第五组光电式传感器

光电式传感器第五组专用课件一、光电式传感器概念光电式传感器（或称光敏传感器）是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。按工作原理分类光电效应传感器红外热释电探测器固体图像传感器光纤传感器二、光电式传感器的基本形式由光路及电路两大部分组成光路部分实现被测信号对光量的控制和调制电路部分完成从光信号到电信号的转换三、光电效应与光电器件光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为光电效应方程A0为逸出功，m为电子质量，v为电子逸出速度，ν为光频率光电器件光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。光电器件工件的物理基础：光电效应。光电效应分为：内光电效应、外光电效应

内光电效应型光电器件内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种（1）光敏电阻1.光敏电阻的结构与工作原理光敏电阴是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。光敏电阻的结构光敏电阻结构(a)光敏电阻结构；(b)光敏电阻电极；(c)光敏电阻接线图2.光敏电阻的主要参数暗电阻光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。光电流亮电流与暗电流之差3、光敏电阻的基本特性伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系。硫化镉光敏电阻的伏安特性光照特性指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关系光敏电阻的光照特性光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系。即光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的光谱特性频率特性光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示，对应着不同材料的频率特性。光敏电阻的频率特性温度特性光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应、灵敏度和暗电阻。硫化铅光敏电阻受温度影响更大。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性（2）光电池光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。即电源。工作原理：基于“光生伏特效应”。光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。光电池结构、符号光电池种类

光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等最受人们重视的是硅光电池。因为它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统中硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。

外光电效应型光电器件当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。1、光电管及其基本特性光电管的伏安特性光电管的光照特性光电管的光谱特性2、光电倍增管及其基本特性主要参数

倍增系数M阳极电流光电倍增管的电流放大倍数光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度暗电流光电倍增管的光谱特性总结四、光电传感器的应用光电传感器应用方法光电传感器由光源、光学元器件和光电元器件组成光路系统，结合相应的测量转换电路而构成。常用的光源有各种白炽灯和发光二极管，常用光学元件有各种反射镜、透镜和半反半透镜等。光电传感器按其输出量不同分为模拟式和脉冲式两大类。模拟式光电传感器是基于光电元器件的光电流随光通量而发生变化，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。影响光电元器件接收量的因素可能是光源本身的变化，也可能是由光学通路所造成的，模拟式光电传感器通常有如图所示的几种形式。光电传感器的几种形式如图（a）所示，由被测物发出的光通量直接照射到光电元件上，通过测量光能量的强度可知被测物的温度。如光电比色高温计。如图（b）所示，恒光源穿过被测物，部分被吸收，而后到达光电元件上。可根据被测对象对辐射的吸收量或对频谱的选择性来测量液体、气体的透明度或浑浊度，或者对气体进行成份分析，或对液体中某种物质含量进行测定等。如图（c）所示，恒光源发出的光通量先到达被测物，再用光电元件接收从被测物表面反射出来的光。由于反射光通量的多少决定于被测对象的表面性质和状态，因此它可以测量机械加工零件的表面光洁度、表面粗糙度等。如图（d）所示，恒光源发射的光到达光电元件的路径上，受到被测物的遮蔽，因此照射到光电元件上的光通量发生了变化，根据被测对象阻挡光通量的多少来测量被测对象的几何尺寸（如长度、厚度等）或运动状态（如线位移、角位移）。脉冲式光电传感器受光照射时，有电信号输出，不受光照时无电信号输出，即输出仅有两个稳定状态：“通”和“断”。这样，便把被测量转换成断续变化的光电流，由自动检测系统输出开关量或数字电信号，它大多用于光机电相结合的检测装置中，如转速表和脉冲发生器等。五、光纤传感器光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变