《传感器与检测技术教学课件（共38单元）08光电效应和光电器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术教学课件（共38单元）08光电效应和光电器件（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光电式传感器工作原理：把被测量的变化转换成光信号的变化，然后 通过光电转换元件变换成电信号。辐射源光学通路光电元件光电式传感器方框图光电式传感器方框图光电效应 ？物理学中认为光是由分离的能团光子组成波粒子能量：所谓光电效应是物体吸收能量为E的光后所产生电效应根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只能给一个电子，因此，要使一个电子从物质的表面逸出，光子的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0，即4.1 光电效应和光电器件4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池4.1.6 光电式传感器的应用4.1.1 外光电效应（光电发射型）在光线
2、作用下使电子逸出物体表面的现象。如光电管、光电倍增管光电管当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差 4.1 光电效应和光电器件4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池4.1.6 光电式传感器的应用4.1.2 光电倍增管 在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电
3、流就很小，光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极+若干倍增极+阳极 光电倍增管的结构 与工作原理光电阴极光电倍增极阳极倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射 二次电子发射系数 = 二次发射电子数入射电子数若倍增极有n，则倍增率为n4.1 光电效应和光电器件4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池4.1.6 光电式传感器的应用内光电效应（光电导型）在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等1. 光敏电阻的工作原理及结构当无光照时，光敏电阻值(
4、暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加光敏电阻的结构 1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏度。2光敏电阻的基本特性 （1）伏安特性 （2）光照特性（3）光谱特性（4）响应时间和频率特性（5）温度特性（1）伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系 在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光
5、照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。 （2）光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系 由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。 （3）光谱特性 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的 （4）响应时间光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。 光敏电阻的频率特性 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。 （5）温度特性 光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗
6、电阻和灵敏度都下降。 硫化镉光敏电阻的温度特性 温度系数: 在一定光照下，温度每变化1，光敏电阻阻值的平均变化率 温度对光谱特性影响 随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 4.1 光电效应和光电器件4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池4.1.6 光电式传感器的应用4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 1 工作原理2 基本特性1 工作原理结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态的 光敏二极管光敏晶体管 与一般
7、晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。 2 基本特性（1）光谱特性 （2）伏安特性（3）光照特性（4）温度特性（5）频率响应（1）光谱特性入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降 硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。 （2）伏安特性硅光敏管的伏安特性 （3）光照特性 硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好 （4）温度特性其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。（5）频率响应具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电
8、压)随频率的变化关系 硅光敏晶体管的频率响应 4.1 光电效应和光电器件4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池4.1.6 光电式传感器的应用阻挡层光电效应（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。如光电池、光敏晶体管等光电池有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。 1. 工作原理2基本特性1. 工作原理直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负) 。用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过
9、，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。2 基本特性(1) 光谱特性(2) 光照特性(3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性 （1）光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的 (2)光照特性 不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。 短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用 负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽 (3)频率响应 指输出电流随调制光频率变化的关系 硅光电池具有较高的频率响应 ,用于高速计数的光电转换 (4)温度特性开路电压和短路电流随温度变化的关
10、系。关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标 硅光电池的温度特性(照度1000lx) (5)稳定性当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定 影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺使用环境条件 4.1 光电效应和光电器件4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池4.1.6 光电式传感器的应用4.1.6 光电式传感器的应用模拟式传感器脉冲式传感器1. 模拟式光电传感器基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数 。对于光通量的任
11、意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，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。光电比色高温计 1物镜；2平面玻璃；3光阑；4光导棒；5分光镜；6滤光片；7硅光电池；8滤光片；9硅光电池；10瞄准反射镜；11圆柱反射镜；12目镜；13多夫棱镜14、15硅光电池负载电阻；16可逆电机；17电子电位差计2. 脉冲式光电传感器 光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态。 光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。光电式数字转速表 End the 4.1
