第8章 光电式传感器(课件）-《传感器与检测技术》同步教学（国防科技大学出版社）

07 一月 2024 第8章 光电式传感器 8.2 光电元件的基本应用电路 2 8.1 光电效应与光电元件 1 8.3 光电式传感器的应用 3 目 录 07 一月 2024 知识目标： （1）了解光电元件的结构和分类。 （2）掌握光电式传感器的工作原理及光电元件的基本应用电路。 （3）熟悉光电式传感器在工程上的应用。 教学目标 技能目标： （1）能够根据检测要求选择合适的光电式传感器。 （2）能够根据被测信号的特点设计出简单合理的传感器检测电路。 （3）能够正确维护常用电子检测设备。 07 一月 2024 情感目标： （1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作风。 （2）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力。 教学重难点 教学重点： 光电效应和光电元件。 教学难点： 光电元件的基本应用电路。 07 一月 2024 8.1 光电效应与光电元件 8.1.1 光电效应 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。 07 一月 2024 光 电 效 应 外光电效应 内光电效应 光生伏特效应 光电管、光电倍增管 光敏电阻、光敏二极管、 光敏三极管 光电池 07 一月 2024 当用光照射在某一物体上时，可以看做是物体受到一连串能量为E的光子轰击，组成这种物体的材料吸收了光子能量而发生相应电效应的现象 （如发射光电子、电导率变化、产生电动势等），这种现象称为光电效应。 光电效应 07 一月 2024 在光线作用下，电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。常见的基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。 外光电效应 07 一月 2024 一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。 光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定： E=h f （10-1） 式中： h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s) f——光的频率（s-1）。 07 一月 2024 若物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，则电子就会逸出物体表面，所以要使一个电子能够逸出，光子的能量E必须大于逸出功A0，超出逸出功德能量表现为逸出电子的动能，即 式中：m——电子质量； v0——电子逸出初速度。 07 一月 2024 式（8-2）为爱因斯坦光电效应方程式, 由式可知： 1)光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子； 2)入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比； 3)光电子逸出物体表面时具有初始动能 ，因此对于外光电效应器件， 即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零， 必须加负的截止电压。 07 一月 2024 内光电效应是指在光线的作用下使物体的电阻率发生改变的光电效应。常见的基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管等。 内光电效应 07 一月 2024 光生伏特效应是指在光线照射下，半导体材料吸收光能后，引起PN结两端产生电动势的现象。常见的基于光生伏特效应的光电元件有光电池。 光生伏特效应 图8-1 PN结的光生伏特效应 07 一月 2024 8.1.2 光电元件 1.基于外光电效应的光电元件 1） 光电管 (a)真空光电管 (b)充气光电管 图8-2 光电管的结构示意图 07 一月 2024 光电管的工作原理 当阴极受到适当波长的光线（紫外线）照射时会发射出电子，光电阳极吸收从光电阴极发射出的电子，从而在外围电路形成电流。 07 一月 2024 (a)真空光电管的伏安特性曲线 (b) 充气光电管的伏安特性曲线 图8-3 光电管的伏安特性曲线 07 一月 2024 2）光电倍增管 在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小。 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极 07 一月 2024 2.基于内光电效应的光电元件 1）光敏电阻 ①光敏电阻的工作原理 光敏电阻又称光导管, 是用半导体材料制成的光电器件。 它没有极性,是一个纯粹的电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。 07 一月 2024 光敏电阻演示 暗电流（越小越好） 当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值（亮电阻）减小，电流（亮电流）增大。 07 一月 2024 ②光敏电阻的主要参数 （1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。 （2）亮电阻和亮电流 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电