傳感器光電式傳感器

第一頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日主要內(nèi)容4.1概述4.2外光電效應(yīng)4.3內(nèi)光電效應(yīng)4.4阻擋層光電效應(yīng)第四章光電式傳感器原理第二頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

光電傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。使用它測(cè)量非電量時(shí)，首先將這些非電物理量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，再由光電傳感器將光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的變化。光電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、高可靠、高精度和反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。4.1概述第三頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

1、光譜光譜（spectrum）是復(fù)色光經(jīng)過(guò)色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，被色散開的單色光按波長(zhǎng)（或頻率）大小而依次排列的圖案，全稱為光學(xué)頻譜。光波：波長(zhǎng)為10—106nm的電磁波可見光：波長(zhǎng)380—780nm紫外線：波長(zhǎng)10—380nm波長(zhǎng)300—380nm稱為近紫外線波長(zhǎng)200—300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長(zhǎng)10—200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線紅外線：波長(zhǎng)780—106nm

波長(zhǎng)3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長(zhǎng)超過(guò)3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。4.1概述第四頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

第五頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日2、光電器件（1）鎢絲白熾燈

用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的發(fā)光范圍：可見光、大量紅外線和紫外線，任何光敏元件都能和它配合接收到光信號(hào)。特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特性差，但對(duì)接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。在普通白熾燈基礎(chǔ)上制作的發(fā)光器件有溴鎢燈和碘鎢燈，其體積較小，光效高，壽命也較長(zhǎng)。4.1概述第六頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日（2）氣體放電燈定義：利用電流通過(guò)氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。低壓汞燈、氫燈、鈉燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長(zhǎng)為254nm，鈉燈的輻射波長(zhǎng)為589nm，它們經(jīng)常用作光電檢測(cè)儀器的單色光源。氣體放電燈消耗的能量?jī)H為白熾燈1/2—1/3。4.1概述第七頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日（3）發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。4.1概述第八頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日（4）激光器激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個(gè)重要特性。激光波長(zhǎng)從0.24μm到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器。4.1概述第九頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日主要內(nèi)容4.1概述4.2外光電效應(yīng)4.3內(nèi)光電效應(yīng)4.4阻擋層光電效應(yīng)第四章光電式傳感器原理第十頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

光電效應(yīng)光可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子（稱為光子）所構(gòu)成，每個(gè)光子具有的能量正比于光的頻率。用光照射某一物體時(shí)，就可以看作這物體受到一連串能量的光子所轟擊。光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。4.2外光電效應(yīng)第十一頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

外光電效應(yīng)在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。4.2外光電效應(yīng)第十二頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

根據(jù)愛(ài)因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過(guò)部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。根據(jù)能量守恒定理m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。4.2外光電效應(yīng)h—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·sf—光的頻率（s-1）第十三頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射。入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出。4.2外光電效應(yīng)第十四頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

外光電效應(yīng)器件利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。（1）光電管光陽(yáng)極光電陰極光窗光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。由一個(gè)陰極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽(yáng)極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。4.2外光電效應(yīng)第十五頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日光陽(yáng)極光電陰極光窗 當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽(yáng)極所吸引，光電管內(nèi)產(chǎn)生電子流，在外電路中產(chǎn)生電流。光電管的伏安特性： 當(dāng)光通量一定時(shí)，陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電流的關(guān)系曲線。 光電管的工作點(diǎn)應(yīng)選在光電流與陽(yáng)極電壓無(wú)關(guān)的區(qū)域內(nèi)。光電管的伏安特性4.2外光電效應(yīng)第十六頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日 B.光電管的光照特性 通常指當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。

曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性 光電流I與光通量成線性關(guān)系。 曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性 它成非線性關(guān)系。 光電管的靈敏度: 光通量的單位為“流明”。光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.514.2外光電效應(yīng)第十七頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日 C.光電管的光譜特性 光陰極對(duì)光譜有選擇性，因此，光電管對(duì)光譜有選擇性。

保持光通量和陽(yáng)極電壓不變，陽(yáng)極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。 對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，有不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。 即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會(huì)不同，即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。 對(duì)各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。4.2外光電效應(yīng)第十八頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

（2）光電倍增管 光電管缺點(diǎn)： 入射光微弱時(shí)，光電管可產(chǎn)生的光電流很小，光電流被放大，但噪聲同時(shí)被放大了，采用光電倍增管。光電倍增管由光電陰極、若干倍增極和陽(yáng)極組成。4.2外光電效應(yīng)第十九頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日倍增極上涂有光敏材料，并且電位逐級(jí)升高陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發(fā)射最終電子被陽(yáng)極接收光電陰極光電倍增極陽(yáng)極4.2外光電效應(yīng)第二十頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

主要參數(shù)倍增系數(shù)倍增系數(shù)M等于n個(gè)倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)δ的乘積。 若n個(gè)倍增電極的δ都相同 則M= M與所加電壓有關(guān)

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106255075100125極間電壓/VM4.2外光電效應(yīng)第二十一頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日 B.光電倍增管的光照特性 光照特性反應(yīng)了光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。

與直線最大偏離是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA處飽和10－1410－1010－610－2光通量/1m陽(yáng)極電流/A 對(duì)于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個(gè)關(guān)系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時(shí)，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性。4.2外光電效應(yīng)第二十二頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日主要內(nèi)容4.1概述4.2外光電效應(yīng)4.3內(nèi)光電效應(yīng)4.4阻擋層光電效應(yīng)第四章光電式傳感器原理第二十三頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

內(nèi)光電效應(yīng)：在光線的作用下能使物體電阻率發(fā)生變化。 常見的內(nèi)光電效應(yīng)器件有光敏電阻。光敏電阻

光敏電阻是用光電導(dǎo)體制成的光電器件，又稱光導(dǎo)管。

常用的制作材料：硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛。材料特性：在特定波長(zhǎng)的光照射下，其阻值迅速減小。

原因：由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。4.3內(nèi)光電效應(yīng)第二十四頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

1.光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加4.3內(nèi)光電效應(yīng)第二十五頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日第二十六頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日 光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其連線電路如圖所示。RGRLEI4.3內(nèi)光電效應(yīng)第二十七頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

2.光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1）暗電阻、亮電阻、光電流暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無(wú)光照射）后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)在給定電壓下流過(guò)的電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時(shí)流過(guò)的電流。光電流：亮電流與暗電流之差。 光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。即暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。4.3內(nèi)光電效應(yīng)第二十八頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

（2）伏安特性

在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與光電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時(shí)伏安特性。 在給定電壓下，光照度較大，光電流也越大。 在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無(wú)飽和現(xiàn)象。

5010015020012U/V02040I/μA電壓不能無(wú)限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過(guò)最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。4.3內(nèi)光電效應(yīng)第二十九頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

（3）光照特性在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。 因此它不宜作定量檢測(cè)元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。012345I/mA

L/lx100020004.3內(nèi)光電效應(yīng)第三十頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日 （4）光譜特性 光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光，其靈敏度是不同的。

硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；

硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。 在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來(lái)考慮，才能獲得滿意的效果。204060801004080120160200240λ/μm312相對(duì)靈敏度1——硫化鎘2——硒化鎘3——硫化鉛4.3內(nèi)光電效應(yīng)第三十一頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日 （5）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性

當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。 響應(yīng)時(shí)間分為上升時(shí)間和下降時(shí)間。

4.3內(nèi)光電效應(yīng)第三十二頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日（6）溫度特性溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線,它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。

硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。4.3內(nèi)光電效應(yīng)第三十三頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日主要內(nèi)容4.1概述4.2外光電效應(yīng)4.3內(nèi)光電效應(yīng)4.4阻擋層光電效應(yīng)第四章光電式傳感器原理第三十四頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

阻擋層光電效應(yīng)：在光線的作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。

常見的阻擋層光電效應(yīng)器件有光電池、光敏二極管。光電池 光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。 光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源,電路中有了這種器件就不需要外加電源。

4.4阻擋層光電效應(yīng)第三十五頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

1.光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 它是在一塊N型硅片上摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來(lái)，電路中有電流流過(guò)，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。I光(b)光電池的工作原理示意圖

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N4.4阻擋層光電效應(yīng)第三十六頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

2.光電池的基本特性

（1）光譜特性

光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度是不同的。 不同材料的光電池，光譜響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的入射光波是不同的，硅光電池為0.8um，硒光電池為0.5um。硅光電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)為0.4~1.2um，硒光的電池光譜響應(yīng)波長(zhǎng)為0.38~0.75um?？梢姽韫怆姵乜梢栽诤軐挼牟ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)應(yīng)用。4.4阻擋層光電效應(yīng)第三十七頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日（2）光照特性

開路電壓（負(fù)載電阻RL無(wú)限大時(shí)）曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為200lx時(shí)趨向飽和。

短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線。 電流源，不當(dāng)做電壓源

4.4阻擋層光電效應(yīng)第三十八頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日 （2）光照特性 短路電流，指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。 光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。

下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。 從圖中可以看出，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。

02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=04.4阻擋層光電效應(yīng)第三十九頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日

(3)頻率特性

光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。 圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光電池2——硅光電池4.4阻擋層光電效應(yīng)第四十頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日 （4）溫度特性

光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系 由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。4.4阻擋層光電效應(yīng)第四十一頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日光敏二極管1.工作原理與結(jié)構(gòu)光敏二極管的結(jié)構(gòu)與普