第6章光电式传感器

1、现代检测技术现代检测技术 光电式传感器光电式传感器精勤求学 敦笃励志 果毅力行 忠恕任事回顾回顾光光源源光光学学系系统统被被测测对对象象光光学学变变换换光光电电转转换换电电信信息息处处理理存储存储显示显示控制控制光电器件光电器件 光电管光电管 光电池光电池 光敏电阻光敏电阻 2 2，光生伏特效应光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生一定方向：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。的电动势的现象。光电效应光电效应:光电效应按原理又分为以下光电效应按原理又分为以下3种：种： 1，外光电效应外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，在回路

2、中形成电流的现象。在回路中形成电流的现象。3，内光电效应内光电效应：又称光电导效应，：又称光电导效应， 在光照作用下，物体导在光照作用下，物体导电性能发生改变的现象。电性能发生改变的现象。光电式传感器光电式传感器 将被测物理量通过光量的变化转换为电量变化将被测物理量通过光量的变化转换为电量变化.光电式传感器光电式传感器1. 外光电效应外光电效应2. 光生伏特效应光生伏特效应3. 内光电效应内光电效应 4. 光电传感器的特点和应用光电传感器的特点和应用 外光电效应外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，形成光电流。形成光电流。频率为频率为的光子能

3、量为：的光子能量为：Eh光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功A和动能，即：和动能，即：212hmvA式中：式中：h普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34Js；入射光频率，入射光频率，s-1；m电子质量；电子质量；v电子逸出速度；电子逸出速度；A物体的逸出功。物体的逸出功。一、外光电效应一、外光电效应 外光电效应外光电效应 光电子逸出时所具有的初始动能光电子逸出时所具有的初始动能Ek与光的频率有关，频与光的频率有关，频率高则动能大。率高则动能大。a. 光电子逸出物体表面的必要条件光电子逸出物体表面的必要条件 或， 是波长， 是光速。hchAc

4、A212kEmvhA 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，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，这个频率限称为也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率红限频率”。b. 产生光电效应后，入射光频率不变时，单位时间内发射产生光电效应后，入射光频率不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光强成正比。因

5、为光越强，光子数越多，的光电子数与入射光强成正比。因为光越强，光子数越多，产生的光电子也相应增多。产生的光电子也相应增多。 c. 欲使光电子初始速度为零，需要在阳极加上反向截止电压。欲使光电子初始速度为零，需要在阳极加上反向截止电压。外光电效应外光电效应 光电管分类光电管分类真空光电管真空光电管 充气光电管充气光电管外光电效应应用器件外光电效应应用器件 光电管的基本特性光电管的基本特性 1. 光照特性光照特性 2. 光谱特性光谱特性 3. 伏安特性伏安特性 光电管的基本特性光电管的基本特性 1 2 光电管的基本特性光电管的基本特性 光电管的基本特性光电管的基本特性 光电管的基本特性光电管的基本

6、特性 光电管的基本特性光电管的基本特性 v 其他特性：其他特性： 暗电流暗电流：无光照时，光电流不为零的现象；：无光照时，光电流不为零的现象； 温度特性温度特性：光电管的光照特性、伏安特性等会受温：光电管的光照特性、伏安特性等会受温度影响；度影响； 频率特性频率特性：当光强按照一定频率变化时，光电流随：当光强按照一定频率变化时，光电流随频率变化的关系；频率变化的关系； 稳定性和衰老稳定性和衰老：短期稳定性好；入射光越强衰老越：短期稳定性好；入射光越强衰老越快。快。光电倍增管光电倍增管 在一个玻璃泡内除装有光在一个玻璃泡内除装有光电阴极和光电阳极外，还有若电阴极和光电阳极外，还有若干个干个光电倍

7、增极光电倍增极。倍增极上涂。倍增极上涂有在有在电子轰击下能发射更多电电子轰击下能发射更多电子子的材料。前一级倍增极反射的材料。前一级倍增极反射的电子恰好轰击后一级倍增极，的电子恰好轰击后一级倍增极，在每个倍增极间依次增大加速在每个倍增极间依次增大加速电压。光电倍增管的灵敏度高，电压。光电倍增管的灵敏度高，适合在微弱光下使用，但不能适合在微弱光下使用，但不能接受强光刺激，否则容易损坏。接受强光刺激，否则容易损坏。 外光电效应应用器件外光电效应应用器件 光电倍增管光电倍增管 光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性1. 光照特性光照特性 2. 光谱特性光谱特性 3. 伏安特性伏安特性 光电倍增管的

8、基本特性光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性使用注意问题：使用注意问题：光照射光照射光电子空穴对光电子空穴对内建电场作用内建电场作用光生电子被拉向光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向区，光生空穴被拉向P区区光光电动势电动势阻挡层阻挡层内建电场内建电场PN结结 光生伏特效应光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。一定方向的电动势的现象。二、光生伏特效应二、光生伏特效应 硅光电池结构硅光电池结构 利用光生伏特效应工作的光敏器件主要包括利用光生伏特效应工作的光敏器件主要包括光电池、光敏二

9、极管和光敏三极管光电池、光敏二极管和光敏三极管。光电池光电池 光电池光电池包括硅光电池、硒光电池、砷化镓光电池等。包括硅光电池、硒光电池、砷化镓光电池等。光电池光电池 光电池的基本特性光电池的基本特性 1. 光照特性光照特性 2. 光谱特性光谱特性 3. 温度特性温度特性 4. 频率特性频率特性 光电池的基本特性光电池的基本特性 用光电池作为测量用光电池作为测量元件时，应把它当作电元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不流源的形式来使用，不宜用作电压源。宜用作电压源。 光电池的基本特性光电池的基本特性 光电池的基本特性光电池的基本特性 光电池的基本特性光电池的基本特性 光电池的基本特性光电池的

10、基本特性 频率指光强变化的频率频率指光强变化的频率 光电二极管光电二极管 光电二极管光电二极管工作原理：工作原理： 无光照时，少数载流无光照时，少数载流子在反向偏压作用下形成子在反向偏压作用下形成微小的反向电流微小的反向电流暗电暗电流流； 受到光照时，在外加受到光照时，在外加反向电压和内电场作用下，反向电压和内电场作用下，光生电子空穴分别被拉向光生电子空穴分别被拉向N区和区和P区，反向电流大大增区，反向电流大大增加，形成加，形成光电流光电流。光电三极管光电三极管 基基 区区光电二极管、光电三极管比较光电二极管、光电三极管比较 光电二极管、光电三极管比较光电二极管、光电三极管比较 光电二极管、光

11、电三极管比较光电二极管、光电三极管比较 光敏三极管的光电流比同管型二极管的光电流大上百倍；光敏三极管的光电流比同管型二极管的光电流大上百倍；在零偏压时，二极管仍有光电流输出（光生伏特效应），在零偏压时，二极管仍有光电流输出（光生伏特效应），三极管则没有。三极管则没有。光电二极管、光电三极管比较光电二极管、光电三极管比较 内光电效应内光电效应：又称光电导效应，：又称光电导效应， 在一定波长光照作用在一定波长光照作用下，物体导电性能发生改变的现象。内光电效应产生的自下，物体导电性能发生改变的现象。内光电效应产生的自由电子停留在物体内部，不发生电子逸出。由电子停留在物体内部，不发生电子逸出。内光电效

12、应器件：内光电效应器件：光敏电阻光敏电阻 光敏电阻是纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻是纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。 光敏电阻具有灵敏度高、体积小、质量轻、光谱响应光敏电阻具有灵敏度高、体积小、质量轻、光谱响应范围宽、机械强度高、耐冲击和振动、寿命长等优点。制范围宽、机械强度高、耐冲击和振动、寿命长等优点。制作光敏电阻的材料有硫化镉、硫化铅、硒化铟、硒化镉、作光敏电阻的材料有硫化镉、硫化铅、硒化铟、硒化镉、硒化铅等。硒化铅等。 特点：无极性特点：无极性三、内光电效应三、内光电效应 光敏电阻的结构光敏电阻的结构：管芯是一块安装在绝缘衬底上带有：管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个

13、欧姆接触电极的光电半导体，一般都做成薄层。为了两个欧姆接触电极的光电半导体，一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，电极一般采用梳状图案。获得高的灵敏度，电极一般采用梳状图案。光敏电阻光敏电阻 光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 2. 光照特性光照特性 4. 光谱特性光谱特性 3. 伏安特性伏安特性 1. 特性参数特性参数光敏电阻基本特性光敏电阻基本特性 大多数暗电阻大多数暗电阻1M100M，亮电阻，亮电阻1k。光敏电阻基本特性光敏电阻基本特性 光敏电阻基本特性光敏电阻基本特性 光敏电阻基本特性光敏电阻基本特性 响应快、结构简单、可靠性高、抗电磁干扰强，可实现响应快、结构简单、可靠性高、抗电磁干

14、扰强，可实现非接触测量。非接触测量。一般由一般由光源光源、光学元件光学元件、光电变换器光电变换器三部分构成，主要应用：三部分构成，主要应用：1）由被测量控制光电变换器处于）由被测量控制光电变换器处于“通通”或或“断断”两种状态，两种状态，如光电式转速表、光电计数器、光电开关等。如光电式转速表、光电计数器、光电开关等。2）光电变换器输出光电流是输入光通量的函数，如光电位）光电变换器输出光电流是输入光通量的函数，如光电位移计、测振计、照度计等。移计、测振计、照度计等。四、光电传感器的特点和应用四、光电传感器的特点和应用 光电传感器的特点和应用光电传感器的特点和应用 光电传感器的特点和应用光电传感器

15、的特点和应用 模拟式光电传感器模拟式光电传感器：将被测量转换为连续变化的光电流。：将被测量转换为连续变化的光电流。根据被测物对光的吸收程度或根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明数。如测量液体、气体的透明度、混浊度度、混浊度,对气体进行成分分对气体进行成分分析析,测定液体中某种物质的含量测定液体中某种物质的含量等。等。根据反射的光通量多少测定被根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。陷、表面位移等。光电传感器的特点和应用光电传感器的特点和应用 光源发出的光通量经被光源发出的光通量经被测物遮去其一部分测物遮去其一部分,使作用在使作用在光电元件上的光通量减弱光电元件上的光通量减弱,减减弱的程度与被测物在光学通弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一路中的