《电气测试技术第5版》 课件 3.10 光电式传感器

02December20243.10光电式传感器3.10.1光电效应及其器件3.10.2光电元件的特性3.10.3光电信号的检测方法3.10.4光电传感器的应用实例02December2024光电传感器原理光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件，原理如下图。02December20243.10.1光电效应及其器件光照射在某些物质上，物质的电子吸收光子的能量而释放电子的现象称为光电效应。释放的电子称为光电子。能产生光电效应的物质称为光电材料。外光电效应及其器件光照射在某些光电材料上时，材料表面的电子吸收光子的能量，若电子吸收的能量足够大，它能克服正离子的束缚而逸出材料的表面，进入外界空间，这种现象称为外光电效应。式中：h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s)

γ——光的频率（s-1）m——电子质量；

v——电子逸出速度。02December2024外光电效应因此，光电材料表面多数涂覆一层薄的逸出功小的化合物，例如，铯、氧化铯和锑化铯等。入射光的频率愈高（其波长愈短），其光子能量愈大，愈容易产生外光电效应，而与光强无关。在能产生外光电效应的前提下，单位时间内逸出的电子数量与光强成正比，因此光电流与光强成正比。根据外光电效应制造的光电元件有光电管、充气光电管和光电倍增管等。02December20241.光电管光电管种类繁多，典型产品有真空光电管和充气光电管。由于真空光电管有稳定性好、惰性小和温度系数小等优点，故它是自动检测中常用的检测元件，其工作原理见图3-111。由图可见，在真空玻璃管内密封有光电阳极A和光电阴极K。当光线照射在光电阴极K上时，电子从阴极表面逸出，并被光电阳极的正电场吸引，外电路产生光电流，在负载电阻上的压降为输出电压。图3-111光电管的工作原理02December20242.光电倍增管

与光电管比较，光电倍增管有光电流放大作用，这是由于有n个光电流进行放大的“倍增极”的缘故。“倍增极”或称为“次阴极”，它受到电子轰击后能发射更多的“次级电子”。各倍增极上顺次加上愈来愈高的正电压，使得前级的次电子加速轰击下一倍增极，见图3-112。由于光电倍增管的放大倍数K相当高（对倍增极n=10，K可达106），即使极微弱的光照，外电路也能提供较大电流（其灵敏度达10A/lm）。因此，它不能受强光照射，否则容易造成永久性损坏。图3-112光电倍增管的工作原理02December2024光导效应及其器件绝大多数高电阻率的半导体受光照射时，由于吸收了光子的能量，其电阻率变化的导电现象称为光导效应。它属于内光电效应。产生光导效应的条件是光子的能量必须大于半导体禁带的能级宽度，因此每一种半导体皆有其固有入射光频率。如果半导体是掺杂半导体，因为从杂质上释放一个电子（或空穴）所需的能量，比激发一个半导体的价电子所需能量小，所以频率较低的光也能使它产生光导效应。根据光导效应的光电元件，主要有光电阻或称光敏电阻。当光照射在光电阻上时，其导电性能增加，电阻值下降，光强度愈强，其阻值愈小；若停止光照，其阻值恢复到原始值。02December2024光生伏特效应及其器件光照射在具有PN结的半导体材料上，在PN结两边产生电动势的现象称为光生伏特效应。据此效应制造的光电元件有光电池、光电二极管、光电三极管、光控晶闸管和光耦合器等。1.光电池

它的工作原理见图3-113a。根据材料不同，有硅光电池、硒光电池、砷化镓光电池和锗光电池。前三种得到广泛的使用。2.光电二极管

其结构和工作原理与光电池相似，见图3-113b。图3-113光电池和光电二极管的工作原理a）光电池b）光电二极管

02December20243.光电三极管

光电三极管的电符号及工作原理见图3-114c和b。与光电二极管比较，光电三极管有两个PN结，见图3-114a。光电三极管的灵敏度较光电二极管的高。图3-114光电三极管的工作原理a）结构b）工作原理c）电符号

02December20244.光控晶体闸流管

光控晶体闸流管是近几年来发展的光电半导体元件，代号为GSCR，其结构和工作原理见图3-115。图3-115光控晶体闸流管结构及其工作原理02December2024

光耦合器用于隔离用途以提高传感器的抗干扰能力时，与必须是不同电源，光耦合器两边的参考“地”不能连在一起，见图3-116a、c，否则起不了提高抗干扰能力的作用。图3-116工作原理与输入输出特性a）工作原理

b）输入输出特性

c）同相输出5.光耦合器

它是近几年来发展起来的新型光电半导体器件，其工作原理与输入输出特性，见图3-116。02December20243.10.2光电元件的特性1.光照特性

光照特性是指光电元件外加电压一定时，光电流与入射光的照度之间的关系。2.光谱特性

光谱特性是指光电元件外加电压一定时，其输出电流与入射单色光的波长之间的关系，即。3.伏安特性

伏安特性是指在给定光通量或照度下，光电流与外加电压之间的关系，即。4.频率特性

频率特性是指外加电压和入射光强一定时，光电流与入射光的调制频率之间的关系，即。5.温度特性

光电元件是半导体器件，其特性受温度的影响较严重，这是由于半导体器件中多数载流子易受热激发的缘故。在使用中必须采取温度补偿或恒温措施，以保证足够的测量精度。02December20243.10.3光电信号的检测方法1.透射式2.反射式3.辐射式4.遮挡式5.开关式图3-117光电信号的检测方法a）透射法

b）反射法

c）辐射法

d）遮挡法02December20243.10.4光电传感器的应用实例光电传感器可用于测量机械量、热工量和成分量等，在工程上得到广泛的应用。1.光电测厚仪

光电测厚仪的原理见图3-118。图3-118光电测厚仪的原理框图1－放射源2－保护罐3－被测物4－闪烁片5－光电倍增管6－测量电路7－差值放大器8－A/D转换9－显示器

02December20242.路灯自动控制器

电路原理见图3-119。