光电式传感器ppt课件

光
管受
电
光照
管
发射
电子
光电管阳极A通过RL与电源连接在管内形成电场。光电管的阴极K受 到适当的照射后便发射光电子，这些光电子在电场作用下被具有一 定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。电阻RL上产生的 电压降正比于空间电流，其值与照射在光电管阴极K上的光成函数关 系。如果在玻璃管内充入惰性气体(如氩、氖等)即构成充气光电管。 由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电 子，从而提高光电变换的灵敏度。
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典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。
侧窗型光电倍增管（R系列）是从玻璃壳的侧面接收入射光，端窗型光电倍增 管（CR系列）则从玻璃壳的顶部接收射光。
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光电倍增管
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二.内光电效应
在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体 的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。
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光电池外形
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光敏面
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能提供较大电流的大面积光电池外形
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光电池在动力方面的应用 太阳能赛车
太阳能硅光电池板
太阳能电动机模型
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光电池在动力方面的应用（续） 太阳能发电
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光电池在动力方面的应用（续） 光电池在人造卫星上的应用
激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性 好等优点，是很理想的光源。
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4.7.4
光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使 用，以光作为媒介传递信号的光电器件。 光电耦合器中的发光元 件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏 二极管、光敏三极管或光耦合器等。 根据其结构和用途不同，又 可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电 开关。
光敏二极管
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红外发射、接收对管外形
红外发射管
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红外接收管
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光敏二极管的反向偏置接法
在没有光照时，由于 二极管反向偏置，所以反 向电流很小，这时的电流 称为暗电流，相当于普通 二极管的反向饱和漏电流。 当光照射在二极管的PN结 （又称耗尽层）上时，在 PN结附近产生的电子-空穴 对数量也随之增加，光电 流也相应增大，光电流与 照度成正比。
当光敏电阻受到
光照时，光生电 子—空穴对增加， 阻值减小，电流增 大。
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暗电流（越小越好）
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2)光敏二极管和光敏三极管
光敏晶体管通常指光敏二极管 和光敏三极管，它们的工作原 理也是基于内光电效应，和光 敏电阻的差别仅在于光线照射 在半导体PN结上，PN结参与 了光电转换过程。将光敏二极 管的PN 结设置在透明管壳顶 部的正下方，可以直接受到光 照射。光照射到光敏二极管的 PN结时，电子-空穴对数量增 加，光电流与照度成正比。
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光敏电阻是一种光电效应半导体器件，应 用于光存在与否的感应（数字量）以及光 强度的测量（模拟量）等领域。它的体电 阻系数随照明强度的增强而减小，容许更 多的光电流流过。这种阻性特征使得它具 有很好的品质：通过调节供应电源就可以 从探测器上获得信号流，且有着很宽的范 围。
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光敏电阻演示
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4.7.2 光电式传感器的形式
工作原理：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电 转换元件变换成电信号。 分类：按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。
1. 脉冲式光电传感器(开关式） 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳
定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的 开关运用状态。这类传感器要求光电元件灵敏度高,而对光电特性 的线性要求不高。主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、电 子计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。
它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的
电子数目越多。红限波长可用下式求得：
0 hc/A
动画
c___光速;
h__普朗克常数
12一种金属都有一个__极__限____频率, 入射光的频率必须
___大__于___这个频率, 才能产生光电效应; (2) 光电子的最大初动能与 入射光的强度无关, 只随着
发光二极管 发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功
耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因 此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。 钨丝灯泡
这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对 红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用 它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。 激光
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光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。当PN结两端没 有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着内建结电场，其方向是从N 区指向P区，如图所示。当光照射到结区时，光照产生的电子－空穴对 在结电场作用下，电子推向N区，空穴推向P区；电子在N区积累和空穴 在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产 生的电动势，这一现象称为光生伏特效应。由于它可以像电池那样为 外电路提供能量，因此常称为光电池。因此光生伏特型光电器件是自 发电式的，属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特 型器件，硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。
结构原理
光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半 导体材料制成的光电器件。光敏电阻没 有极性， 纯粹是一个电阻器件，使用 时既可加直流电压，也可以加交流电压。 无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大， 电路中电流（暗电流）很小。当光敏电 阻受到一定波长范围的光照时，它的阻 值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅 速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮 电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏 度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在 兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。
光敏二极管接线图
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光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电 流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏 度。其结构如图所示。
当光敏三极管按图b)所示的电路连接时， 它的集电结反向偏置，发射结正向偏置。 无光照时仅有很小的穿透电流流过，当光 线通过透明窗口照射集电结时，和光敏二 极管的情况相似，将使流过集电结的反向 电流增大，这就造成基区中正电荷的空穴 的积累，发射区中的多数载流子(电子)将 大量注人基区，由于基区很薄，只有一小 部分从发射区注入的电子与基区的空穴复 合，而大部分电子将穿过基区流向与电源 正极相接的集电极，形成集电极电流IC。 这个过程与普通三极管的电流放大作用相 似，它使集电极电流IC是原始光电流的 (l+β)倍。这样集电极电流IC将随入射光 照度的改变而更加明显地变化。
恒定光源发出的光投射到被测物体上, 被测物体把部分光通量反射到光电元件 上,根据反射的光通量多少测定被测物 表面状态和性质。例如测量零件的表面 粗糙度、表面缺陷、表面位移等。
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被测物体位于恒定光源与光电元件之间, 光源发出的光通量经被测物遮去其一部 分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减 弱的程度与被测物在光学通路中的位置 有关。利用这一原理可以测量长度、厚 度、线位移、角位移、振动等。
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光敏二极管的结构和普通二极管相似， 只是它的PN结装在管壳顶部，光线通 过透镜制成的窗口，可以集中照射在 PN结上，光敏二极管在电路中通常处 于反向偏置状态。PN结可以光电导效 应工作，也可以光生伏特效应工作。 处于反向偏置的PN结，在无光照时具 有高阻特性，反向暗电流很小。当光 照时，结区产生电子－空穴对，在结 电场作用下，电子向N区运动，空穴 向P区运动，形成光电流，方向与反 向电流一致。光的照度愈大，光电流 愈大。由于无光照时的反偏电流很小， 一般为纳安数量级，因此光照时的反 向电流基本上与光强成正比。
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1905 年 德 国 物 理 学家爱因斯坦用光量 子学说解释了光电发 射效应，并为此而获 得1921年诺贝尔物理 学奖。
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一.外光电效应
在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外 光电效应，也叫光电发射效应。 其中，向外发射的电子称为光电 子，能产生光电效应的物质称为光电材料。
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2. 模拟式光电传感器
模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性,其光通量是 随被测量而变,光电流就成为被测量的函数,故又称为光电传感器的函 数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。
被测物体位于恒定光源与光电元件之间, 根据被测物对光的吸收程度或对其谱线 的选择来测定被测参数。如测量液体、 气体的透明度、混浊度,对气体进行成 分分析,测定液体中某种物质的含量等。
入射光频率 的增大而增大;
(3) 入射光照射到金属上时, 光电子的发射几乎是_瞬__时__的____; (4) 产生光电效应时, 光电流的强度与 入射光的强度 成正比.
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基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光 电倍增管等。光电管有真空光电管和充气光电管。
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光电
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光敏三极管
多数光敏三极管的基极没有引出 线，只有正负（c、e）两个引脚， 所以其外形与光敏二极管相似， 从外观上很难区别。
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光敏三极管外形
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2. 光生伏特效应：