《传感器技术与应用》课件第七章 光电式传感器.ppt

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7.1 光电传感器
7.1.1 光电效应
所谓光电效应是指在光的照射下一些金 属、金属氧化物或半导体材料释放电子 的现象。
光子是具有一定能量的微粒，是以光速
运动的粒子流。每一个光子都具有一定
的能量，它的能量大小E与其频率 成正
比。
E
h
hc
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7.1.1 光电效应
8
0
+20℃
6
-20℃
40
0 2
0
0
1.0 2.0 3.0 4.0
波长（μm）
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2．光敏晶体管
光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极 管、光敏晶闸管，它们的工作原理是基 于内光电效应。光敏三极管的灵敏度比 光敏二极管高，但频率特性较差，目前 广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、 光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、 光电读出装置等场合。光敏晶闸管主要 应用于光控开关电路
光电效应分为内光电效应和外光电效应。当 物体在光的作用下所释放的电子没有逸出物 体表面，而只在物体的内部运动并使物体的 电学特性发生变化的现象叫做内光电效应， 内光电效应多产生于半导体材料内。
当物体在光的作用下使物体中的电子从物体 表面逸出的现象，叫做外光电效应，外光电 效应多发生于金属或金属氧化物内。
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锑铯阴极光电管
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8 银氧铯阴极光电管
4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 光通量Ф（lm）
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7.1.2 外光电效应器件
光电管的光谱特性曲线
0.5
红光 红外线区 0.4
相对灵敏度（%）
0.3
0.2
0.1
0.2
0.4
0.6
0.8
银氧铯光电阴极
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1.0 波长(m)
0 6
0
4
0
2
0
0
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暗电阻、亮电阻与光电流。
硫化铅
硫化镉
100 1000 10000 频率（Hz）
光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电 阻，此时流过的电流称为亮电流。在没 有受到光照射时的阻值称为暗电阻，此 时流过的电流被称为暗电流。
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光敏电阻的温度特性。
灵敏度 (%)
100
流。
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7.1.2 外光电效应器件
光电倍增管的主要参数
（1)倍增系数M。
（2)光电阴极灵敏度和光电倍增管的总 灵敏度。
放大倍数
106 105 104 103
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25 50 75 100 125 150 极间电压（V）
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7.1.3 内光电效应器件
光电倍增管的主要参数
第7章 光电式传感器
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引言
光电式传感器是把被测物理量的变化先转换成 光信号的变化，然后再通过光电转换元件把光 信号变换成电信号的一种传感器。光电式传感 器的测量方法灵活多样，并且具有使用方便、 非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应 快等一系列优点，因而发展十分迅速，而且随 着激光、光栅、光导纤维、CCD等器件的相继 问世，光电传感器在检测及自动控制领域中得 到了更广泛的应用。
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7.1.2 外光电效应器件
光电倍增管
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7.1.2 外光电效应器件
光电倍增管的工作原理
基于外光电效应、二次电子发射和电子光学基础上。在光电 倍增管的各倍增电极D1、D2、D3…和阳极上，依次有逐渐增高 的正电压，即阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位 依次升高，阳极电位最高，而且相邻两极之间电压应使二次发射 系数大于1。在入射光作用下，光电阴极发射的光电子在D1电场 作用下，以高速向倍增电极D1打去，产生二次发射，于是更多的 二次发射电子又在D2电场作用下，射向第二倍增电极，激发更多 的次发射电子，如此下去，一个光电子将激发更多的二次发射电 子，如此不断倍增，最后阳极收集到的电子数将达到阴极发射电 子数的105～106倍，即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到 几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到几百万 倍。因此，在很微弱的光照下，光电倍增管也能产生很大的光电
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7.1.2 外光电效应器件
光电管
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7.1.2 外光电效应器件
光电管的伏安特性曲线
I (A) 4
0.1 lm
3
0.05 lm
2
0.02 lm
1
0
20
40
60
80
100 UA（V）
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7.1.2 外光电效应器件
光电管的光照特性
光电流 I (A)
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特点
光的波长越短，即频率越高，其光子的 能量也越大；反之，光的波长越长，其 光子的能量也就越小。不同颜色的光子 由于其光波频率不同其能量也是不同的， 绿光光子比红光光子具有更多的能量， 照射在物体上可看作是一连串具有能量
为E的粒子轰击在物体上。光子与物质间
的连接体是ຫໍສະໝຸດ Baidu子。
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100 80 60 40 20
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0
光电流 I mA
0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 光照强度 (lm)
硫化铅
硫化铊
硫化镉
1.5
3
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波长 （A）
100
8
灵敏度 S ( %)
光敏电阻的频率特性
（1）倍增系数M。
（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总 灵敏度。
放大倍数
106 105 104 103
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25 50 75 100 125 150 极间电压（V）
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1．光敏电阻
光敏电阻又称光导管，是一种均质半导 体光电元件。它具有灵敏度高、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 寿命长等特点
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（1）光敏电阻的原理和结构。
光敏电阻受到光照时，由于内光电效应，因
而其导电性能增强而电阻R0值下降，所以流
过负载电阻RL的电流
半导体
及其两端电压会发生变
电极
化。一般而言，光线越
强，电流越大。当光照
停止时，光电效应会立
玻璃底板
即消失，电阻又恢复原
值。
VCC
检流计
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光敏电阻
当光敏电阻受 到光照时， 阻值减 小。
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（2）光敏电阻的基本特性和主要 参数。
光敏电阻的伏安特性。
I(mA)
6 5 4 3 2 1
0
硫化铅 硫化铊 UV
50 100
光敏电阻的伏安特性
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光敏电阻的频率特性
光敏电阻的光谱特性 。
Sr 灵敏度 (%)