Xie-第三章(7)-光電式傳感器

第三章傳感器基本原理（6）

?光電式傳感器內(nèi)容提要：光電式傳感器概述光電元件光電傳感器的應(yīng)用1.光電式傳感器概述光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后將光信號(hào)作用于光電元件而轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的輸出。隨著激光光源、光柵、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于檢測(cè)和控制領(lǐng)域。定義：某些物質(zhì)在光的作用下電特性發(fā)生變化的現(xiàn)象。分類外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)現(xiàn)象發(fā)生在物體表面現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：某些物體受到光照射時(shí)，其內(nèi)部原子釋放的電子留在內(nèi)部而使物體的導(dǎo)電性增加、電阻值下降的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)：物體在光的照射下能產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。2.光電元件常用的光電轉(zhuǎn)換元件光電管光電倍增管光敏電阻光敏二極管光敏三極管光電池作用：檢測(cè)照射的光通量選用何種形式的光電轉(zhuǎn)換元件取決于被測(cè)參數(shù)所需的靈敏度、響應(yīng)速度、光源特性及測(cè)量環(huán)境和條件等。光電管光電倍增管光敏電阻光敏二極管光敏三極管光電池圖例光電管陽(yáng)極與陰極封裝在一個(gè)玻璃殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上，陰極表面電子吸收光子能量，并克服陰極束縛力逸出陰極表面。若在陰極與陽(yáng)極之間加以正向電壓，逸出電子射向陽(yáng)極形成光電流。該過(guò)程用愛(ài)因斯坦方程表示為：式中，m電子質(zhì)量；

v電子逸出時(shí)的初速度；

A逸出功光電子逸出物體時(shí)所具有的動(dòng)能，與入射光的頻率有關(guān)，與材料有關(guān)。對(duì)某種材料的光電管而言，若想在光照下有光電流生成，不僅需要在陽(yáng)極與陰極間加有正向電壓，還需要入射光有足夠的能量。入射光的頻率必須大于某一極限，即

，該頻率稱為“紅限”。在普通光電管陰、陽(yáng)極基礎(chǔ)上，加入光電二次發(fā)射的倍增極。倍增極上有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料。工作時(shí)，電極的電位逐級(jí)提高。光電倍增管陰極陽(yáng)極工作原理：當(dāng)光照射陰極K時(shí)，陰極的光電子受第一倍增極VD1正電位的作用，加速并打在VD1上，由VD1產(chǎn)生二次發(fā)射電子，在更高電位VD2極作用下，又加速射到VD2極上，VD2極又將產(chǎn)生二次發(fā)射，逐級(jí)加速直到最后到達(dá)陽(yáng)極A。若每級(jí)的倍增率均為，且倍增極個(gè)數(shù)為n，則光電倍增管的靈敏度為普通光電管的n倍。一般n為914。光電倍增管的輸出特性（光電特性）基本上是一條直線。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極導(dǎo)線，將其封裝在帶有透明窗口的管殼構(gòu)成光敏電阻。材料：一般由金屬硫化物、硒化物等制成（如硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈、硒化鎘、硒化鉛等）。光敏電阻特性：金屬硫化物、硒化物等材料在黑暗環(huán)境下具有很高電阻值。受到光照射時(shí)，若光輻射能量足夠大，阻值降低，導(dǎo)電性能增強(qiáng)。工作原理：光敏電阻兩極間加上電壓，便有電流流過(guò)。若有光照，電流將增加。光電效應(yīng)只限于受光照的表面層，因此光敏電阻常做得很薄。結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，PN結(jié)裝在透明管的頂部，直接接受光照。光敏二極管PN結(jié)光敏二極管在電路中處于反向偏置狀態(tài)，沒(méi)有光照時(shí)，由于PN結(jié)反偏，所以光敏二極管截止，反向電流很小。當(dāng)光照射二極管的PN結(jié)時(shí)，PN結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，并在外電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)的共同作用下，漂移越過(guò)PN結(jié)，產(chǎn)生光電流。此時(shí)，光電流與光照度成正比，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。由三層半導(dǎo)體元件組成，形成兩個(gè)PN結(jié)。與普通三極管不同，通常只有兩根電極引線。原理：光線通過(guò)透明窗口照在集電結(jié)上時(shí)，使集電結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)正偏。集電結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。電子受集電結(jié)電場(chǎng)吸引流向集電區(qū)，基區(qū)留下空穴。由于空穴帶正電，則基區(qū)電位升高，使電子從發(fā)射區(qū)流向基區(qū)。又由于基區(qū)很薄，只有一小部分從發(fā)射區(qū)來(lái)的電子與基區(qū)的空穴結(jié)合，大部分電子越過(guò)基區(qū)流向集電區(qū)。光敏三極管放大了光電流，其靈敏度比光敏二極管高出許多。光敏三極管一種自發(fā)電式的光電元件，為有源器件。種類有硒、氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘、鍺、硅、砷化鎵等，其中硅光電池的應(yīng)用最多。硅光電池在一塊N型硅片上用擴(kuò)散方法摻入一薄層P型雜質(zhì)，形成一個(gè)大面積的PN結(jié)。光電池入射光照在P型層上，穿透到PN結(jié)，在PN結(jié)附近激發(fā)電子空穴對(duì)，使其濃度由表及里逐漸下降。在PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下，擴(kuò)散到PN結(jié)附近電子空穴對(duì)分離，電子被拉到N型區(qū)，空穴留在P型區(qū)，使N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電，兩者之間形成電位差。若光照連續(xù)，PN結(jié)兩側(cè)就有穩(wěn)定電動(dòng)勢(shì)輸出。P型區(qū)的多子是空穴，而N型區(qū)的多子是電子。當(dāng)P型區(qū)與N型區(qū)接合時(shí)，雙方多子分別向各自濃度低的一方自由擴(kuò)散，使空穴和電子分別集結(jié)在PN結(jié)的N型和P型一邊，在PN結(jié)附近形成電場(chǎng)阻止空穴、電子進(jìn)一步擴(kuò)散。光通量的計(jì)算設(shè)光源為一點(diǎn)光源，則光通量是均勻地向所有方向輻射。對(duì)于單色光源波長(zhǎng)為的輻射光通量