第8章 光电式传感器A

1、第8章 光电式传感器8.1 光电效应(un din xio yng)传感器8.2 固态图像传感器8.3 光纤传感器 共五十页光电式传感器概述作用(zuyng)：将光信号转变为电信号。特点：非接触测量，响应速度快，性能可靠。类别：四类光敏传感器：一、光电效应传感器；二、红外热释电探测器；三、固态图像传感器（CMOS、CCD）；四、光纤传感器。共五十页光电式传感器的工作(gngzu)原理及基本组成 共五十页被测光量：需要测量的主体（发光体、反光体、透光体、阻光体）。前置光学元件：将点光源的发散(fsn)光变为平行光。后置光学元件：对平行光进行聚焦。光电元件：光电转换。测量电路：调理电路。工作原理：

2、反映被测主体信息的光信号，经光学组件处理，由光电元件转换为电信号。共五十页8.1.1 光电效应.外光电效应：光电子逸出。.内光电效应（二种）光电导效应：电阻率变化。光生伏特(ft)效应（阻挡层光电效应）：产生电动势。8.1 光电效应(un din xio yng)传感器共五十页8.1.2 外光电效应(xioyng)型光电器件外光电效应：在光的照射下，某些材料（金属或金属氧化物）中的电子获得足够的能量，逸出表面，向外发射（光致发射）。光子的能量：E=h 式中： h普朗克常数(chngsh)=6.62610-34(Js) 光的频率（s-1）。 （8-1） 爱因斯坦光电效应方程：（8-2） 共五十页

3、A0为逸出功：金属或半导体材料中电子逸出时克服表面势垒所需作出的功，与材料及表面形状有关。动能(dngnng)：发射的电子所具有的能量。当h A0 时，电子可逸出。0为能产生外光电效应的光的最低频率（红限频率）。光的颜色与的关系？能否产生外光电效应与有关，与光强无关。当0时，产生的光电子数与光强成正比。 。共五十页光电管）真空光电二极管结构：光电阴极、阳极组成真空管。原理：阴极受光照(gungzho)（适当）电子逸出阴极表面电场作用形成阳极电流。用途：一般光强测量。共五十页共五十页）充气光电二极管结构：在管内充以低压惰性气体。特点：提高灵敏度。原理：光电子在飞向阳极的过程中与惰性气体分子碰撞，

4、使惰性气体分子电离出电子与正离子，从而增大(zn d)电流。用途：较弱光强测量。共五十页）主要(zhyo)特性伏安特性：光照不变，VI关系。 共五十页光照特性（1,2为不同阴极(ynj)光电管）：V不变，光通量与光电流的关系。 光谱特性(txng)：不同的光电管适用于不同的光频率。 共五十页2. 光电管倍增(bi zn)管结构与工作原理结构：光电阴极、若干(rugn)倍增电极、阳极组成真空管。原理：倍增电极受电子轰击更多的二次电子。共五十页共五十页电路：各倍增电极电压离阴极(ynj)距离增加而升高。光电倍增管电路用途(yngt)：极弱光测量。共五十页应用示例(shl)：射线测量：共五十页8.1

5、.3 内光电效应(xioyng)型光电器件.光敏电阻光电导效应：在光的照射下，半导体材料的电导率改变。 ）结构(jigu)和原理原理：光作用于半导体产生电子空穴对电导率增加。共五十页光敏电阻又称光导管，它几乎(jh)都是用半导体材料制成的光电器件，其常用的材料有硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）、锑化铟（InSb）等。共五十页光敏电阻结构(jigu) (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图结构(jigu)：共五十页共五十页2）光敏电阻的主要参数 暗电阻(dinz)、亮电阻(dinz)与光电流：暗电阻：不受光照时的电阻值（室温）。典型值：106108暗电流：给定电

6、压下（例如：10V），流过暗电阻的电流。亮电阻：受光照时的电阻值。典型值：102103亮电流：给定电压下，流过亮电阻的电流。光电流：亮电流 暗电流。共五十页3）光敏电阻的特性（1）伏安特性一定(ydng)照度下，光电流与所加电压的关系。图 8-3 硫化镉光敏电阻(un mn din z)的伏安特性 共五十页（）光照特性(txng)光电流与光强的关系。（非线性）图8-4 光敏电阻的光照(gungzho)特性 共五十页（）光谱特性相对灵敏度与入射光谱频率（波长）的关系。不同光敏电阻(un mn din z)对光谱频率具有选择性。图8-5 光敏电阻的光谱(gungp)特性 共五十页对应于不同波长，光

7、敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。从图中可见：硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，常被用作光度量(dling)测量（照度计）的探头。而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区， 常用做火焰探测器的探头。共五十页（）频率特性 光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻(lk)变化。 频率特性：入射光的相对灵敏度与调制频率的关系。图8-6 光敏电阻(un mn din z)的频率特性 共五十页（）温度特性(txng)温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变。图 8-7 硫化铅光敏电阻的光谱温度(wnd)特性 共五十页.光敏二极管和光

8、敏晶体管光生伏特效应：光照射(zhosh)PN结产生电动势。 1）结构(jigu)和原理 原理：光照射PN结产生电子、空穴对内建电场作用电子在N区、空穴在P区积累产生电动势。共五十页共五十页图 8-8 光敏二极管结构(jigu)简图和符号 光敏二极管结构与基本(jbn)电路图 8-9 光敏二极管接线图 共五十页共五十页共五十页光敏三极管结构与基本(jbn)电路图 8 10 NPN型光敏晶体管结构简图和基本(jbn)电路 共五十页共五十页2）光敏管的特性(txng) （）光谱特性图 8-12 光敏二极(r j)(晶体)管的光谱特性共五十页（）伏安(f n)特性图 8-13 硅光敏管的伏安(f n

9、)特性(a) 硅光敏二极管; (b) 硅光敏晶体管 共五十页（）光照(gungzho)特性共五十页（）频率特性图 8-14 光敏晶体管的温度(wnd)特性减小负载电阻可以提高(t go)频率响应范围共五十页（）温度(wnd)特性图8-15 光敏晶体管的温度(wnd)特性曲线共五十页3.光电池直接(zhji)将光能转换为电能的光电器件。 ）结构和原理原理：光生伏特效应。结构特点：PN结面积很大，P区很薄，可形成较大电流。 共五十页图 8-16 硅光电池原理图 (a) 结构(jigu)示意图； (b) 等效电路 共五十页2）光电池的特性 （）光谱特性硅光电池波长在0.8m附近，硒光电池在0.5m附

10、近。硅光电池的光谱响应(xingyng)波长范围为0.41.2m，而硒光电池只能为0.380.75m。图8-17 硅光电池的光谱(gungp)特性 可见光测量用？红外测量用？共五十页（）光照特性(txng)短路电流与光照度呈线性关系；开路电压与光照度是非线性关系。用光电池作传感器时怎么用？图 8-18 硅光电池的光照(gungzho)特性 共五十页（）频率特性硅光电池有较好的频率响应(pn l xin yn)。 图8-19 硅光电池(dinch)和硒电池(dinch)的频率特性 共五十页（4）温度(wnd)特性图 8-20 硅光电池的温度(wnd)特性 共五十页4. 应用(yngyng)示例：

11、光电转速(zhun s)传感器 共五十页共五十页火焰探测报警器硫化铅光敏电阻(dinz)的暗电阻(dinz)为1M,亮电阻为0.2M(光强度0.01W/m2测试)，峰值响应波长为2.2m。图834火焰(huyn)探测报警器电路图 共五十页光电式纬线(wixin)探测器纬线在喷气作用下前进时，红外发光管VD发出的红外光， 经纬线反射，由光电池接收，如光电池接收不到反射信号时，说明纬线已断。图8-3 光电式纬线(wixin)探测器原理电路图共五十页内容摘要第8章 光电式传感器。测量电路：调理电路。式中： h普朗克常数=6.62610-34(Js) 。光的频率（s-1）。A0为逸出功：金属或半导体材料中电子逸出时克服表面势垒所需作出的功，与材料及表面形状有关。当h A0 时，电子可逸出。当0时，产生的光电子数与光强