光敏电阻的电流I与光敏电阻两端的电压U的关系 。 I = F（U） （2）光照特性 当光敏元件加上一定电压时，光电流I与光敏 元件上光照度E之间的对应关系称为光照特性。 一般可表示为： I = F（E） 4．光敏电阻特点： 优点：光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度 高、使用寿命长、体积小等。所以应用 广泛。 缺点：型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并 且由于光照特性的非线性，不适宜于测 量要求线性的场合，常用作开关式光电 信号的传感元件。 二、 光敏二极管和光敏晶体管 １．结构原理 （1）光敏二极管 结构:与一般 二极管相似 光敏三极管外形 ２．基本特性 （１） 光谱特性 光电池在动力方面的应用 2．基本特性 （１） 光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。 优点：输出和输入进行电气隔离，输入和输出 没有反馈。具有独立选择输入阻抗和输 出阻抗，抗干扰能力 强。 应用场合：电路隔离、电平转换、噪声抑制、 无触点开关及固态继电器等场合。 ２．CCD的应用（CCD固态图像传感器） 电荷耦合器件用于固态图像传感器中, 作为 摄像或像敏的器件。  组成：由感光部分和移位寄存器组成。 感光部分—— 在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元组成的阵列元件, 光敏单元简称“像素”。 移位寄存器——在电荷耦合中担任电荷耦合传输