第6章光電式傳感器

1、現(xiàn)代檢測技術(shù)現(xiàn)代檢測技術(shù) 光電式傳感器光電式傳感器精勤求學(xué) 敦篤勵志 果毅力行 忠恕任事回顧回顧光光源源光光學(xué)學(xué)系系統(tǒng)統(tǒng)被被測測對對象象光光學(xué)學(xué)變變換換光光電電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換電電信信息息處處理理存儲存儲顯示顯示控制控制光電器件光電器件 光電管光電管 光電池光電池 光敏電阻光敏電阻 2 2，光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。的電動勢的現(xiàn)象。光電效應(yīng)光電效應(yīng):光電效應(yīng)按原理又分為以下光電效應(yīng)按原理又分為以下3種：種： 1，外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面，：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面，在回路

2、中形成電流的現(xiàn)象。在回路中形成電流的現(xiàn)象。3，內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)：又稱光電導(dǎo)效應(yīng)，：又稱光電導(dǎo)效應(yīng)， 在光照作用下，物體導(dǎo)在光照作用下，物體導(dǎo)電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象。電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象。光電式傳感器光電式傳感器 將被測物理量通過光量的變化轉(zhuǎn)換為電量變化將被測物理量通過光量的變化轉(zhuǎn)換為電量變化.光電式傳感器光電式傳感器1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)2. 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)3. 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 4. 光電傳感器的特點和應(yīng)用光電傳感器的特點和應(yīng)用 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面，：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面，形成光電流。形成光電流。頻率為頻率為的光子能

3、量為：的光子能量為：Eh光子能量被電子吸收后，能量轉(zhuǎn)化為電子逸出功光子能量被電子吸收后，能量轉(zhuǎn)化為電子逸出功A和動能，即：和動能，即：212hmvA式中：式中：h普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.62610-34Js；入射光頻率，入射光頻率，s-1；m電子質(zhì)量；電子質(zhì)量；v電子逸出速度；電子逸出速度；A物體的逸出功。物體的逸出功。一、外光電效應(yīng)一、外光電效應(yīng) 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 光電子逸出時所具有的初始動能光電子逸出時所具有的初始動能Ek與光的頻率有關(guān)，頻與光的頻率有關(guān)，頻率高則動能大。率高則動能大。a. 光電子逸出物體表面的必要條件光電子逸出物體表面的必要條件 或， 是波長， 是光速。hchAc

4、A212kEmvhA 由于不同材料具有不同的逸出功，因此對某種材料而言便有一個由于不同材料具有不同的逸出功，因此對某種材料而言便有一個頻率限頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強(qiáng)多大，也不能激，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)出電子；反之，當(dāng)入射光的頻率高于此極限頻率時，即使光線微弱發(fā)出電子；反之，當(dāng)入射光的頻率高于此極限頻率時，即使光線微弱也會有光電子發(fā)射出來，這個頻率限稱為也會有光電子發(fā)射出來，這個頻率限稱為“紅限頻率紅限頻率”。b. 產(chǎn)生光電效應(yīng)后，入射光頻率不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射產(chǎn)生光電效應(yīng)后，入射光頻率不變時，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比。因

5、為光越強(qiáng)，光子數(shù)越多，的光電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比。因為光越強(qiáng)，光子數(shù)越多，產(chǎn)生的光電子也相應(yīng)增多。產(chǎn)生的光電子也相應(yīng)增多。 c. 欲使光電子初始速度為零，需要在陽極加上反向截止電壓。欲使光電子初始速度為零，需要在陽極加上反向截止電壓。外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 光電管分類光電管分類真空光電管真空光電管 充氣光電管充氣光電管外光電效應(yīng)應(yīng)用器件外光電效應(yīng)應(yīng)用器件 光電管的基本特性光電管的基本特性 1. 光照特性光照特性 2. 光譜特性光譜特性 3. 伏安特性伏安特性 光電管的基本特性光電管的基本特性 1 2 光電管的基本特性光電管的基本特性 光電管的基本特性光電管的基本特性 光電管的基本特性光電管的基本

6、特性 光電管的基本特性光電管的基本特性 v 其他特性：其他特性： 暗電流暗電流：無光照時，光電流不為零的現(xiàn)象；：無光照時，光電流不為零的現(xiàn)象； 溫度特性溫度特性：光電管的光照特性、伏安特性等會受溫：光電管的光照特性、伏安特性等會受溫度影響；度影響； 頻率特性頻率特性：當(dāng)光強(qiáng)按照一定頻率變化時，光電流隨：當(dāng)光強(qiáng)按照一定頻率變化時，光電流隨頻率變化的關(guān)系；頻率變化的關(guān)系； 穩(wěn)定性和衰老穩(wěn)定性和衰老：短期穩(wěn)定性好；入射光越強(qiáng)衰老越：短期穩(wěn)定性好；入射光越強(qiáng)衰老越快。快。光電倍增管光電倍增管 在一個玻璃泡內(nèi)除裝有光在一個玻璃泡內(nèi)除裝有光電陰極和光電陽極外，還有若電陰極和光電陽極外，還有若干個干個光電倍

7、增極光電倍增極。倍增極上涂。倍增極上涂有在有在電子轟擊下能發(fā)射更多電電子轟擊下能發(fā)射更多電子子的材料。前一級倍增極反射的材料。前一級倍增極反射的電子恰好轟擊后一級倍增極，的電子恰好轟擊后一級倍增極，在每個倍增極間依次增大加速在每個倍增極間依次增大加速電壓。光電倍增管的靈敏度高，電壓。光電倍增管的靈敏度高，適合在微弱光下使用，但不能適合在微弱光下使用，但不能接受強(qiáng)光刺激，否則容易損壞。接受強(qiáng)光刺激，否則容易損壞。 外光電效應(yīng)應(yīng)用器件外光電效應(yīng)應(yīng)用器件 光電倍增管光電倍增管 光電倍增管的基本特性光電倍增管的基本特性1. 光照特性光照特性 2. 光譜特性光譜特性 3. 伏安特性伏安特性 光電倍增管的

8、基本特性光電倍增管的基本特性光電倍增管的基本特性光電倍增管的基本特性光電倍增管的基本特性光電倍增管的基本特性使用注意問題：使用注意問題：光照射光照射光電子空穴對光電子空穴對內(nèi)建電場作用內(nèi)建電場作用光生電子被拉向光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)區(qū)光光電動勢電動勢阻擋層阻擋層內(nèi)建電場內(nèi)建電場PN結(jié)結(jié) 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。一定方向的電動勢的現(xiàn)象。二、光生伏特效應(yīng)二、光生伏特效應(yīng) 硅光電池結(jié)構(gòu)硅光電池結(jié)構(gòu) 利用光生伏特效應(yīng)工作的光敏器件主要包括利用光生伏特效應(yīng)工作的光敏器件主要包括光電池、光敏二

9、極管和光敏三極管光電池、光敏二極管和光敏三極管。光電池光電池 光電池光電池包括硅光電池、硒光電池、砷化鎵光電池等。包括硅光電池、硒光電池、砷化鎵光電池等。光電池光電池 光電池的基本特性光電池的基本特性 1. 光照特性光照特性 2. 光譜特性光譜特性 3. 溫度特性溫度特性 4. 頻率特性頻率特性 光電池的基本特性光電池的基本特性 用光電池作為測量用光電池作為測量元件時，應(yīng)把它當(dāng)作電元件時，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用，不流源的形式來使用，不宜用作電壓源。宜用作電壓源。 光電池的基本特性光電池的基本特性 光電池的基本特性光電池的基本特性 光電池的基本特性光電池的基本特性 光電池的基本特性光電池的

10、基本特性 頻率指光強(qiáng)變化的頻率頻率指光強(qiáng)變化的頻率 光電二極管光電二極管 光電二極管光電二極管工作原理：工作原理： 無光照時，少數(shù)載流無光照時，少數(shù)載流子在反向偏壓作用下形成子在反向偏壓作用下形成微小的反向電流微小的反向電流暗電暗電流流； 受到光照時，在外加受到光照時，在外加反向電壓和內(nèi)電場作用下，反向電壓和內(nèi)電場作用下，光生電子空穴分別被拉向光生電子空穴分別被拉向N區(qū)和區(qū)和P區(qū)，反向電流大大增區(qū)，反向電流大大增加，形成加，形成光電流光電流。光電三極管光電三極管 基基 區(qū)區(qū)光電二極管、光電三極管比較光電二極管、光電三極管比較 光電二極管、光電三極管比較光電二極管、光電三極管比較 光電二極管、光

11、電三極管比較光電二極管、光電三極管比較 光敏三極管的光電流比同管型二極管的光電流大上百倍；光敏三極管的光電流比同管型二極管的光電流大上百倍；在零偏壓時，二極管仍有光電流輸出（光生伏特效應(yīng)），在零偏壓時，二極管仍有光電流輸出（光生伏特效應(yīng)），三極管則沒有。三極管則沒有。光電二極管、光電三極管比較光電二極管、光電三極管比較 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)：又稱光電導(dǎo)效應(yīng)，：又稱光電導(dǎo)效應(yīng)， 在一定波長光照作用在一定波長光照作用下，物體導(dǎo)電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)產(chǎn)生的自下，物體導(dǎo)電性能發(fā)生改變的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)產(chǎn)生的自由電子停留在物體內(nèi)部，不發(fā)生電子逸出。由電子停留在物體內(nèi)部，不發(fā)生電子逸出。內(nèi)光電效

12、應(yīng)器件：內(nèi)光電效應(yīng)器件：光敏電阻光敏電阻 光敏電阻是純電阻元件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。光敏電阻是純電阻元件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。 光敏電阻具有靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕、光譜響應(yīng)光敏電阻具有靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕、光譜響應(yīng)范圍寬、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊和振動、壽命長等優(yōu)點。制范圍寬、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊和振動、壽命長等優(yōu)點。制作光敏電阻的材料有硫化鎘、硫化鉛、硒化銦、硒化鎘、作光敏電阻的材料有硫化鎘、硫化鉛、硒化銦、硒化鎘、硒化鉛等。硒化鉛等。 特點：無極性特點：無極性三、內(nèi)光電效應(yīng)三、內(nèi)光電效應(yīng) 光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻的結(jié)構(gòu)：管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有：管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個

13、歐姆接觸電極的光電半導(dǎo)體，一般都做成薄層。為了兩個歐姆接觸電極的光電半導(dǎo)體，一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，電極一般采用梳狀圖案。獲得高的靈敏度，電極一般采用梳狀圖案。光敏電阻光敏電阻 光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性 2. 光照特性光照特性 4. 光譜特性光譜特性 3. 伏安特性伏安特性 1. 特性參數(shù)特性參數(shù)光敏電阻基本特性光敏電阻基本特性 大多數(shù)暗電阻大多數(shù)暗電阻1M100M，亮電阻，亮電阻1k。光敏電阻基本特性光敏電阻基本特性 光敏電阻基本特性光敏電阻基本特性 光敏電阻基本特性光敏電阻基本特性 響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗電磁干擾強(qiáng)，可實現(xiàn)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、抗電磁干

14、擾強(qiáng)，可實現(xiàn)非接觸測量。非接觸測量。一般由一般由光源光源、光學(xué)元件光學(xué)元件、光電變換器光電變換器三部分構(gòu)成，主要應(yīng)用：三部分構(gòu)成，主要應(yīng)用：1）由被測量控制光電變換器處于）由被測量控制光電變換器處于“通通”或或“斷斷”兩種狀態(tài)，兩種狀態(tài)，如光電式轉(zhuǎn)速表、光電計數(shù)器、光電開關(guān)等。如光電式轉(zhuǎn)速表、光電計數(shù)器、光電開關(guān)等。2）光電變換器輸出光電流是輸入光通量的函數(shù)，如光電位）光電變換器輸出光電流是輸入光通量的函數(shù)，如光電位移計、測振計、照度計等。移計、測振計、照度計等。四、光電傳感器的特點和應(yīng)用四、光電傳感器的特點和應(yīng)用 光電傳感器的特點和應(yīng)用光電傳感器的特點和應(yīng)用 光電傳感器的特點和應(yīng)用光電傳感器

15、的特點和應(yīng)用 模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器：將被測量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的光電流。：將被測量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的光電流。根據(jù)被測物對光的吸收程度或根據(jù)被測物對光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測定被測參對其譜線的選擇來測定被測參數(shù)。如測量液體、氣體的透明數(shù)。如測量液體、氣體的透明度、混濁度度、混濁度,對氣體進(jìn)行成分分對氣體進(jìn)行成分分析析,測定液體中某種物質(zhì)的含量測定液體中某種物質(zhì)的含量等。等。根據(jù)反射的光通量多少測定被根據(jù)反射的光通量多少測定被測物表面狀態(tài)和性質(zhì)。例如測測物表面狀態(tài)和性質(zhì)。例如測量零件的表面粗糙度、表面缺量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。陷、表面位移等。光電傳感器的特點和應(yīng)用光電傳感器的特點和應(yīng)用 光源發(fā)出的光通量經(jīng)被光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物遮去其一部分測物遮去其一部分,使作用在使作用在光電元件上的光通量減弱光電元件上的光通量減弱,減減弱的程度與被測物在光學(xué)通弱的程度與被測物在光學(xué)通路中的位置有關(guān)。利用這一路中的