电气检测技术49培训教材

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2、光电池应用
光电池至今主要有两大类型的应用： 1)作光伏器件使用，利用光生伏特作用直接将 太阳能转换成电能，即太阳能电池。
2)作光电转换器件应用，需光电池具有灵敏度 高、响应时间短等特性，但不要像太阳电池那样的 光电转换效率。这类光电池需要特殊的制造工艺， 主要用于光电检测和自动控制系统中。
3)对于光电池，伏安特性的线性度跟负载电阻的 大小有关，负载电阻越小，其伏安特性的线性度也 越好，当负载电阻增加时，线性度变差。
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(三) 温度特性
光电元件为半导体器件，其特性受温度的影响
很大，如图为硅光电池的温度特性曲线，可看出光
电池的开路电压随着温度
的升高而下降的速度较快，
敏元件接收，完成有关测量。可 测量温度及与温度有关的参数。
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特点
前四种测量方法，需要有作为光源的恒定的光 照，对于辐射式测量方法，被测对象自身作为辐射 光的光源。
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四、光电传感器的应用
测量机械量、热工量及成分量等。
1、光电转速测量电路
如图光电数字式转速
表工作原理图。在待测转
速轴上固定一带孔调置盘，
恒定光源2产生恒定光，透
过盘上小孔到达光敏二极管
组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，
经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该
脉冲频率的大小获得。
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在待测转速轴上固定一个涂上黑白相间条纹的 圆盘，它们具有不同反射率，转轴转动时，反光与 不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反 射信号，转换成电脉冲信号。
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倍增极数目一般为12-14级，多的30级，最后光 电阳极所能接收到的光电子为阴极发射电子的105106倍；
光电倍增管放大倍数可以达到几万倍至几十万 倍，即使很微弱的光照也可以产生很大的光电流。
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主要参数
1) 倍整系数
M(C')nCn
式中： 为C 各' 次阴极电子收集率 为总C的电子收集率
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光电传感器是一种将光能量转化成电信号的传 感器，基本结构如下图，物理基础是光电效应。
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一、光电效应及其器件
光电效应： 光照射在某些物质上，物质的电子吸收光子的
能量而释放电子的现象，称为光电效应。 被释放的电子叫光电子；能产生光电效应的物
材料具有不同的固有频率。当光子的频率 大于光
电材料的固有频率 时0 ，才可能产生外光电效应。
2)光电材料电子逸出功A为常数，光电子初始动
能取决于光子频率 ，与光强无关。对外光电效应
器件，没有阳极电压也产生光电流。为使光电流为 零，须加反向截止电压，且该截止电压应与入射光 的频率成正比。
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(三)光生伏特效应
半导体受光照射时产生电动势的现象称为光生 伏特效应。
根据光生伏特效应制成的光电器件： 1、光电池 2、光电二级管 3、光电三极管 4、光控晶闸管 5、光电耦合器
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1、光电池
工作原理如图： N型半导体上扩散一
个P区，交接处形成一个 PN结，光照射在P区，如 光子能量足够大，P区激 发电子-空穴对，向PN结扩散中，在内电场作用下， 电子迅速流向N区，空穴留在P区，P区缺电子带正 电，N区得电子带负电，形成电动势。 光电池种类：
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三、光电元件信号检测的方法
1、透射式 恒光源发出光通量为 ， 0
光源与接收装置间为待测物体， 发出光经被测物体时会被物体 吸收一部分能量，最后光敏元
件接受的光通量为，满足：
0e为被d测物体的吸收系数；
d 为被测物体的厚度
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2、反射式 恒光源的光通量 经 被0 测对象反射后损失部分
每分钟转速n与脉冲频率 f的关系如下：
n f 60 N
N为孔数或黑白条纹数目。
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光电脉冲转换电路
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电路说明
BG1为光敏三极管，光照射在BG1时，产生光电 流，R1上压降增大，BG2导通，触发由BG3和BG4
组成 的射极耦合触发器，使输出电压U0为高电位；反之 U0为低电位，在输出端获得一个脉冲系列信号。该 脉冲信号可送到计数电路进行计数。
4、光耦合器
利用发光二极 管单向导电性，在 发光二极管VD上加 正电压后，PN结内 电场降低，载流子 的扩散大与漂移运动，P区的空穴注入N区，N区的
电 子注入P区，电子与空穴相复合而产生能量，释放
的 能量以单色光的形式出现，该单色光被光敏三极管 22 接收，能量足够大时，光敏三极管V导通，使得自电动化学院
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光电三极管温度特性
暗电流随温度的升高而增加很快，这是由于热 激发的缘故，而光电流随温度的升高而增加很少， 电路中一般要对暗电流进行温度补偿，否则将会产 生输出误差。
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结论
总的来看，光电元件的特性受温度的影响比较 严重，在实际的使用中必须采取温度补偿或恒温措 施，以保证足够的精度。
图中： a、真空光电管 b、光电倍增管 c、光电阻 d、光电池 e、光电三极管
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说明
1) 真空光电管、光电倍增管和光电三极管的伏 安特性与晶体三极管的伏安特性相似，仅以入射光 的强度代替晶体三极管的基极电流而已。
2) 从光电阻的特性曲线看，有无光照伏安特性 曲线有较大区别，且在一定光照下，外加电压升高 到一定程度时，光电阻会产生“击穿”现象。
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3)入射光频谱成分不变时，光电流与光强度成 正比。
4)电子一次性吸收光子的全部能量，光电子发 射极为迅速，无需能量存储时间。
根据外光电效应的特性制成的光电元件有光电 管、光电倍增管等。
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1、光电管
真空光电管： 真空玻璃管内密封有
光电阳极A和光电阴极K， K上涂有逸出功较小的光电 发射材料。光照射在K上时， 电子从阴极表面逸出，在 外加电场的作用下，在外 电路产生光电流I，在负载 电阻RL上产生的压降为输出电压U0。
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光电阻的主要参数：
1) 暗电阻和亮电阻 一定温度下，无光照时的零功率电阻(无外加
电压)称为暗电阻；
一定温度下，受光照时的零功率电阻(无外加 电压)称为亮电阻；
光电阻的暗电阻的阻值在兆欧数量级上，而亮
电阻的阻值在千欧以下，通常，暗电阻越大，亮电
阻越小，光电阻的灵敏度越高。
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(二) 光导效应及器件
高电阻率的半导体，受光照时，吸收光子能 量，其电阻率降低的现象，被称为光导效应。
多数绝缘体和半导体都有光导效应，其中，半 导体的光导效应更为明显，根据光导效应制成的光 电元件有光电阻和光导管，以光电阻应用较广泛。
当光照射在光电阻上时，光电阻电阻值下降， 导电性能增加；光强度愈强，其阻值越小；停止光 照，光电阻的阻值就恢复到原始值。
易损坏。
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3) 暗电流
使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避 光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温 度、热辐射和其他因素的影响，即使没有光信号输 入，在加上电压后，阳极仍有电流，这种电流被称 为暗电流。
暗电流随环境温度的升高而增大。不过这种暗 电流通常可以采用补偿电路加以消除。
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2) 暗电流与亮电流
在一定的外加电压下流过暗电阻的电流称为暗
电流，相应的，流过亮电阻的电流称为亮电流。通
常亮电流较之于暗电流要大。
3)光电流
在相同的外部条件下(指外加电压)，亮电流与
暗电流之差称为光电流。
4)灵敏度
无光照时的电阻与有光照时的阻值的相对变化
量称为光电阻灵敏度。
2、光电倍增管
光电倍增管具有电流放大作用。工作原理图如图：
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光电倍增管由光电阴极、光电阳极及倍增极组 成，倍增极成为“次阴极”；
阴极发出光电子在电场加速下，打到第一倍增 极，引起第二次电子发射；
上一倍增极的光电子打到下一个倍增极上时， 激发出的光电子为原来光电子数目的3-6倍；
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充气光电管
真空管内充入少量惰性气体，构成充气光电 管。光电子在飞向阳极过程中，和惰性气体原子碰 撞使气体电离，增加光电流，光电管灵敏度增加；
不过这导致充气光电管的光电流和入射光的强 度不成比例，同时充气光电管的稳定性较真空光电 管要差，惰性大，受温度影响大，容易衰老等。