第8章 光电式传感器与转速检测（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（西安电子科大·2021）

【教学目标】 熟悉光电式传感器的结构及种类； 掌握光电式传感器的测量原理及应用； 了解光电式传感器的特性与技术参数； 学会合理选用光电式传感器构成测光检光电路。 【教学重点】 光电式传感器的结构及特性； 光电式传感器的工作原理。 【教学难点】 光电式传感器测量转换电路； 光电式传感器测试应用。 第八章 光电式传感器与转速检测 【教学内容】 光电效应 外光电效应 内光电效应 光伏效应 第八章 光电式传感器与转速检测 【教学内容】 光电器件 光电管 光电倍增管 光敏电阻 光电池 光敏二极管和光敏晶体管 第八章 光电式传感器与转速检测 【教学内容】 光电式传感器的应用 光电式传感器的类型 光电式转速表 光电式浊度仪 带材跑偏检测仪 声、光、触摸三控自动灯 第八章 光电式传感器与转速检测 5 8.1 光电效应 1. 外光电效应 2. 内光电效应 3. 光伏效应 1 外光电效应 在光线照射下，使电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应。根据外光电效应制成的光电器件有光电管、光电倍增管等。 外光电效应可用爱因斯坦光电方程来描述 1/2mv2=hf-W (8-1) 式中，v是电子逸出物体表面时的初速度；m是电子质量；W是金属材料的逸出功（金属表面对电子的束缚）。 2 内光电效应 在光线照射下，使物体的电阻率发生改变的现象称为内光电效应，也称为光电导效应。根据内光电效应制成的光电器件有光敏电阻、光敏二极管与光敏三极管等。 3 光伏效应 在光线照射下，使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，简称光伏效应。 （1）势垒效应（结光电效应） 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。 （2）侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。 11 8.2 光电器件 8.2.1 光电管 8.2.2 光电倍增管 8.2.3 光敏电阻 8.2.4 光电池 8.2.5 光敏二极管和光敏晶体管 8.2.1 光电管 光电管是一种光敏元件，当它受到辐射后，能够从阴极释放出电子。光电管种类很多，它是个装有光阴极和阳极的真空玻璃管，结构如图8-1所示。 图8-1 光电管 光电管分为真空光电管和充气光电管两种。真空光电管（又称电子光电管）由封装于真空管内的光电阴极和阳极构成。当入射光线穿过光窗照到光阴极上时，由于外光电效应，光电子就从极层内发射至真空。 充气光电管（又称离子光电管）由封装于充气管内的光阴极和阳极构成。它不同于真空光电管的是，光电子在电场作用下向阳极运动时与管中气体原子碰撞而发生电离现象。 8.2.2 光电倍增管 光电倍增管是可将微弱光信号通过光电效应转变成电信号并利用二次发射电极转为电子倍增的电真空器件。它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。 图8-5 光电倍增管外形图 1. 光电倍增管的结构和工作原理 （1）光电倍增管的结构 光电倍增管由光电阴极、倍增极、阳极、真空玻璃管等组成。光电倍增管的结构如图8-6所示. 图8-6 光电倍增管 （2）光电倍增管的工作原理 光电倍增管阴极室的结构与光阴极的尺寸和形状有关,它的作用是把阴极在光照下由外光电效应产生的电子聚焦在面积比光阴极小的第一倍增极的表面上。二次发射倍增系统是最复杂的部分。倍增极主要选择那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏度和二次发射系数的材料制成。 2. 光电倍增管的主要参数 （1）暗电流 光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流．光电倍增管在工作时，其阳极输出电流由暗电流和信号电流两部分组成。当信号电流比较大时，暗电流的影响可以忽略，但是当光信号非常弱，以至于阳极信号电流很小甚至和暗电流在同一数量级时，暗电流将严重影响对光信号测量的准确性。 （2）光谱响应特征 光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不相同的，这一特性可用