光电式传感器新

光电式传感器新1第一页，共一百一十页，2022年，8月28日传感器原理第7章光电式传感器第一节发光器件一、玻尔的原子理论二

、发光器件

1、钨丝白炽灯2、气体放电灯3、发光二极管

4、激光器光电式2第二页，共一百一十页，2022年，8月28日光电式第二节光敏元件一、光电效应二、光电型光电器件三、光电导型光电传感器四、光伏特型光电传感器五、CCD光电器件第三节光电传感器的应用1

一、模拟式光电传感器二、开关式光电传感器

传感器原理3第三页，共一百一十页，2022年，8月28日第7章光电式传感器它可用于检测直接引起光量变化的非电量如：光强光照度辐射测温等也可用来检测能转换成光量变化的非电量如：直径表面粗糙度应变位移（距离）振动速度加速度气体成分分析以及物体的形状、工作状态的识别等光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。4第四页，共一百一十页，2022年，8月28日光电传感器特点非接触响应快性能可靠等，在各行各业中得到广泛应用x1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式x2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式光电式传感器的组成光源光通路光电元件信号处理电路光量光量电量电量输出x1x2光电式传感器的组成5第五页，共一百一十页，2022年，8月28日光的波长：10-9~10-3（米m）红外108106104102110-210-410-610-810-1010-1210-141km1m1cm1μm1nm1A°700600500400800λ/nm0.40.50.60.70.8λ/μm波长（nm）可见光电力传输广播短波电视调频雷达紫外γ射线宇宙射线赫兹波软硬Χ-射线图7-1

电磁波谱图真空中可见光的波长范围：390~760（nm）波长6第六页，共一百一十页，2022年，8月28日在光电效应中，光表现出它的粒子性。具有能量、动量和质量。

式中：h

普朗克常数h=6.626×10-34（J.S焦耳.秒）ν

光的频率（Hz赫）

λ光的波长（m米）C光速（m/s米/秒）光子能量与光的频率成正比，不同频率的光子具有不同的能量，光子的频率越高，其能量就越大。●光子的动量（与波长λ成反比）为：●每一光子的能量为：●光子的质量为：7第七页，共一百一十页，2022年，8月28日一、玻尔的原子理论二、发光器件1、钨丝白炽灯2、气体放电灯3、发光二极管4、激光器第一节发光器件8第八页，共一百一十页，2022年，8月28日发光器件本身并非敏感元件和传感器，但常与光敏元件配合构成各种利用光检测、传感的装置，在自动化领域有广泛用途。第一节发光器件（光源）玻尔原子理论原子的自发发射原子的受激发射粒子数反转谐振腔激光器发光器件等本节主要介绍物质发光的原理及发光器件——9第九页，共一百一十页，2022年，8月28日一、玻尔的原子理论1913年玻尔以原子的有核模型为基础，结合原子光谱的规律，对原子结构提出了三个基本假设，使光谱现象获得了初步解释。玻尔假设：（1）在电子绕核运动所有轨道中，只有在电子的角动量Lφ等于量h/(2π)的整数倍的那些轨道上（称为量子轨道），运动才是相对稳定的（在n=1的量子轨道上运动是最稳定的），即式中：

h普朗克常数

n量子数，为正整数1、2、3、…n=3n=1n=2氢原子中电子的量化轨道＋玻尔的原子理论10第十页，共一百一十页，2022年，8月28日（3）只有原子从一个具有较大能量En的稳定运动状态跃迁到另一个较低能量Ek的稳定运动状态时，原子才以光的形式发射出单色辐射，其频率是（频率条件式）（2）电子在上述假设所许可的任一轨道上运动时，虽有加速度，但原子具有一定的能量En而不会发生辐射，所以处于相对稳定的运动状态（定态）。玻尔的原子理论n=3n=1n=2氢原子中电子的量化轨道＋11第十一页，共一百一十页，2022年，8月28日玻尔的第一、第二基本假设说明了●电子绕核运动的轨道不是任意的，而是有选择的。电子只能在符合量子条件的那些轨道（称为量子轨道n倍h/(2π)，n称为量子数）上运动，并且处于相对稳定的运动状态，即具有一定的能量，而不辐射出能量。●由于原子内的电子只能在一些稳定的量子轨道上运动，因此原子所具有的能量En是不连续的，即为E1、E2、E3、…特定的数值，而不具有介于E1和E2

或E2和Ea

等之间的数值。或者说，原子的能量是量子化的。由于原子能量数值的高低，象一级一级的阶梯一样，形成分立的序列，通常把这种按照突变形式的能量数值称为原子的能级。■物质发光机理物质发光机理n=3n=1n=2氢原子中电子的量化轨道＋12第十二页，共一百一十页，2022年，8月28日（如图所示）即原子也可以改变它所处的能级，当原子从一个能级跃迁到较低的能级时，就发射出光子；所减少的能量（En-Ek）被转变为光子的能量hv由光子能量的减少可算出发射的单色辐射的频率式中：h为普朗克常数h=6.626×10-34（J.S焦耳.秒），v为光的频率（Hz赫）玻尔第三个基本假设解释了原子辐射的现象反之，当原子吸收光子时，也可以从较低能级跃迁到较高能级。物质发光机理＋－hν从低能级跃迁到高能级原子吸收光子能量－＋－－hν从高能级跃迁到低能级能级跃迁原子发射光子13第十三页，共一百一十页，2022年，8月28日根据玻尔理论，氢原子光谱的产生可解释如下：电子在第一轨道（量子数n=1）时，能量最小，此时原子最为稳定，原子的这种状态称为正常状态或基态。当原子受到辐射或高能粒子的碰撞等外界因素激发时，它就吸收一定的能量而跃迁到某一个能级较高的受激状态，它的电子就跃迁到量子数较大的轨道上运动。量子数n越大，电子距核越远，原子的能量En越大。量子数n>1的各个状态，其能量大于正常状态，称为受激状态或激发态。基态：受激状态：受激状态的形成：＋－hν原子吸收光子能量从低能级跃迁到高能级－物质发光机理n=3n=1n=2氢原子中电子的量化轨道＋14第十四页，共一百一十页，2022年，8月28日根据玻尔理论，氢原子光谱的产生可解释如下：处于受激状态的原子是不稳定的，能够自发地跃迁到能级较低的受激状态或基态，由玻尔第三假设，当原子从量子数为n的初态跃迁到量子数为k的末状态时（n>k），原子就发射出单色光。受激状态→基态：＋－－hν原子能级跃迁时发射光子物质发光机理15第十五页，共一百一十页，2022年，8月28日二、发光器件1、钨丝白炽灯2、气体放电灯3、发光二极管4、激光器16第十六页，共一百一十页，2022年，8月28日二、发光器件1、钨丝白炽灯用钨丝通电加热作为光辐射源是最普通的光源一般白炽灯的辐射光谱是连续的可见光还辐射出大量红外线和紫外线一般普通钨丝白炽灯相当于温度为2700-2900K的黑体辐射，这一范围在近红外区。由于它的光谱是连续的，在可见光及紫外光波段也有相当强的辐射，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。普通白炽灯还有溴钨灯、碘钨灯。17第十七页，共一百一十页，2022年，8月28日2、气体放电灯气体放电灯是利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长。目前荧光剂的选择范围很广，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如，照明日光灯。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。18第十八页，共一百一十页，2022年，8月28日日光灯亦称“荧光灯”。一种利用光致发光的照明用灯。灯管用圆柱形玻璃管制成，实际上是一种低气压放电管。两端装有电极，内壁涂有钨酸镁、硅酸锌等荧光物质。制造时抽去空气，充入少量水银和氩气。通电后，管内因水银气体被电离放电而产生紫外光（线），紫外光激发荧光物质，使它发出可见光，不同发光物质产生不同颜色，常见的近似日光（荧光物质为卤磷酸钙）。荧光灯光线柔和，发光效率比白炽电灯高，其温度约在40～50℃，电功率仅为同样明亮程度的白炽灯之1/3～1/5。广泛用于日常生活和工厂的照明光源。不讲19第十九页，共一百一十页，2022年，8月28日3、发光二极管LED（LightEmittingDiode）半导体PN结的形成当半导体P型硅和N型硅相互结合时，在结合面上P区的空穴浓度高，N区没有空穴，由于扩散P区的空穴移到N区，N区的电子浓度高，P区没有电子，由于扩散N区的电子移到P区，这样在PN结处形成势垒电荷区电子由N区注入到P区及空穴由P区注入到N区，称为少数载流子注入。在PN结处形成的势垒电荷区，抑制了空穴和电子的继续扩散。从而在PN结处形成一个稳定的内电场。构成P-N结时载流子扩散作用与内电场作用的平衡N区P区＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－＋＋－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋势垒电荷区内电场方向发光二极管是一种电致发光的半导体器件。20第二十页，共一百一十页，2022年，8月28日当PN结上加有正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子与多数载流子复合而发光，如图7-2所示。即电子和空穴复合释放出能量并以发光的形式表现出来。势垒电荷区内电场方向N区－P区－－＋＋＋变窄外电场RI加正向电压势垒变窄图7-221第二十一页，共一百一十页，2022年，8月28日势垒电荷区内电场方向N区－P区－－＋＋＋变窄外电场RI加正向电压势垒变窄在外电场的作用下，电子或空穴如果能越过势垒，从N区注入到P区的电子和P区里的空穴复合，从P区注入到N区的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时电子或空穴（越过势垒）所具有的能量（该能量大于光子的能量），伴随着以光子形式释放出来，因而有发光的现象。由于复合是在扩散区内发光，所以光仅在靠近PN结面数um以内产生。22第二十二页，共一百一十页，2022年，8月28日电子和空穴复合，所释放的能量Eg

也就是PN结的（势垒）禁带宽度（能量间隔）（电子和空穴越过势垒所具有的能量）。发光二极管禁带宽度光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即：λ=1240/Eg（mm）若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料禁带宽度Eg应在3.26～1.63eV之间。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管。23第二十三页，共一百一十页，2022年，8月28日光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图7-3所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。图7-324第二十四页，共一百一十页，2022年，8月28日材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400-630SiC480ZnxCd1-xTe590-830GaP565,680GaAs1-xPx550-900GaAs900InPxAs1-x910-3150InP920InxGa1-xAs850-1350制作发光二极管的材料普通二极管是用锗和硅制造的。这两种材料的禁带宽度Eg分别为锗0.67eV硅1.12eV这两种材料不能直接使用。通常用砷化镓GaAs和磷化镓GaP两种材料的固溶体，将该固溶体写作GaAs1-xPx，下标x

代表砷化镓的比例，当x>0.35时，便可得到Eg≥1.8eV的材料。25第二十五页，共一百一十页，2022年，8月28日4、激光器激光器是一种能发射激光光束的强光源。

激光的产生

激光器的组成激光器的分类26第二十六页，共一百一十页，2022年，8月28日1、原子的自发发射和受激发射（1）自发发射当原子吸收外界能量而被激发到高能级时是不稳定的，会自发地跃迁到低能级而发光，这一过程称为自发发射。自发发射所发出的光子频率为：上述所讲的是一个原子发光的情况，光源发光是大量原子运动的行为。常见的白炽灯、日光灯等均是自发发射的光源。常见光源中各发光原子是相互独立地、互不关联地、个体化地向四面八方发光，它们开始发光的时间也参差不一，光的频率和周期也没有一定的关系，所以各原子的发光不是相干光。E2E1吸收自发发射hνhν激光的产生27第二十七页，共一百一十页，2022年，8月28日（2）受激发射处于高能级的原子在外界作用影响下发射光子而跃迁到低能级上去，这种发光过程称为受激发射。亚稳能级在物质中某些原子能级具有这样的特征，即能级E2不如能级E1稳定，但比Ea稳定，故称E2为亚稳能级。当原子处于亚稳能级E2时，需要在能量为hν=E2–E1的外界射入光子的激发下（此时外界入射光子并不将能量传递给所激发的原子），发生受激发射，跃迁到能级E1上去，并发射出一个能量为hν=E2–E1的光子。在受激发射过程中，发射光子●在能量（或频率）上和外界的入射光子相同，●在周相上和发射方向上和外界的入射光子完全一样。这样在受激发射过程中，一个入射光子激发了一个光子，得到了两个特征完全相同的光子。hνhνhνE2E1原子受激发射Ea28第二十八页，共一百一十页，2022年，8月28日如果这两个光子再激发物质中其它处于（亚稳）能级E2的原子发生受激发射，这些原子所发射的光子在周相、发射方向、振动方向和频率上也和最初引起受激发射的入射光子相同，即产生了四个相同的光子。于是在一个入射光子影响下，会获得大量特征完全相同的光子。这个过程叫光放大。在受激发射时，原子的发光过程是相互联系的，这种受激发射光的放大，就形成所谓激光。光放大激光hνhνhνE2E1原子受激发射Ea光的放大…E2亚稳能级的原子29第二十九页，共一百一十页，2022年，8月28日2、粒子数反转●一方面，可能引起受激发射，形成光放大的过程；●一方面，也可能被处于能级E1（基态）上的原子所吸收（此时外界入射光子将能量传递给能级为E1的原子），而跃迁到能级E2（激发态）上去；从而使物质中能量为hv=E2-E1传播的光子数量因被吸收而减少，这一过程叫做光吸收。受激发射和光放大是产生激光的基础当能量为：hv=E2-E1的光子在物质中传播时，通常有两种过程：光的吸收hνE2E1Ea光的吸收30第三十页，共一百一十页，2022年，8月28日光放大和光吸收这两种过程在物质中是同时发生的光放大会使能量为hv

的光子数增加光吸收会使能量为hv

的光子数减少能量为hv的光子通过工作物质时，究竟是光吸收还是光放大占优势，取决于处于能级E2和处于能级E1的原子数若处于能级E2的原子数多，则光放大占优势若处于能级E1的原子数多，则光吸收占优势通常，在具有一定温度的物质中，处在高能级E2的原子数目恒少于处在低能级E1的原子数目。在这种情况下，光吸收占优势。为了实现光放大，设法通过外界能量（通过气体放电或光照射等）的激发，将工作物质中低能级上的原子激发到高能级上去，使某个高能级上的原子数比处于低能级的原子多，这种状态叫做粒子数反转。粒子数反转是实现光放大的必要条件。粒子数反转hvhvhvE2E1Ea31第三十一页，共一百一十页，2022年，8月28日现在以具有三个能级E1、E2、Ea（E1<E2<Ea）的原子系统为例，来说明粒子数反转。若原子内这三个能级之间的跃迁均能进行用频率为va1=(Ea-E1)/h的光子来激发工作物质中的原子，则一部分原子就要从E1激发到Ea当外界供给足够的激发能量时，就会使能级Ea上的原子数目大量增加设Ea的自发跃迁的几率比E2（亚稳能级）大，这时，处于E1上的原子被大量激发到能级Ea后，会跃迁到亚稳能级E2，于是大量原子被暂留在能级E2上，形成了E1与E2之间的粒子数反转。使原子具有亚稳态能级是形成粒子数反转的必要条件。EaE2E1亚稳态粒子数反转32第三十二页，共一百一十页，2022年，8月28日3、谐振腔谐振腔是一种激光器，用它可以实现粒子数反转。它由分别装于其两端的一块全反射镜与一块部分反射镜所构成。●A图表示在常温下，谐振腔工作物质中，绝大部分原子处于低能级（以灰点表示）少数原子处于高能级（以白圆圈表示）。●B图表示在外界激发下，工作物质中大部分原子处于亚稳态，形成粒子数反转。●●○●○●●●●●○●●●○●全反射部分反射A图●○○●○○●○○●○○●●○●全反射部分反射B图33第三十三页，共一百一十页，2022年，8月28日●○○●○○●○○●○○●●○●全反射部分反射D图●○○●○○●○○●○○●●○●全反射部分反射E图●D图表示被光放大的光子流遇到谐振腔的反射镜后，被反射回去，又得到放大。●E图表示光在谐振腔内来回反射。若光在来回反射的过程中，光放大的作用克服了各种衰减作用（如：腔内部分反射镜的透射、工作物质对光的散射和吸收等），就形成了稳定的光振荡。谐振腔左端的反射镜面，其反射率要求接近100%，右端的稍低些（如：98%），从这个镜面上可透射出一部分光，这部分透射光是谐振腔输出的激光。●○○●○○●○○●○○●●○●全反射部分反射C图●C图表示一部分处于高能级的粒子向各个方向发射受激发射所产生的一些光子，杂乱地沿任意方向传播。凡是不沿谐振腔轴向的光子很快跑出腔外，而沿轴向转播的光子，则可在腔内传播，并且在传播过程中，与腔内处于亚稳态的受激原子碰撞，而产生受激发射，不断得到光放大。34第三十四页，共一百一十页，2022年，8月28日从上述激光产生的过程来看，激光器由三个部分组成：激光工作物质、激励系统和光学谐振腔。（1）激光工作物质（即产生激光的物质）

激光器的组成工作物质是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系。它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。激光器可携式激光器35第三十五页，共一百一十页，2022年，8月28日根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，常见的有以下四种。①光学激励(光泵)。②气体放电激励。③化学激励。④核能激励。（2）激励系统激励(泵浦)系统：是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。是利用外界光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成。是利用在气体工作物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。36第三十六页，共一百一十页，2022年，8月28日（3）光学谐振腔其作用为：①提供光学反馈能力，使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。光学共振腔：通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。37第三十七页，共一百一十页，2022年，8月28日激光器的分类按所采用的工作物质可分为气体激光器（如：氦氖激光器、二氧化碳激光器）固体激光器（如：红宝石激光器、钕玻璃激光器）液体激光器（如：无机液体激光器）半导体激光器（如：砷化镓二极管激光器）等38第三十八页，共一百一十页，2022年，8月28日它们所采用的工作物质是气体气体激光器氦氖激光器（长度10cm的气体放电管）其输出功率为毫瓦级波长为：632.8nm,光功率约为：0.5mW。二氧化碳激光器输出功率很大，波长为：10600nm，处于远红外区。氮分子脉冲激光器可发出峰值功率高而宽度很窄的脉冲光，波长为：337nm，处于紫外光。气体激光器的共同特点是：激光的单色性好，光束稳定，光的质量好，但结构复杂，工业检测中应用较少。最常用的气体激光器是气体激光器39第三十九页，共一百一十页，2022年，8月28日固体激光器如：红宝石激光器波长为：694.3nm、692.9nm红宝石激光器诞生于1960年，是人类发明的第一种激光器。曾成功用于地球到月球的距离测量。测量是靠登月的阿波罗留下一部分材料作为的反射镜实现的固体激光器是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中构成发光中心而制成的。掺钕的钇铝石榴石激光器波长为：1064nm石榴石红宝石40第四十页，共一百一十页，2022年，8月28日掺钕钇铝石榴石的激光测距机是现代主战坦克的关键装备上图为稀土金属钕41第四十一页，共一百一十页，2022年，8月28日半导体激光器半导体激光器发光原理是在半导体内自发发射光子和受激发发射光子，使光在激发的工作物质中放大或发射而发光的。根据激发方法不同，半导体激光器可分为三种：p-n结注入式电子束激发式光激发式特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单。适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。半导体激光器42第四十二页，共一百一十页，2022年，8月28日激光器名称介质光频数波长ÅHe-Cd气体紫外光3250N2气体紫外光3371Kr气体紫外光3507,3564Ar气体紫外光3511,3638He-Cd气体可见光4416,5378Ar气体可见光4579,5145Kr气体可见光4619,6764Xe气体可见光4603,6271Ar-Kr气体可见光4675,6764He-Ne气体可见光6328红宝石Cr3+固体可见光6943Kr气体红外光7530,7990Ca、Al、As固体(半导体)红外光8500Ca、As固体(半导体)红外光9040Nd固体红外光10600Nd/YAG(掺钕的钇铝石榴石)固体红外光10600He-Ne气体红外光11500,33900CO2气体红外光10600H2O气体红外光11800HCN气体红外光33700常用激光器波长表

43第四十三页，共一百一十页，2022年，8月28日一、光电效应二、光电型光电器件三、光电导型光电传感器四、光伏特型光电传感器五、CCD光电器件第二节光敏元件44第四十四页，共一百一十页，2022年，8月28日一、光电效应1、光电效应2、产生光电效应的条件(1)光电效应的条件(2)红限频率(3)光电子初动能与光子的频率成正比(4)光电子产生的时间常数45第四十五页，共一百一十页，2022年，8月28日一、光电效应1、光电效应光照射在某些物体上，使物体内部的原子释放出电子的现象，称为光电效应。光电效应一般分为外光电效应内光电效应两大类；根据这些效应可制成不同的光电传感器（光敏元件）如：光电管光电倍增管光导管（光敏电阻）光电池光敏二极管光敏三极管等内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应两类。46第四十六页，共一百一十页，2022年，8月28日这些能量一部分用作电子（逃脱原子核的束缚）逸出物体表面的逸出功A一部分变成电子的初动能(1/2)mυ2按照能量守恒定律有：爱因斯坦光电效应方程：当频率为v的光照射在物体（金属）上时，光子与其内部的（原子）电子之间相互作用，一个光子的能量只能给一个电子，因此一个单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电子，使自由电子能量增加hv。光电效应是光照射在物体上一连串具有能量hv的光子轰击这些物体中的电子所造成的。由光电效应在物体表面产生的自由电子称为光电子。式中：v

入射光的频率h普朗克常数υ电子逸出物体表面时的初速度

m电子的质量

A电子逸出物体表面的逸出功■光电效应的机理47第四十七页，共一百一十页，2022年，8月28日2、产生光电效应的条件当光子能量大于电子逸出功时，发射出光电子，产生光电效应。当光子能量小于电子逸出功时，不发射出光电子，不能产生光电效应。当光子能量等于电子逸出功时，光电子的初速度υ=0，此时光子的能量

hv=A，光子相应的单色光频率为v0，该频率为红限频率式中：v0

为该物质产生光电效应的最低频率，称为红限频率。（1）光电效应的条件（2）红限频率hv0=A48第四十八页，共一百一十页，2022年，8月28日当光子能量等于电子逸出功时，光电子的初速度υ=0此时光子的能量

hv=A光子相应的单色光频率为v0显然，如果入射光的频率低于红限频率v0，不论光强有多大，也不会使物质发射光电子。入射光的强度不是产生光电效应的必要条件红限频率v0反之，入射光的频率高于红限频率v0，光强度再弱，该物体也能发射光电子，只是发射的光电子数较少，随着光强的增加，光电子的数目增加，光电流增大。入射光的频率高于红限频率v0，是产生光电效应的必要条件。49第四十九页，共一百一十页，2022年，8月28日光电子的初动能决定于光的频率。从式中可以看出，对于一定的物质，电子逸出功是一定的，所以光子的能量hv越大，则电子的初动能越大，电子的初动能与频率成正比。根据一个光子的能量只能给一个电子，电子吸收光子的能量不需要累积能量的时间，在光照射物质后，立刻有光电子发射，据测该时间不超过10-9秒。（3）光电子初动能与光子的频率成正比（4）光电子产生的时间常数50第五十页，共一百一十页，2022年，8月28日二、光电型光电器件1、外光电效应2、光电管3、光电倍增管(1)光电倍增管的结构(2)光电倍增管的工作原理51第五十一页，共一百一十页，2022年，8月28日二、光电型光电器件1、外光电效应物体在受到光的照射时，其内部的原子吸收光子（能量）后，绕核运动的电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子，并从物体表面逸出的现象，称为外光电效应。逸出的电子称为光电子。根据外光电效应制成的光敏元件典型的有：真空光电管光电倍增管等52第五十二页，共一百一十页，2022年，8月28日2、光电管光电管是由一个阴极K和一个阳极A封装在一个真空玻璃管内构成。阴极K和电源负极相联，阳极A与电源正极相联，因此在光电管内形成电场。当光照射阴极时，电子从阴极逸出，在电场作用下，逸出的电子被阳极收集，如果接有外部电路就会形成电流I，该电流随光照射强弱而变化。实现光电转换。光阳极A阴极K金属底层为阴极光电管光阳极A阴极K光透明阴极光电管KAIRE光电管连接电路光53第五十三页，共一百一十页，2022年，8月28日3、光电倍增管（1）光电倍增管的结构当入射光很弱时，光电管产生电流很小（零点几微安），不易检测。这时可用光电倍增管对光电流放大，以提高光电管的灵敏度。在光电管的阴极和阳极之间安装若干个光电倍增电极。光电倍增电极涂有Sd-Ga（锑-镓）或Ag-Mg（银-镁）等合金材料，在电子加速轰击下，可发射出更多的电子。其结构形式很多，下图为两种常见结构。光电倍增管的结构原理图光阴极K倍增极D1D2D3D4阳极A

管泡式结构阴极K阳极A光倍增极D

圆形鼠笼式结构54第五十四页，共一百一十页，2022年，8月28日光电倍增管的工作原理是建立在光电发射（光电效应）和二次发射（具有能量的粒子在运动中相互碰撞）的基础上。工作时倍增极电位是逐级增高。（2）光电倍增管的工作原理●当入射光照射光电阴极K时，立刻有光电子逸出（此过程为光电效应）●逸出的电子受到第一倍增级D1正电位（倍增级D1与阴极K之间电场）作用，使之加速打到D1倍增极上，产生二次电子发射由于光电倍增电极涂有Sd-Ga（锑-镓）或Ag-Mg（银-镁）等金属材料，在电子加速轰击下，可发射出更多的电子（此过程不是光电效应，为具有能量的粒子在运动中相互碰撞的结果）光阴极K倍增极D1D2D3D4阳极A

管泡式结构55第五十五页，共一百一十页，2022年，8月28日光电倍增管的电流增益可达106相邻电极之间的电压为：200~400V电极一般为10个，光电倍增管的阴极和阳极之间的总电压可达几千伏光谱为：0.2~1.0μm●同理D1发射的电子在D2更高电位作用下，再次被加速打到D2极上，D2又会产生二次发射，这样逐级进行，直到电子被阳极A收集为止。光阴极K倍增极D1D2D3D4阳极A

管泡式结构56第五十六页，共一百一十页，2022年，8月28日假设每个电子落到任一倍增极上都打出σ个电子则阳极电流

I为：式中：i0

光电管阴极发出的光电流n光电倍增极数光电倍增管的电流放大系数β为：光电倍增管的电流放大系数光阴极K倍增极D1D2D3D4阳极A

管泡式结构57第五十七页，共一百一十页，2022年，8月28日三、光电导型光电传感器1、光电导效应2、光电导元件—光敏电阻

(1)光敏电阻的工作原理(2)光敏电阻的结构(3)光敏电阻的材料及光谱特性(4)光敏电阻的主要参数和基本特性58第五十八页，共一百一十页，2022年，8月28日三、光电导型光电传感器1、光电导效应物体受到光的照射时，其内部的电子吸收光子的能量后，挣脱原子的束缚而成为自由电子；但这些电子并不逸出物体表面，而仍留在物体的内部，使物体电阻率发生变化的现象称为光电导效应。基于光电导效应的光电器件主要是光敏电阻。其特性为：在光的照射下其电阻率变小，阻值随光照度的增加而减小，将光信号转换成电信号；光照停止后，自由电子被失去电子的原子核俘获，材料的电阻又恢复原值。59第五十九页，共一百一十页，2022年，8月28日2、光电导元件—光敏电阻

（1）光敏电阻的工作原理光敏电阻是一种用光导材料制成的没有极性的光电元件，也称为光导管。光敏电阻接在电路中能把光信号转换为电信号（电阻、电压、电流）。光敏电阻工作原理如下图所示。当受到一定波长的光照射时电阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增加。当无光照射时光敏电阻的阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。IR光敏电阻光电极电极光敏电阻的工作原理60第六十页，共一百一十页，2022年，8月28日为了提高光敏电阻的灵敏度，其电极一般采用梳状结构；它是在一定的掩膜下向光电导薄膜材料上蒸镀金或铟金属形成的；这种结构有效地增大了感光面积，充分利用电极与光导材料接触的有效面积，提高了光敏电阻的灵敏度。（2）光敏电阻的结构一般光导材料怕潮湿，因此用带有透光窗的金属壳密封起来。为了提高散热，有的还在内部充有氢气。光敏电阻的结构很简单。如下图所示。电极电极光导体光敏电阻的电极结构光敏电阻外形61第六十一页，共一百一十页，2022年，8月28日用不同的材料制成的光敏电阻适用于光的不同波长范围●硫化镉、硒化镉光敏电阻其光谱响应在可见光和X射线。●硫化铅、硒化铅光敏电阻，其光谱响应在近红外区。在室温下，硫化铅的光谱响应处于1～3μm间；硒化铅则在1～4.5μm之间。●掺金锗构成的光敏电阻，其光谱响应为1～9μm，在远红外区。●掺汞锗构成的光敏电阻，其光谱响应为4～14μm，在远红外区。（3）光敏电阻的材料及光谱特性制造光敏电阻常用材料有：硫化物硒化物锑化物硫化镉、硫化铅、硫化铊硒化镉、硒化铅锑化铅62第六十二页，共一百一十页，2022年，8月28日（4）光敏电阻的主要参数和基本特性◎暗电阻、暗电流光敏电阻在室温、无光照射的全暗条件下，经过一定的稳定时间后，测得的电阻值称为暗电阻。此时的电流称为暗电流。◎亮电阻、亮电流光敏电阻在某一光照射下的阻值，称为该光照射下的亮电阻。此时流过的电流，称为亮电流。◎光电流亮电流与暗电流之差，称为光电流。光敏电阻的暗电阻越大、亮电阻越小，则性能越好（或暗电流越小、亮电流越大光敏电阻的灵敏度越高）。一般情况下，光敏电阻的暗电阻为1～100MΩ；亮电阻为1kΩ以下。63第六十三页，共一百一十页，2022年，8月28日◎光照特性光电器件的灵敏度可用光照特性来表征。它反映光电器件（在一定的光谱下，即入射光波长一定）输入光量与输出电流（光电压）之间的关系。00.20.40.60.81.00.250.200.150.100.05------|||||||||||光通量（lm）光电流I(mA)光电器件的光照特性64第六十四页，共一百一十页，2022年，8月28日◎光谱特性光电器件的光谱特性是指输入光量不变的情况下，相对灵敏度与入射光波长λ之间的关系。硅器件灵敏度的极大值出现0.8~0.9μm处短波限为：0.4μm长波限为：1.1μm锗器件灵敏度的极大值出现在1.4~1.5μm处短波限为：0.5μm长波限为：1.8μm光电器件光谱特性与光敏电阻材料有关。光敏电阻的光谱分布，不仅与材料的性质有关，还与制造工艺—掺杂杂质及其浓度有关。00.40.81.21.62.010080604020------入射光波长λ（μm）相对灵敏度

光电器件的光谱特性%锗硅65第六十五页，共一百一十页，2022年，8月28日◎温度特性温度变化不仅影响光电器件的灵敏度，同时也对光谱特性有很大的影响。图为硫化铅（PbS）的光谱温度特性。由图可见光谱（曲线）响应峰值随温度升高而向短波方向移动。采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波的响应。01.02.03.04.010080604020------||||||||||||入射光波长（μm）相对灵敏度

硫化铅光敏电阻的光谱温度特性I%+20℃-20℃66第六十六页，共一百一十页，2022年，8月28日四、光伏特型光电传感器1、光伏特效应2、光电池3、光敏二极管4、光敏三极管67第六十七页，共一百一十页，2022年，8月28日四、光伏特型光电传感器1、光伏特效应光伏特型光电传感器是利用光伏特效应实现光电转换。光伏特型的器件有：光电池（太阳能电池）光敏二极管光敏三极管等在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。68第六十八页，共一百一十页，2022年，8月28日当光线照射P型、N型半导体表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，半导体原子中的电子吸收光子能量后，被激发出来成为自由电子，同时也产生空穴；在内电场的作用下，在P区中被激发出来的电子通过PN结越迁到N区，N区带负电；在N区中被激发出来的空穴通过PN结越迁到P区，P区带正电；于是在P区和N区之间产生电压。PN结空间电荷区N型硅＋－P型硅－－－＋＋＋－－＋＋光+++---PN光生伏特效应+光++---光生伏特效应69第六十九页，共一百一十页，2022年，8月28日当外部接通电路时（如图所示），在该电压的作用下，电流方向由P区流经外电路至N区，即有电流流过外部电路，并产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能转换成电能的过程。若将外电路断开，可测得光生电动势。IRPN结空间电荷区N型硅＋－P型硅－－－＋＋＋－－＋＋光+++---+++---光电池光RI光电池外接电路70第七十页，共一百一十页，2022年，8月28日2、光电池（1）硒光电池硒光电池是在铝（电极正）上喷涂硒（P），在硒上溅射一层半透明的氧化镉（N）薄膜，再在其上面喷涂一层金属环作为电极（负）。在光的照射下不需其它外部激励就能产生电动势的半导体器件，称为光电池。常用的光电池有硒光电池和硅光电池。对可见光和近红外光敏感。硒(P)

氧化镉(N)

金属环(负极)金属极板(正极)光硒光电池结构PN结结构在此结构中，硒为P型半导体材料；氧化镉是N型半导体材料；在无光照射时，氧化镉和硒接触面之间（PN结）形成空间电荷区。71第七十一页，共一百一十页，2022年，8月28日硒中的电子受激发跃迁PN结到氧化镉成为自由电子；氧化镉中的空穴受激发跃迁PN结成为自由空穴；这些电子—空穴对，空穴移向P区，P区带正电；电子移向N区，N区带负电；于是在硒光电池中产生电压。硒光电池的光谱峰值在570nm处。硒(P)

氧化镉(N)

金属环(负极)金属极板(正极)光硒光电池结构PN结工作原理：当入射光照到氧化镉（N）和硒（P）上时，吸收光子的能量激发出电子和空穴，在内电场的作用下，72第七十二页，共一百一十页，2022年，8月28日（2）硅光电池硅光电池用N型硅作为基体，将硼掺入上层表面，形成P型硅的透光层；也有用P型硅作为基体，将磷掺入表面，形成N型硅；其工作原理与前述相同。N型硅基体的硅光电池的光谱峰值为800nm（稍向蓝光，在红外区）P型硅基体的硅光电池的光谱峰值为900nm硅光电池常用于太阳能转换。光电池可根据需要制成方形、矩形、圆形、三角形、环形，还可是对称、四象限、双环及多环形等形式。为了满足电源电压、容量的要求，可把单个电池串联或并联连接，组成光电池组。光P型硅N型硅PN结金属镀层电极(正)硅光电池结构金属镀层电极(负)73第七十三页，共一百一十页，2022年，8月28日3、光敏二极管光敏二极管符号如图。PN光光敏二极管符号光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。RL

光PN光敏二极管接线

74第七十四页，共一百一十页，2022年，8月28日光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流。当光不照射时，光敏二极管处于截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。75第七十五页，共一百一十页，2022年，8月28日4、光敏三极管光敏三极管与光敏二极管类似，不过光敏三极管有两个PN结，它把光信号转换为电信号的同时，又将信号电流放大，如下图所示。硅光敏三极管是NPN结构它的基区是光敏区在集电极c加正电压发射极e加负电压基极b不加电压NNP。光集电极c发射极e。Rceb光I76第七十六页，共一百一十页，2022年，8月28日光激发电子-空穴对，电子-空穴在PN结内部和外部电场的作用下移动形成电流，产生光伏特效应；当无光照射时，三极管不导通；当光照射基极（发射极和基极）时Rceb光IRceb光I●NNP光集电极c发射极e可见，光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。该电流作为基极电流被晶体管放大，形成得到放大的光电流I，该电流从集电极c流向发射极e；光电流I的放大倍数为（1+β）倍（其等效电路如下图）77第七十七页，共一百一十页，2022年，8月28日（1）MOS光敏单元CCD（Charge–CoupledDevices）电荷偶合器件MOS（Metal–Oxide–Semiconductor）金属-氧化物-半导体①MOS光敏单元的结构在半导体（P型硅）基片上生长具有电解质作用的氧化物（SiO2二氧化硅），又在其上面沉积一层金属电极，形成MOS（金属-氧化物-半导体）结构（元）。金属电极氧化物SiO2半导体P型硅U+MOS光敏单元的结构五、CCD光电器件1．CCD的结构和基本原理CCD电荷耦合器件是由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。

它的基本功能是电荷的存贮和电荷的转移。因此，CCD的基本工作原理是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。78第七十八页，共一百一十页，2022年，8月28日金属电极氧化物SiO2本征半导体P型硅U+势阱MOS光敏单元的结构②MOS光敏单元的工作原理当在金属电极上加正电压时，由于在金属和P型硅之间存在氧化物绝缘，在电场的作用下，电极下的P型硅区域里的空穴被赶尽，从而形成一个（空穴的）耗尽区，这个耗尽区对于带负电的电子来说是一个电势能很低的区域，称为势阱。如果此时有光线射入到该MOS光敏单元，在光子的作用下，半导体硅片上会产生电子-空穴对，光生空穴被电场排斥出耗尽区。光生电子被附近的势阱所俘获。电子此时，势阱内所俘获的光电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。79第七十九页，共一百一十页，2022年，8月28日MOS光敏单元感生电荷图象通常在半导体硅片上制有成千上万个相互独立的MOS光敏单元，这些MOS单元以阵列形式布放在硅片的平面上，若在金属电极上施加正电压，则在这个半导体硅片上形成成千上万个相互独立的势阱。一个势阱所收集的若干光生电荷称为一个电荷包。电荷包中电荷数量与光的强度成正比。一个MOS光敏单元称为一个像素。③电荷包和像素金属电极氧化物SiO2本征半导体P型硅U+势阱电子MOS光敏单元的结构如果照射在硅片上是一幅明暗变化的图像，那么这些光敏单元就感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。MOS光敏单元阵列80第八十页，共一百一十页，2022年，8月28日（2）读出移位寄存器读出移位寄存器的作用是将势阱中的电荷读出并送入后续电路进行处理，以生成图像。①读出移位寄存器的结构在氧化物上有三类电极栅，输入栅、传输栅、输出栅P型硅●●●氧化物SiO2金属电极输入栅输出栅传输栅遮光层第一组电极Φ1第二组电极Φ2第三组电极Φ3势阱读出移位寄存器的结构输出二极管输入栅将光作用产生的电子俘获在势阱中传输栅将输入栅势阱中的电子转移到输出栅输出栅将电荷信号输出为了防止外来光线的干扰，在半导体的底部覆盖一层遮光层81第八十一页，共一百一十页，2022年，8月28日传输栅传输栅有三组电极（电荷传输单元）Φ1、Φ2、Φ3在三组电极上分别施加时序脉冲信号Φ1、Φ2、Φ3P型硅●●●氧化物SiO2金属电极输入栅输出栅传输栅遮光层第一组电极Φ1第二组电极Φ2第三组电极Φ3势阱读出移位寄存器的结构输出二极管在时序脉冲信号的作用下，将势阱中的电荷从P型硅上的输入端移到输出端。当电极施加的电压为正时，对应电极下的P型半导体中，就会产生一个势阱。82第八十二页，共一百一十页，2022年，8月28日②读出移位寄存器的工作原理Φ1处于高电平Φ2、Φ3处于低电平这时第一组电极下形成势阱，光信息电荷存储其中。

Φ1、Φ2处于高电平Φ3处于低电平这时第一组、第二组电极下均形成势阱，由于两组电极靠的很近，原第一组电极中的光信息电荷耦合到第二组电极的势阱中。

Φ1电压减小（从高变低）Φ2处于高电平Φ3处于低电平这时第一组电极势阱减小，光信息电荷从第一组电极向第二组电极转移。t=t1t=t4t1t2t3t4T5T6Φ1Φ2Φ3t=T5t=T6t1时刻:t3时刻:t2时刻:Φ2处于高电平Φ1、Φ3处于低电平这时第一组电极势阱消失，光信息电荷全部从第一组电极下移到第二组电极的势阱中。t4时刻:t=t2t=t383第八十三页，共一百一十页，2022年，8月28日电荷就转移到下一位的第一组Φ1电极下，这样，在三相脉冲的控制下，信息电荷不断向右侧转移，将电荷从硅片的输入端移到输出端，并传输到输出栅；输出栅将信息电荷输出到后续电路。第二组电极中的电荷全部转移到第三组电极的势阱中。T5时刻:T6

时刻：t=t2t=t1t=t4t=t3t1t2t3t4T5T6Φ1Φ2Φ3t=T5t=T6t1~t4

时刻：完成将电荷从电极Φ1中转移到电极Φ2中84第八十四页，共一百一十页，2022年，8月28日P型硅●●●氧化物SiO2金属电极输入栅输出栅传输栅遮光层第一组电极Φ1第二组电极Φ2第三组电极Φ3势阱读出移位寄存器的结构输出二极管根据输出先后顺序，可以辨别电荷是从哪个光敏元来的，根据输出电荷量，可知该光敏元受光的强弱及有无光照射（电荷量反映光敏元感光的情况）85第八十五页，共一百一十页，2022年，8月28日

第三节光电传感器的应用1

一、模拟式光电传感器二、开关式光电传感器86第八十六页，共一百一十页，2022年，8月28日第四节光电传感器的应用1光电式传感器按其输出量的性质可分为两类：模拟式光电传感器开关式光电传感器87第八十七页，共一百一十页，2022年，8月28日一、模拟式光电传感器这类传感器将被测量转换成连续变化的光电流，要求光电元件的光照特性为单值线性，而且光源的光照均匀恒定。属于这一类的光电传感器主要包括：辐射式、吸收式、反射式、透射式等。（1）被测物体本身是光辐射源（辐射式）由于被测物体自身发光，用光敏元件接收它的辐射，就可得到发光物体的某些物理参数。例：光电比色高温计，火焰报警器，红外遥感器等。88第八十八页，共一百一十页，2022年，8月28日通过测量热辐射体在两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的仪表，称为比色温度计。光电比色高温计图为光电高温比色计的工作原理。被测对象经物镜1成像经光栏3及光导棒4投射到分光镜6上,它使长波(红外线)辐射线透过,而使短波(可见光)部分反射。透过分光镜的辐射线再经滤光片9将残余的短波滤去,尔后被红外光电元件硅光电池10接收，转换成电量输出；由分光镜反射的短波辐射线经滤波片7将长波滤去，而被可见光硅光电池8接收；转换成与波长亮度成函数关系的电量输出。将这两个电信号输入自动平衡显示记录仪进行比较得出光电信号比，即可读出被测对象的温度值。这种高温计属非接触测量，量程为800～2000℃，精度为0.5％，响应速度由光电元件及二次仪表记录速度而定。其优点是测温准确度高，反应速度快，测量范围宽，可测目标小，测量温度更接近真实温度，环境的粉尘，水气，烟雾等对测量结果的影响小。可用于冶金、水泥、玻璃等工业部门。89第八十九页，共一百一十页，2022年，8月28日（2）被测物体位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物体对光的吸收程度或对其谱线的分析来测定被测物体的某些物理参数。（吸收式）例：气体的透明度、浊度计，气体成分析仪，物体中某种物质成分的含量分析仪等。90第九十页，共一百一十页，2022年，8月28日烟尘浊度监测仪平行光源光电探测放大显示刻度校正 报警器烟道吸收式烟尘浊度检测系统原理图如图所示，烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。91第九十一页，共一百一十页，2022年，8月28日（3）恒定光源投射到被测物体上，再从其表面反射到光敏元件上，根据反射的光通量多少测定被测物体表面性质和状态。（反射式）例：测量物体表面粗糙度表面缺陷表面位移表面白度湿度等92第九十二页，共一百一十页，2022年，8月28日下图为反射式光电传感器示意图。图(a)和(b)都是利用反射法检测材质表面粗糙度、表面裂纹、凹坑等缺陷的传感器示意图。(a)为正反射接收型，用于检测浅小的缺陷，灵敏度较高；(b)为非正反射接收型，用于检测较大的几何缺陷。工件光源光电敏感元件工件光源光电敏感元件反射式光电传感器示意图(a)(b)93第九十三页，共一百一十页，2022年，8月28日（4）被测物体位于恒定光源与光敏元件之间，根据被测物体阻挡光通量的多少来测定被测物体的参数。（透射式，遮光式）例：测定物体的长度、厚度、线位移、角位移和角速度，测物位等。下图为透射式光电传感器示意图。这种传感器将被测物体作为光闸，用于测量小孔、夹缝细丝直径等。透射式光电传感器示意图94第九十四页，共一百一十页，2022年，8月28日下图为根据被测物体是否阻挡光源来测定被测物体的物位是否到达预定测定位置。。。发送器接收器。。发送器接收器物位测量95第九十五页，共一百一十页，2022年，8月28日二、开关式光电传感器这类传感器利用光敏元件受光照射的有无，将其电信号转换成开关信号。为此要求光敏元件灵敏度高，感应速度快，而线性要求不高。这类传感器主要应用于零件或产品的自动记数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器以及光电报警装置等方面。96第九十六页，共一百一十页，2022年，8月28日光电式数字转速仪工作原理：图

光电式数字转速仪工作原理图当电机转动时，调制盘的齿片遮光与不遮光交替出现，光电元件间断地接收反射光信号，输出电脉冲。经放大整形电路转换成方波信号，由数字频率计测得电机的转速。若频率计的计数频率为f，由下式：式中，z为调制盘的齿（孔）数。即可测得转轴转速n(r/min)。97第九十七页，共一百一十页，2022年，8月28日作业131、什么是光的二象性？2、简述气体放电灯工作原理。3、什么是发光二极管禁带宽度？*4、简述发光二极管LED发光原理。*5、简述激光器的组成及各部分的作用。98第九十八页，共一百一十页，2022年，8月28日作业14*1、什么是光电效应？产生光电效应的条件是什么？2、什么是光电效应的红限频率？3、什么是外光电效应？什么是光电导效应？什么是光伏特效应？5、简述光敏三极管的工作原理。6、简述CCD电荷偶合器件的工作原理。*7、例举出2个光电传感器应用的实例。4、简述光电倍增管的工作原理。99第九十九页，共一百一十页，2022年，8月28日半导体半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。物质的导电性的原因在于物质内部原子与原子结合的方式及原子本身的结构，即物质内部运载电荷的粒子（称为载流子，包括电子和空穴）的多少和运动速度的快慢。金属材料的外层电子受原子的束缚力最小，因此大量的电子能挣脱原子核的束缚而成为自由电子。在外电场的作用下作定向运动而形成电流。所以金属是导电性能良好。绝缘材料外层电子受原子核的束缚力很大，不容易挣脱出来，因此形成自由电子的机会很小。所以绝缘材料的导电性能很差。半导体材料的原子结构，其外层电子既不象导体那样容易挣脱，也不象绝缘体那样束缚很紧，介于两者之间。半导体100第一百页，共一百一十页，2022年，8月28日下面以硅四价元素为例说明半导体结构当硅半导体材料制成单晶体后，其原子排列就由原杂乱无章的状态变成了排列非常整齐的状态。原子之间的距离都是相等的（约为2.35×10-4微米），每个原子最外层的四个电子，不仅受自身原子的束缚，而且还与周围相邻的四个电子联系；每两个相邻的原子有一对电子；电子对中的任何一个电子，一方面围绕自身原子核运动，另一方面也时常出现在相邻的原子所属的轨道上，这样的组合叫做共价键结构。半导体101第一百零一页，共一百一十页，2022年，8月28日●SiSiSiSiSiSiSiSiSi●●●●●●●●●●●●●●○●●●●●●●●●●●●空穴载流子光子激发或热运动产生电子-空穴对●●●●●●●●●●自由电子SiSiSiSiSiSiSiSiSi●●●●●●●●●●●●●●

●●●●●●●●●●●●●硅单晶共价键结构●●●●●●●●●由原子理论可知，每个原子的外层有八个电子属于比较稳定的状态，但是硅单晶的共价键结构的特点是它们的外层共有电子所受到的束缚力不象绝缘体那样紧，在光的激发或温度的作用下，其中少数电子可能挣脱束缚而成为自由电子，成为电子载流子。共有电子在挣脱束缚成为自由电子后，同时留下一个空位；这个空位又由附近的共有电子进行填补，从而形成共有电子的运动。通常把这种带正电荷的空位的移动叫做空穴运动。通常情况下电子和空穴是成对同时出现的，因此也可称为电子-空穴对。半导体102第一百零二页，共一百一十页，2022年，8月28日P型半导体P型半导体，在纯单晶半导体中硅掺杂三价元素硼（外层有三个电子），硅原子和硼原子组成共价键结构如图所示，形成空穴。掺入的每一个硼原子都有可能提供一个空穴，从而使硅单晶中空穴载流子的数目大大增加。这种半导体几乎没有自由电子，主要靠空穴导电，所以称为空穴半导体或P型半导体。硼原子提供了空穴，它的作用是接受电子，所以P型半导体中的硼原子又称为受主原子。－＋空穴硼原子（受主原子）P型半导体结构简化示意图硼P型半导体硅中掺杂硼形成空穴载流子（P型半导体）SiSiBSiSiSiSiSiSi空穴载流子硼+3●●●●●●●●●●●○●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

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●103第一百零三页，共一百一十页，2022年，8月28日N型半导体＋－电子磷原子（施主原子）N型半导体结构简化示意图N型半导体，在纯单晶半导体中硅掺杂五价元素磷（外层有五个电子），硅原子和硼原子组成共价键结构如图所示，形成电子。掺入的每一个磷原子都有可能提供一个电子，从而使硅单晶中电子载流子的数目大大增加。这种半导体有很多自由电子，主要靠电子导电，所以称为电子半导体或N型半导体。磷原子提供了电子，它的作用释放电子，所以N型