第八篇：光电传感器.ppt

光电传感器 光通量：每单位时间到达、离开或通过曲面的光能量 光电传感器：是将光通量转换为电量的一种传感器，其最大特点是非接触测量 光电传感器的基础是光电转换元件的光电效应 1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。 第一节 光电效应及光电元器件 用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。 光电效应通常可以分为3类，有外光电效应，内光电效应和光生伏特效应。 外光电效应：在光线的作下，能使电子逸出物体的表面。向外逸出的电子叫光电子。 基于外光电效应的光电元件有光电管、紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 紫外光电管外形 当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外光电管多用于紫外线测量、火焰监测等。 10.1.1 光电管 在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。 光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。 当光线照射到光敏材料上，光子的能量传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，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。 光电管测量电路 光电管的光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。 一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率f0，因此它们可用于不同的光谱范围。 除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率f0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。 受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。 基于内光电效应的元器件有光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管，光敏达林顿管及光敏晶闸管等。 光敏电阻 当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。 光敏电阻结构 光敏电阻 优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。 不足：需要外部电源，有电流时会发热。 光敏电阻演示 当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，流过光敏电阻的电流增大。 光敏电阻的主要特性参数 (1)暗电阻与暗电流 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流成为暗电流。 (2)亮电阻与亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 (3)光电特性 施加额定电压，置于室温时测得的电阻值与光照度的关系。（具有非线性） (4)光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。 光敏电阻的光照特性 光敏电阻的温度特性 其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。 光敏晶体管的工作原理及结构 光敏二极管，光敏三极管，光敏达林顿管（光敏复合管）以及光敏晶闸管等统称为光敏晶体管，可用于光的照度测量和控制。 光敏晶体管的具体特性参数见书P134表10-3所示。 光敏二极管 光敏二极管 将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，当在光敏二极管两端施加电压后，流过PN结的光电流也相应增大，光电流与光照度成正比。 光敏二极管 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态