模块七 光电传感器-1（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（西南交大版）

模块七 光电传感器 光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器，在非电量检测中应用广泛，具有反应快、非接触等优点。 本章学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性以及光电传感器的各种应用，了解光电开关及光电断续器的使用方法。 1/5/2024 1 1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。 1/5/2024 2 单元一 光电效应及光电元件 用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量 为hf （h为普朗克常数）的光子的轰击，组成该物体的 材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为 光电效应。 （一）外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 1/5/2024 3 当光电管阳极加上适当电压，从阴极表面逸出的电子被具有正电压的阳极吸引，在光电管中形成电流，称为光电流。 光电流Iφ正比于光电子数，光电子数正比于光照度。 1/5/2024 4 由于材料的逸出功W不同，所以不同材料的光电阴 极对不同频率的入射光有不同的灵敏度。 人们可以根据检测对象是可见光或紫外光而选择不同 阴极材料的光电管。如对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴 极的光电管。 目前紫外光电管在工业 检测中多用于紫外线测量、 火焰监测等，可见光较难引 起光电子的发射。 紫外线 1/5/2024 5 （二）内光电效应：在光线的作用下能使物体 的电阻率改变的现象称为内光电效应。基于内 光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管及光敏晶闸管等。 1、光敏电阻 光照愈强，光生电子-空穴对就越多，阻值就愈低。 1/5/2024 6 光敏电阻 当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。 1/5/2024 7 光敏电阻演示 当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。 暗电流（越小越好） 光敏电阻有时延特性，上升响应时间和下降响应时间 s，不能用在要求快速响应的场合。 暗电流：置于室温、全暗条件下对应电流，易受环境温度影响。 1/5/2024 8 光电特性 在光敏电阻两极电压固定不变时，光照度 与电阻及电流间的关系称为光电特性。某型号光敏电 阻的光电特性如图所示。 结论： 当光照大于100lx时，它的光电特性非线性就十分严重了。光敏电阻光电特性非线性，不适合用于光的精密测量，只能用于定性地判断有无光照或光照度是否大于某设定值。价廉，准确度不高，但可用于照相机的测光元件。 1/5/2024 9 照度定义：E=dΦ/dA，所以1 lx=1 lm/m2。 照度是光源照射在被照物体单位面积上的光通量。 光通量是光源在单位时间内发出的光量总和。 光通量单位：流明（lm） 照度单位：勒克斯（lux） 不同功率白炽灯和不同颗数LED灯及节能灯在不同距离的照度性能试验参 数，单位为lx 用照度计测量：节能台灯的照度为2000lx；阴天靠窗的照度为2000lx；太阳光直接照射的照度为10000～40000lx。 1/5/2024 10 2、光敏二极管 将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。 1/5/2024 11 光敏二极管外形 光敏二极管阵列 包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。 红外发射管 红外接收管 1/5/2024 12 光敏二极管的反向偏置接法 在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。 为什么必须反向偏置？（否则流过它的电流就与普通二极管的正向电流一样，不受入射光的控制） 1/5/2024 13 光敏二极管的反向偏置接线及光电特性演示 在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。 当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。 光敏二极管的反向偏置接法 UO + — 光照 1/5/2024 14 （1）PIN光敏二极管 工作电压（反向偏置电压）高， 光电转换效率高，暗电流小，灵 敏度比普通的光敏二极管高得多。 新型光敏二极管 反向偏压很高，能将光