山东建筑大学热工检测课光电式传感器课件

1、 光电式传感器1 工作原理2 光电管3 光敏电阻4 光电池1 工作原理 光电传感器将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为 E=h 式中， 为光波频率；h为普朗克常数.对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量越大。1 工作原理 光电传感器将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。几个特性光谱特性光电特性 伏安特性 通常把光电效应分为三类： 外光电效应内光电效应光生伏特效应在光线作用下能使电子逸出物质表面的称为外光电效应，转换元件有光电管、光电倍增管等在光线作用下能使物

2、体电阻率改变的称为内光电效应。光电转换元件有光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管等在光线作用下使物体产生一定方向电动势的称为光生伏特效应，转换元件有光电池和光敏晶体管1、原子只能处在一 系列 不连续的、稳定的能量状态。原子系统的基本理论2、当原子能级跃迁时，才发射（或吸收）光子,hEEkn-=n其频率为EE3E2E1E1 , E2 , E3 En （定态）hhh氢原子轨道半径r14r19r116r1rvmn=1n=2n=3n=4 当入射光照射在阴极上时当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射.单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而

3、使自由电子的能量增加。从阴极表面逸出的光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，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。光电管正常工作时，阳极A电位高于阴极K。-IAU电源KA光谱特性用单位辐射通量不同波长的光分别照射光电管，在光电管上产生大小不同的光电流。光电流I与光波波长的关系曲线称为光谱特性曲线，又称频谱特性对于不同波长区域的光，应选用不同光电阴极的光电管。此外在测量与控制技术中，光电管可以担负人眼不能胜任的工作。光电特性 光电管在固定阳极电压下，光通量与光电流 之间的关系称为光电特性。光电管的光电特性基本上呈线性关

4、系，直线的斜率为其灵敏度 饱和电流强度与光强成正比当入射光频率一定时,光电流I和两极间电压U的关系如图所示。当加速电压增加到一定值时,光电流达到一饱和值Is 。实验还表明: 饱和电流值Is和光强成正比。-UaUIo光强较大光强较小Is-IAU电源KA伏安特性 真空光电管一般工作于伏安特性的饱和部分，内阻达几百兆欧。 光电管在光通量一定的情况下，阳极电压与阳极电流的关系称为伏安特性。在阳极电压大于50V时，光电流开始饱和，阳极电流近于常数，而与电压无关。3 光敏电阻 光敏电阻在光线的作用下阻值往往变小。在黑暗环境里，它的电阻值很高。 在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适

5、当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。4 光电池 讲述3个问题概述光电池的结构和工作原理 基本特性概述当光照射P区表面时，若光子能量加大于硅的禁带宽度，则在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子-空穴对，P区表面吸收的光子最多，激发的电子空穴最多，越向内部越少。这种浓度差便形成从表面向体内扩散的自然趋势。 光电池的结构和工作原理 光电池的结构和工作原理它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在

6、N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。有关电荷正离子负离子正负离子都是不能移动的电荷自由电子空穴自由电子、空穴都是能自由移动的电荷讲解当PN结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。结区内的电子-空穴对在空间电荷区电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区而形成光电流。讲解同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。讲解当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变

7、化。在入射光强度的很大动态范围内这种变化能保持较好的线性关系动画演示光电池的表示符号、基本电路及等效电路IUIdUIRLI(a)(b)(c)图 光电池符号和基本工作电路 基本特性（a）光照特性开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。 下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。02468100.10.20.30.

8、40.5I/mAL/klx50 10010005000RL=0(b) 光谱特性光谱特性决定于材料硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用(c) 频率特性频率响应是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。硅光电池具有较高的频率响应硒光电池则较差（d）温度特性温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备

9、的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。5 光敏晶体管光敏晶体管是受光照射时载流子增加的半导体光电器件,它与普通的晶体管一样,也具有PN结.通常,有一个PN结的叫做光敏二极管,有两个PN结的叫做光敏晶体管光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上。电路中通常处于反向偏置状态。 光敏二极管PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中的少数载流子(空穴)都很少，因此反向电流很小。但是当光照PN结

10、时，只要光子能量h大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加，它们在外加反向电压和PN结内电场作用下定向运动，分别在两个方向上渡越PN结，使反向电流明显增大。如果入射光的照度变化，光生电子空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。光敏三极管光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。发光二极管的工作原理 发光二极管是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干

11、光。 P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP- GaAs光输出第9节霍尔传感器1.霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势VH。灵敏度常数把半导体单晶薄片置于磁场B中，如果在它的两个纵向面上通以一定大小的电流则在晶体的两个横向端面之间出现霍尔电势VH2 霍耳传感器的运用 测量转速:霍耳元件通以恒定电流，齿轮的转动使元件上的磁通量发生变化时，在霍耳元件上便输出反映了转速高低的脉冲信号。 霍耳元件无触电电子点火 位移传感器将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下 位移传感器从 a端通入电流I，根据霍尔效应，左半部产生

12、霍尔电势VH1，右半部产生霍尔电势VH2，其方向相反。左右两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。因此,当元件沿x方向移动时,其霍尔电势的变化与位移量成线性关系.当元件的控制电流I恒定时,在一定范围内,沿X方向的磁感应强度的变化梯度d为一常数一、电桥电路二、放大器三、滤波器第11节 传感器信号处理电路一、电桥电路有关电压为得当各桥臂电阻满足 电桥的输出电压U为0,电桥处于平衡状态,称为平衡电桥.如果R1=R2=R3=R4,电桥被称为全等臂电桥.全等臂电桥自然是平衡电桥. 下面以全等臂

13、电桥为例说明电桥的基本特性.设全等臂电桥的4个桥臂都由应变片组成,且工作时各桥臂的电阻都将发生变化.当供桥电压一定时,对下式U全微分，可求得电桥的输出电压增量为:其中:在电桥处于平衡状态U=0附近当各桥臂应变片的灵敏度系数k相同时,上式可以表示为:根据应变片数量的不同,电桥有以下3种方式:1 单臂工作 电桥只有一个为工作臂(例如R1),其余各臂为固定电阻R,此时的输出电压为2 半桥工作 电桥的两个桥臂为工作臂,其余两个桥臂为固定电阻.如果R1和R2为工作臂,设工作时两个工作臂分别有电阻增量 R1和 R2,可得输出电压为可见提高了测量的灵敏度3 全桥工作电桥的4个桥臂全部为工作臂,此时的输出电压为进一步提高了测量的灵敏度二、放大器传感器的输出信号都比较微弱，很难直接进行采样，所以必须进行放大。对放大器电路的基本要求是：线性好，增益高，转换速率快，抗干扰能力强。理想运算放大器差模开环电压放大倍数AA一般在104107之间。理想运