第5章光电式传感器（课件）《传感器检测技术》同步教学（机械工业出版社）

第5章光电式传感器 一、光电效应 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。 作非电量测量时，光电传感器先将被测量转换为光量，然后再将光量转换为电量。 非电物理量 光量 电量 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。 其工作原理是基于一些物质的光电效应。由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、内光电效应。 1、外光电效应 在光线作用下,物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象,称为外光电效应。 基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件,有光电管、光电倍增管、紫外光电管、光电摄像管等。 紫外管外形 当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。 紫外线 2、内光电效应 受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光生伏特效应。 （1）光电导效应 光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子-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,称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。 光敏电阻 a.光敏电阻的主要参数  (1) 暗电阻 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) 亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。  (3) 光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。 光电流表征了光敏电阻灵敏度的大小。 b.光敏电阻的结构 光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性， 纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。 c.工作原理 无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下。 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） d.特点 光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电 信号的传感元件。 （2）光生伏特效应 。。光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。因此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,硒和硅是光电池常用的材料,也可以使用锗。 光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。  工作原理： + + + - - - P N 光电池外形 光敏面 能提供较大电流的大面积光电池外形 其他光电池及在照度测量中的应用 柔光罩下面为圆形光电池 光电池在动力方面的应用 太阳能赛车 太阳能电动机模型 太阳能 硅光电池板 光电池在动力方面的应用（续） 太阳能发电 光电池在动力方面的应用（续） 光电池在人造卫星上的应用 ②光敏二极管和光敏三极管： 光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的,其差别只是光照在半导体结上而已。 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。 光敏二极管结构原理 光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空