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第6章 光电式传感器 6.1 光电效应及光电器件 6.1.1 光电效应 光照射在物体表面上就可看成是物体受到一连串能量为E的光子轰击，而光电效应就是由于该物体吸收到光子能量为E的光后产生的电效应。 通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类： （1）外光电效应。在光线作用下能使电子逸出物体表面的称为外光电效应。基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 （2）内光电效应。在光线作用下能使物体电阻率改变的称为内光电效应，又称光电导效应。基于该效应的光电器件有光敏电阻等。 （3）半导体光生伏特效应。在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的称为半导体光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池、光敏晶体管等。 基于外光电效应的光电器件属于真空光电器件，基于内光电效应和半导体光生伏特效应的光电器件属于半导体光电器件。 6.1.2 光电管 光电管由一个阴极和一个阳极构成，并密封在一支真空玻璃管内。光电管的特性主要取决于光电管阴极材料。 光电管基本特性： （1）伏安特性 （2）光照特性 （3）光谱特性。 6.1.3 光敏电阻 光敏电阻是由具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻器件。 1．光敏电阻的基本特性 （1）光电流：光敏电阻在不受光照射时流过光敏电阻的电流称为暗电流；在受光照射时流过光敏电阻的电流称为亮电流；亮电流与暗电流之差称为光电流。 （2）伏安特性:在一定的照度下，加在光敏电阻两端的电压与光电流之间的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性曲线。 （3）光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量的关系曲线，称为光敏电阻的光照特性 。 （4）光谱特性：光敏电阻对于不同波长l 的入射光，其相对灵敏度Kr是不同的。 （5）频率特性：相对灵敏度Kr与光强度变化频率f之间的关系曲线 。 （6）光谱温度特性：在不同温度下的相对灵敏度Kr与入射光波长l 之间的关系曲线。 6.1.4 光敏晶体管 1．光敏二极管 （1）工作原理。 光敏二极管是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光敏元件。在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。 （2）光敏二极管的检测方法。 2．光敏三极管 （1）工作原理 （2）基本特性 ① 光谱特性 ② 伏安特性 ③ 光照特性 ④ 温度特性 ⑤ 时间常数 （3）光敏三极管的检测方法。 6.1.5 光电池 1．光谱特性 光电池的相对灵敏度Kr与入射光波长l之间的关系称为光谱特性。 2．光照特性 光生电动势U与照度Ee之间的特性曲线称为开路电压曲线；光电流密度Je与照度Ee之间的特性曲线称为短路电流曲线。如图6.15所示为硅光电池的光照特性曲线。 3．频率特性 光电池的频率特性是光的调制频率f与光电池的相对输出电流Ir（相对输出电流=高频输出电流/低频最大输出电流）之间的关系曲线。 4．温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压U、短路电流I随温度t变化的曲线，如图6.17所示。 6.2 红外传感器 6.2.1 红外辐射 6.2.2 红外探测器 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。红外探测器是红外传感器的核心。 1．热探测器 热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定探测器所吸收的红外辐射。 2．光子探测器 光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电子的相互作用，改变电子的能量状态，引起各种电学现象（这一过程也称为光子效应）。通过测量材料电子性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。 6.3 光电式传感器应用举例 6.3.1 光敏电阻传感器的应用 6.3.2 光敏晶体管的应用 1．光电耦合器 2．脉冲编码器 3．光电转速传感器