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1、 现代检测技术光电式传感器 精勤求学敦笃励志果毅力行忠恕任事 光电器件 光电管 光电池 光敏电阻 2 光生伏特效应 在光线作用下 能使物体产生一定方向的电动势的现象 将被测物理量通过光量的变化转换为电量变化 工作基础是光电效应 光电效应按原理又分为以下3种 1 外光电效应 在光照作用下 物体内电子逸出物体表面 在回路中形成光电流的现象 3 内光电效应 又称光导电效应 在光照作用下 物体导电性能发生改变的现象 光电式传感器 外光电效应 在光照作用下 物体内电子逸出物体表面 形成光电流 频率为 的光子能量为 光子能量被电子吸收后 能量转化为电子逸出功A和动能 即 式中 h 普朗克常数 6 626
2、10 34J s 入射光频率 s 1 m 电子质量 v 电子逸出速度 A 物体的逸出功 一 外光电效应 外光电效应 光电子逸出时所具有的初始动能Ek与光的频率有关 频率高则动能大 a 光电子逸出物体表面的必要条件 由于不同材料具有不同的逸出功 因此对某种材料而言便有一个频率限 当入射光的频率低于此频率限时 不论光强多大 也不能激发出电子 反之 当入射光的频率高于此极限频率时 即使光线微弱也会有光电子发射出来 这个频率限称为 红限频率 b 在足够外加电压作用下 入射光频率不变时 单位时间内发射的光电子数与入射光强成正比 因为光越强 光子数越多 产生的光电子也相应增多 c 欲使光电子初始速度为零
3、需要在阳极加上反向截止电压 并且 外光电效应 光电管 金属底层光电管光透明光电管 在真空玻璃管内装入两个电极 光电阴极与光电阳极 光电管的阴极受到适当的光线照射后发射电子 这些电子在电压作用下被阳极吸引 形成光电流 充气光电管 在玻璃管内充入氩 氖等惰性气体 当光电子被阳极吸引时会对惰性气体进行轰击 从而产生更多的自由电子 提高了光电转换灵敏度 外光电效应应用器件 光电管的基本特性 1 2 光电管的基本特性 光电管的基本特性 光电管的基本特性 光电管的基本特性 其他特性 暗电流 无光照时 光电流不为零的现象 温度特性 光电管的光照特性 伏安特性等会受温度影响 频率特性 当光强按照一定频率变化时
4、 光电流随频率变化的关系 稳定性和衰老 短期稳定性好 入射光越强衰老越快 光电倍增管 在一个玻璃泡内除装有光电阴极和光电阳极外 还有若干个光电倍增极 倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料 前一级倍增极反射的电子恰好轰击后一级倍增极 在每个倍增极间依次增大加速电压 光电倍增管的灵敏度高 适合在微弱光下使用 但不能接受强光刺激 否则容易损坏 外光电效应应用器件 光电倍增管 光电倍增管的基本特性 光电倍增管的基本特性 光电倍增管的基本特性 光照射 光电子空穴对 内建电场作用 光生电子被拉向N区 光生空穴被拉向P区 光电动势 阻挡层 内建电场 PN结 光生伏特效应 在光线作用下 能使物体产生一
5、定方向的电动势的现象 二 光生伏特效应 硅光电池结构 硅光电池因为性能稳定 光谱范围宽 转换效率高 价格低廉等优点被广泛应用 又称为太阳能电池 N型硅片上用扩散的方式掺入一些P型杂质 如硼 形成一个大面积的PN结 当入射光照射到P型表面时 光生电子在PN结电场作用下被拉向N区 光生空穴被拉向P区 从而形成光生电动势 利用光生伏特效应工作的光敏器件主要包括光电池 光敏二极管和光敏三极管 光电池 光电池包括硅光电池 硒光电池 砷化镓光电池等 光电池 最广 光照度指单位面积上所接受的光通量 单位勒克斯 lx 1lx 1lm m2 光电池的基本特性 用光电池作为测量元件时 应把它当作电流源的形式来使用
6、 不宜用作电压源 光电池的基本特性 光电池的基本特性 光电池的基本特性 光电池的基本特性 频率指光强变化的频率 光电二极管 光电三极管 基区 光电二极管 光电三极管比较 光电二极管 光电三极管比较 光电二极管 光电三极管比较 光电二极管 光电三极管比较 光电二极管 光电三极管比较 内光电效应 又称光导电效应 在一定波长光照作用下 物体导电性能发生改变的现象 内光电效应产生的自由电子停留在物体内部 不发生电子逸出 内光电效应器件 光敏电阻 由光敏电阻制作的光导管 光敏电阻是纯电阻元件 其阻值随光照增强而减小 光敏电阻具有灵敏度高 体积小 重量轻 光谱响应范围宽 机械强度高 耐冲击和振动 寿命长等
7、优点 制作光敏电阻的材料有硫化镉 硫化铅 硒化铟 硒化镉 硒化铅等 特点 无极性 三 内光电效应 光敏电阻的结构 管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电半导体 一般都做成薄层 为了获得高的灵敏度 电极一般采用梳状图案 光敏电阻 光敏电阻基本特性 光敏电阻基本特性 光敏电阻基本特性 光敏电阻基本特性 05001000150020002500 光敏电阻基本特性 响应快 结构简单 可靠性高 抗电磁干扰强 可实现非接触测量 一般由光源 光学元件 光电变换器三部分构成 1 由被测量控制光电变换器处于 通 或 断 两种状态 如光电式转速表 光电继电器 光电计数器 光电开关 目标探测等 2 光
8、电变换器输出光电流是输入光通量的函数 如光电位移计 测振计 照度计 光电探测器等 按其输出量的性质可分为脉冲式光电传感器和模拟式光电传感器 四 光电传感器的特点和应用 脉冲光电传感器 将被测量转换为断续变化的光电流 光电元件的输出仅有两种稳定状态 也就是 通 断 的开关状态 所以也称为光电元件的开关运用状态 这类传感器要求光电元件灵敏度高 而对光电特性的线性要求不高 主要用于零件或产品的自动计数 光控开关 计算机的光电输入设备 光电编码器及光电报警装置等方面 光电传感器的特点和应用 光电传感器的特点和应用 光电传感器的特点和应用 光电传感器的特点和应用 模拟式光电传感器 将被测量转换为连续变化
9、的光电流 根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数 如测量液体 气体的透明度 混浊度 对气体进行成分分析 测定液体中某种物质的含量等 根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质 例如测量零件的表面粗糙度 表面缺陷 表面位移等 光电传感器的特点和应用 光源发出的光通量经被测物遮去其一部分 使作用在光电元件上的光通量减弱 减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关 利用这一原理可以测量长度 厚度 线位移 角位移 振动等 被测物体本身就是辐射源 直接照射在光电元件上 也可以经过一定的光路后作用在光电元件上 光电高温计 比色高温计 红外侦察和红外遥感等均属于这一类 光电传感器的特点和应用 思考题 1 半导体外光电效应与光强和频率的关系是什么 2 试设计一个利用光电开关测量转速的测量系统 ThankYou
