第七章光电传感器

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1、第七章第七章 光电传感器光电传感器本次课主要讲述内容：本次课主要讲述内容：1、光电传感器原理及类型、光电传感器原理及类型2、光电效应光电效应3、主要光电器件及其特点、主要光电器件及其特点一、光电传感器的原理及类型一、光电传感器的原理及类型1 1、原理、原理 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件，原理如下图。的器件，原理如下图。2、光电传感器的分类、光电传感器的分类 按光电元件输出量性质可分二类，即按光电元件输出量性质可分二类，即模拟式模拟式光电传光电传感器和感器和脉冲脉冲(

2、开关开关)式式光电传感器。光电传感器。 模拟式光电传感器模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。电流，它与被测量间呈单值关系。 模拟式光电传感器按被测量模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体检测目标物体)方法可方法可分为：分为：透射透射(吸收吸收)式式、 漫反射式漫反射式、 遮光式遮光式(光束阻档光束阻档)三大类。三大类。一、光电传感器的原理及类型一、光电传感器的原理及类型 （1）透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出）透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光的光能量穿过被测物，部份

3、被吸收后，透射光投射到光电元件上，因此又称之为吸收式。电元件上，因此又称之为吸收式。2、光电传感器的分类、光电传感器的分类一、光电传感器的原理及类型一、光电传感器的原理及类型 漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上从被测物体表面反射后投射到光电元件上2、光电传感器的分类、光电传感器的分类一、光电传感器的原理及类型一、光电传感器的原理及类型 遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与部份，使投射到光电元件上的光通

4、量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。被测物体在光路位置有关。2、光电传感器的分类、光电传感器的分类一、光电传感器的原理及类型一、光电传感器的原理及类型二、光电效应二、光电效应1 1、定义：、定义： 对不同频率对不同频率的光，其光子能量的光，其光子能量E=h是不相同的，光波是不相同的，光波频率频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作是一连串能量为是一连串能量为h的光子轰击在这个物体上，此时光子能量的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一

5、个电子所吸收电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，这种物理现，这种物理现象称为光电效应象称为光电效应。2 2、光电效应的分类：、光电效应的分类： 1) 1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外外光电效应光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。增管等。 2) 2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内内光电

6、效应光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。晶体管等。 3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为为光生伏特效应光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。等。 二、光电效应二、光电效应三、主要光电器件及其特点三、主要光电器件及其特点结构原理结构原理 光电管是利用外光电效应制成的光电元件。光电管是利用外光电效应制成的光电元件。 如下图所示：半圆筒形金属片制成的阴极如下图所示：半圆筒形金属片制成的阴极K K和位于阴极轴心和位于阴极轴心的阳极

7、的阳极A A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加从而使自由电子的能量增加hh。当电子能量大于阴极材料的逸当电子能量大于阴极材料的逸出功出功A A时，它就逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子。时，它就逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子。AKIU0RLE 光电管光电管 由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。大光电流能力的

8、光电倍增管。 光电倍增管主要由光阴极光电倍增管主要由光阴极K、倍增极倍增极D和阳极和阳极A组成，组成，并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。K三、主要光电器件及其特点三、主要光电器件及其特点光电倍增管光电倍增管三、主要光电器件及其特点三、主要光电器件及其特点 当有光子入射到光阴极当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和和D1之间之间的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极的电场作用下，光电子

9、被加速后轰击第一倍增极D1，从而使从而使D1产生产生二二次电子发射次电子发射，每一个电子的轰击约可产生，每一个电子的轰击约可产生35个二次电子，这样就实个二次电子，这样就实现了电子数目的放大。现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被产生的二次电子被D2和和D1之间的电场加速之间的电场加速后轰击后轰击D2，。这样的过程一直持续到最后一级倍增极这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过每经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有813个，最后个，最后一级倍增极一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极发射的二次电子被阳极A收集。若倍增电极有收集

10、。若倍增电极有n级，各级级，各级的倍增率为的倍增率为，则光电倍增管的倍增率可以认为是则光电倍增管的倍增率可以认为是n，因此，光电倍因此，光电倍增管有极高的灵敏度。增管有极高的灵敏度。 光电倍增管光电倍增管1 1. .工作原理工作原理 光敏电阻是基于内光敏电阻是基于内光电效应的光电元件光电效应的光电元件，当内光电效应发生时，当内光电效应发生时，固体材料吸收的能量使固体材料吸收的能量使部分部分价带价带电子迁移到电子迁移到导导带带，同时在价带中留下，同时在价带中留下空穴，这样由于材料中空穴，这样由于材料中载流子个数的增加，载流子个数的增加，材料电导率增加。材料电导率增加。三、主要光电器件及其特点三、

11、主要光电器件及其特点 光敏电阻光敏电阻暗暗电流（越小越好）电流（越小越好）当光敏电阻受到光照时，当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。阻值减小。2.2.结构结构 光敏电阻是薄膜元件，光敏电阻是薄膜元件，它是由在陶瓷底衬上覆一它是由在陶瓷底衬上覆一层光电半导体材料（金属层光电半导体材料（金属硫化物硫化物、硒化物和锑化、硒化物和锑化物）。物）。 目前生产的光敏电阻目前生产的光敏电阻主要是硫化镉。主要是硫化镉。三、主要光电器件及其特点三、主要光电器件及其特点 光敏电阻光敏电阻基本原理基本原理 其结构如下图所示，只是它的其结构如下图所示，只是它的PNPN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成结装在管壳顶部，光线