第9章 光电式传感器（课件）- 《传感器与检测技术(第二版)》同步教学（重庆大学版）

1.掌握光电传感器工作原理　　　 2.了解传感器的基本特性 3.了解传感器的应用 4.掌握光纤传感器的工作原理及应用 第九章 光电式传感器 传感器与检测技术 返回课程索引 光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。 第九章 光电式传感器 光电式传感器 第九章 光电式传感器 9.1 光电效应 1922年爱因斯坦因为解释了光电效应而获得诺贝尔奖。 光照射在物体上可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后逸出光电子的现象。从传感器的角度看光电效应可分为三大类型。 1、外光电效应 指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象，逸出的电子称之为光电子。光电管及光电倍增管均属这一类。它们的光电发射极，是具有这种特性的材料制造的。 光电子逸出时所具有的初始动能Ek与光的频率f有关，频率高则动能大。 第九章 光电式传感器 每一种金属材料都有一个对应的光频阀值，称为“红限”频率。光线的频率小于红限频率，光子的能量不足以使金属内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子的发射，反之，入射光频率高于红限频率时，即使光线微弱，也会有光电子发射出来。光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大。 在入射光的频谱成分不变时，发射的光电子数正比于光强。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。 9.1 光电效应 2、内光电效应 在光的照射下材料的电阻率发生改变的现象称为内光电效应。 半导体材料受到光照时，材料中处于价带的电子吸收光子能量而形成自由电子，而价带也会相应的形成自由空穴，即会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，也称为光电导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。  9.1 光电效应 3、光生伏特效应 半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。 光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。 以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。 9.1 光电效应 硒光电池 硅光电池 9.2 常见光电元件（传感器） 9.2.1 光电管 光电阴极采用逸出功小的光敏材料(如铯Cs)。当光线照射到光敏材料上便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。 光电管有真空光电管和充气光电管。 第九章 光电式传感器 光电倍增管 光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础上，获得大的光电流。 9.2.1光电管与光电倍增管 9.2.2 光敏电阻 9.2.常见光电元件 光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。 光敏电阻优点：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。 缺点：使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。 无光线时其阻值很高；当受到光照并且光辐射能量足够大时，光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度ΔEg 的光子激发，由价带越过禁带而跃迁到导带，使其导带的电子和价带的空穴增加，电阻率变小。 9.2.2 光敏电阻 9.2.3 光电池 光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件，结构如下图所示。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。 9.2.常见光电元件 硅光电池也称硅太阳能电池，是用单晶硅制成，在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的P-N结，P层做得很薄，使光线能穿透照到P-N结上。 硅太阳能电池具有轻便、简单，不会产生气体或热污染，易于适应环境。还具有光电转换效率高、性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、能耐高温辐射等特点，应用广泛。 9.2.3 光电池 硅光电池 第九章 光电式传感器 9.3 光电式传感器及其应用 光电传感器是以光为媒介，光电效应为基础的传感器，主要由光源、光学通路、光电器件和测量电路组成，如图所示： 光源可采用灯泡、激光器、发光二极管等可见光源，也可以采用紫外灯、红外灯等非可见光源。 1）被测量X1直接对光源作用，使光通量的某参数发生变化； 2）被测量X2作用于光学通路，对传播过程的光通量进行调制。 （通常为光纤传感器所采用） 被测信号可以通过两种途径转换成光电器件入射光强的变化 ： 9.3 光电传感器的