传感器PPT光电式传感器

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7.1 光电效应和光电元件

内光电效应——光生伏特效应

光电池的结构和工作原理

硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质 （如硼）形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大， 将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积 正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线 连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N 区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。 光 P N － SiO2 I P N 光
阳极
光电阴极
第一倍增极 入射光
第三倍增极
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7.1 光电效应和光电元件

外光电效应器件——光电倍增管主要参数 倍增系数M

倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。如果 n个倍增电极的δ都相同，则M = δn 阳极电流 I 与光电阴极的光电流i之间的关系为： I= i· δn 光电倍增管的电流放大倍数β为 β= I / i =δn M与所加电压有关，电压稳定性要在0.1％以内，如果有波动， 倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落，稳定性为1％ 左右。一般阳极和阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的 倍增电极的电位差为50~100V。所加电压越稳越好，这样可以减 小统计涨落，从而减小测量误差

光谱特性



当入射光的频率高于物体的红限频率后，如果光强相同， 随着入射光频率不同，阴极发射的光电子的数量也会不同， 即同一光电管对不同频率的光的灵敏度不同。 光电流与入射光的波长（或频率）之间的关系，称为光谱 特性，或频谱特性。 对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。 暗电流 频率特性
电极 引线
引线 光导电材料 光电导体 绝缘衬低
A
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7.1 光电效应和光电元件

内光电效应——光电导效应

光敏电阻
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7.1 光电效应和光电元件

内光电效应——光电导效应

光敏电阻
Cds光敏电阻的结构和符号 （a）结构 （b）电极 （c）符号 1-光导层 2-玻璃窗口 3-金属外壳 4-电极 5-陶瓷基座 6-黑色绝缘玻璃 7-电极引线
150
100
y/m
E
50
S
0 -50 0 50
扫描匹配轨迹 航位推算轨迹 道路边缘
100
x/m
(a) 用单传感器数据进行定位
(b) 多传感器数据融合结果
1
问题

某光栅的栅线密度是100线/mm，要使形成莫尔条 纹宽度为10mm，求栅线夹角是多少？
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第七章 光电式传感器


应用光电效应原理，将光信号（红外、可见及紫外 光辐射）转变成电信号的器件 当光束投射到某些物质表面时，光子将穿透其表层， 物质中的电子获得能量，或者物质的电阻值变化， 或产生电动势，从而实现光电信号转换
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7.1 光电效应和光电元件

外光电效应器件——光电倍增管光照特性

反应阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的 函数关系。对于较好的管子，在很宽的范围之内，当入 射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大， 开始出现非线性。
10－1 阳 极 10－5 电 －7 流 10 /A 10－9 10－10 10－13 10－14 10－10 10－6 10－3

I
II
7
7.1 光电效应和光电元件

外光电效应

光电元件：紫外光电管、光电倍增管等 当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
I
II
8
7.1 光电效应和光电元件

外光电效应器件——光电管


由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃 管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。 阳极常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。 有真空光电管和充气光电管两类。 当光照在阴极上时，阳极收集从阴极上逸出的电子，在 外电场作用下形成电流。

第一节 光电效应和光电元件 第二节 光电式传感器应用
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7.1 光电效应和光电元件

光电效应

光由具有一定能量的光粒子组成，每个光子的能量E正 比于光的频率v，即 E = hv = hc /λ
式中，h —普朗克常数；c —光速；λ—光波波长

光照射在物体（半导体材料）上，相当于一串具有能量 的光粒子轰击该物体，物体吸收光能后转换为该物体中 某些电子的能量，从而产生了电效应。 外光电效应、内光电效应
+
(b) 光电池的工作原理
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RL (a) 光电池的结构
7.1 光电效应和光电元件

内光电效应——光生伏特效应

光敏二极管



光敏二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光 电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别 好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一 般为几μA到几十μA。 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 管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反 向工作状态。 按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许 多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同 光 质结硅光电二极管。
IA/ μA
100 75 50 25
2 1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Φ/1m 光电管的光照特性
b. 曲线 2 为锑铯阴极光电管光 照特性曲线，成非线性关系。 c. 光照特性曲线的斜率（光电 流与入射光光通量之间比） 称为光电管的灵敏度。
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7.1 光电效应和光电元件

外光电效应器件——光电管的主要特性


把太阳能转变成电能，又称太阳电池。 目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。 硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。 硒光电池光电转换效率低(0.02％)、寿命短，适于接收可见光 (响应峰值波长0.56μm)，最适宜制造照度计。 砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太 阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因 此，它主要用于宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源。
60μlm
40μlm
20μlm
U/V
50 100 150 200
10
光通量\电压\电流\光波长
0
真空光电管的伏安特性曲线
7.1 光电效应和光电元件

外光电效应器件——光电管的主要特性

光照特性

当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与 光电流之间的关系为光电管的光照特性
a. 曲线 1 为氧铯阴极光电管的 光照特性，光电流 I 与光通 量成线性关系。

光生伏特效应（如：光电池、光敏晶体管）

在光照下，物体内部产生一定方向的电动势
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7.1 光电效应和光电元件

内光电效应——光电导效应

当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材 料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子 将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增 加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入 射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即
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7.1 光电效应和光电元件

外光电效应器件——光电倍增管主要参数

光电阴极灵敏度

一个光子在阴极上能够打出的平均电子数 一个光子在阳极上产生的平均电子数

光电倍增管总灵敏度


光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高， 灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳 极电流不稳 由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射， 否则将会损坏
光窗 光
光通量
光电阴极
阳极
I
II
连接电路
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7.1 光电效应和光电元件

外光电效应器件——光电管的主要特性

伏安特性

在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极 所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性
IA/ μA ????
12 10 8 6 4 2
120μlm 100μlm
光通量
80μlm
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7.1 光电效应和光电元件

内光电效应——光电导效应

光敏电阻材料

除硅、锗以外，还有硫化物、硒化物、碲化物等半导体材料

光敏电阻的特点




灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度 高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。 许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。 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。 灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在 玻璃壳体中。 需要外部电源，有电流时会发热。
式中，h —普朗克常数； v —光的频率； m —电子质量；v0 —电子逸出速度；A0 —电子逸出面的功

物体的光频阈值（即红限频率）决定逸出功A0的大小。 电子逸出表面时具有初始动能，则会有光电流产生。 入射光的频谱成份不变时，产生的光电效应与发光强度成 正比。
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7.1 光电效应和光电元件
一般光敏电阻使用时，应采取降温措施！
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7.1 光电效应和光电元件

内光电效应——光生伏特效应


利用PN结的单向导电性。在光照下，PN结附近吸收光子 能量，产生的自由电子浓度增加（电子——空穴对浓度 增加），在外加电场和内电场的作用下，P区电子进入N 区，N区空穴进入P区，最后通过PN结的反向电流加大， 形成了光电流。 光电池