Xie-第三章(7)-光电式传感器

第三章传感器基本原理（6）

−光电式传感器内容提要：光电式传感器概述光电元件光电传感器的应用1.光电式传感器概述光电传感器的基本转换原理将被测量转换成光信号的变化，然后将光信号作用于光电元件而转换成电信号的输出。随着激光光源、光栅、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器越来越广泛地应用于检测和控制领域。定义：某些物质在光的作用下电特性发生变化的现象。分类外光电效应内光电效应现象发生在物体表面现象发生在物体内部光电效应光电导效应：某些物体受到光照射时，其内部原子释放的电子留在内部而使物体的导电性增加、电阻值下降的现象。光生伏特效应：物体在光的照射下能产生一定方向的电动势的现象。2.光电元件常用的光电转换元件光电管光电倍增管光敏电阻光敏二极管光敏三极管光电池作用：检测照射的光通量选用何种形式的光电转换元件取决于被测参数所需的灵敏度、响应速度、光源特性及测量环境和条件等。光电管光电倍增管光敏电阻光敏二极管光敏三极管光电池图例光电管阳极与阴极封装在一个玻璃壳内，当入射光照射在阴极上，阴极表面电子吸收光子能量，并克服阴极束缚力逸出阴极表面。若在阴极与阳极之间加以正向电压，逸出电子射向阳极形成光电流。该过程用爱因斯坦方程表示为：式中，m电子质量；

v电子逸出时的初速度；

A逸出功光电子逸出物体时所具有的动能，与入射光的频率有关，与材料有关。对某种材料的光电管而言，若想在光照下有光电流生成，不仅需要在阳极与阴极间加有正向电压，还需要入射光有足够的能量。入射光的频率必须大于某一极限，即

，该频率称为“红限”。在普通光电管阴、阳极基础上，加入光电二次发射的倍增极。倍增极上有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料。工作时，电极的电位逐级提高。光电倍增管阴极阳极工作原理：当光照射阴极K时，阴极的光电子受第一倍增极VD1正电位的作用，加速并打在VD1上，由VD1产生二次发射电子，在更高电位VD2极作用下，又加速射到VD2极上，VD2极又将产生二次发射，逐级加速直到最后到达阳极A。若每级的倍增率均为，且倍增极个数为n，则光电倍增管的灵敏度为普通光电管的n倍。一般n为914。光电倍增管的输出特性（光电特性）基本上是一条直线。在半导体光敏材料两端装上电极导线，将其封装在带有透明窗口的管壳构成光敏电阻。材料：一般由金属硫化物、硒化物等制成（如硫化镉、硫化铅、硫化铊、硒化镉、硒化铅等）。光敏电阻特性：金属硫化物、硒化物等材料在黑暗环境下具有很高电阻值。受到光照射时，若光辐射能量足够大，阻值降低，导电性能增强。工作原理：光敏电阻两极间加上电压，便有电流流过。若有光照，电流将增加。光电效应只限于受光照的表面层，因此光敏电阻常做得很薄。结构与一般二极管相似，管芯是一个具有光敏特征的PN结，PN结装在透明管的顶部，直接接受光照。光敏二极管PN结光敏二极管在电路中处于反向偏置状态，没有光照时，由于PN结反偏，所以光敏二极管截止，反向电流很小。当光照射二极管的PN结时，PN结附近产生电子-空穴对，并在外电场和内电场的共同作用下，漂移越过PN结，产生光电流。此时，光电流与光照度成正比，光敏二极管处于导通状态。由三层半导体元件组成，形成两个PN结。与普通三极管不同，通常只有两根电极引线。原理：光线通过透明窗口照在集电结上时，使集电结反偏、发射结正偏。集电结附近产生电子-空穴对。电子受集电结电场吸引流向集电区，基区留下空穴。由于空穴带正电，则基区电位升高，使电子从发射区流向基区。又由于基区很薄，只有一小部分从发射区来的电子与基区的空穴结合，大部分电子越过基区流向集电区。光敏三极管放大了光电流，其灵敏度比光敏二极管高出许多。光敏三极管一种自发电式的光电元件，为有源器件。种类有硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓等，其中硅光电池的应用最多。硅光电池在一块N型硅片上用扩散方法掺入一薄层P型杂质，形成一个大面积的PN结。光电池入射光照在P型层上，穿透到PN结，在PN结附近激发电子空穴对，使其浓度由表及里逐渐下降。在PN结内电场作用下，扩散到PN结附近电子空穴对分离，电子被拉到N型区，空穴留在P型区，使N区带负电，P区带正电，两者之间形成电位差。若光照连续，PN结两侧就有稳定电动势输出。P型区的多子是空穴，而N型区的多子是电子。当P型区与N型区接合时，双方多子分别向各自浓度低的一方自由扩散，使空穴和电子分别集结在PN结的N型和P型一边，在PN结附近形成电场阻止空穴、电子进一步扩散。光通量的计算设光源为一点光源，则光通量是均匀地向所有方向辐射。对于单色光源波长为的辐射光通量