電氣測(cè)試技術(shù)第十章

1、第二篇第二篇 常用傳感器的原理及應(yīng)用常用傳感器的原理及應(yīng)用1.1.掌握傳感器工作原理掌握傳感器工作原理 2.2.了解傳感器的基本特性了解傳感器的基本特性3.3.了解傳感器的應(yīng)用了解傳感器的應(yīng)用 第第10章章 光電式傳感器光電式傳感器光電管和光電倍增管光電管和光電倍增管光敏電阻光敏電阻光電二極管光電二極管光電三極管光電三極管 光電式傳感器是將光量轉(zhuǎn)換為電量。光電器件的光電式傳感器是將光量轉(zhuǎn)換為電量。光電器件的物理基礎(chǔ)是物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)光電效應(yīng)。 10.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 光電效應(yīng)通常是指物體敏感到由紫外線到紅外線光電效應(yīng)通常是指物體敏感到由紫外線到紅外線的光能量，并將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)現(xiàn)象。的

2、光能量，并將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)現(xiàn)象。 1 1、外、外光電效應(yīng)光電效應(yīng) 在光線作用下，物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面向在光線作用下，物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)。 光電子逸出時(shí)所具有的初始動(dòng)能光電子逸出時(shí)所具有的初始動(dòng)能E Ek k與光的頻率有與光的頻率有關(guān)，頻率高則動(dòng)能大。關(guān)，頻率高則動(dòng)能大。AhmEk221 由于不同材料具有不同的逸出功，因此對(duì)某種材由于不同材料具有不同的逸出功，因此對(duì)某種材料而言便有一個(gè)料而言便有一個(gè)頻率限頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)出電子；反之，當(dāng)限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，也不

3、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(shí)，即使光線微弱也會(huì)入射光的頻率高于此極限頻率時(shí)，即使光線微弱也會(huì)有光電子發(fā)射出來(lái)，這個(gè)頻率限稱為有光電子發(fā)射出來(lái)，這個(gè)頻率限稱為“紅限頻率紅限頻率” ” 。 Ahck 在入射光的頻譜成分不變時(shí)，發(fā)射的光電子數(shù)在入射光的頻譜成分不變時(shí)，發(fā)射的光電子數(shù)正比于光強(qiáng)。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越正比于光強(qiáng)。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。多，逸出的電子數(shù)也就越多。 基于外光電效應(yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射型器基于外光電效應(yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射型器件，有件，有光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管等。等。2 2、內(nèi)、內(nèi)光電效應(yīng)光

4、電效應(yīng) 在光的照射下材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為在光的照射下材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)。 半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)，使空穴對(duì)，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，也稱為后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，也稱為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。 基于這種效應(yīng)的光電器件有基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻光敏電阻( (光電導(dǎo)型光電導(dǎo)型) )和反向工作的和反向工作的光敏二極管、光敏三極管光敏二極管、光敏三極管( (光電導(dǎo)結(jié)光電導(dǎo)結(jié)型型) )。 3 3、光生伏特效應(yīng)、光生伏特

5、效應(yīng) 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料P-NP-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)。光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的，屬有源器件。光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的，屬有源器件。以可見(jiàn)光作光源的以可見(jiàn)光作光源的光電池光電池是常用的光生伏特型器件。是常用的光生伏特型器件。 10.2 光電管及光電倍增管光電管及光電倍增管 1 1、光電管、光電管 光電陰極通常采用逸出功小的光電陰極通常采用逸出功小的光敏材料光敏材料( (如銫如銫Cs)Cs)。當(dāng)光線照射到光敏材料上便有電子逸出，這些電子當(dāng)光線照射到光敏材料上便有電子逸出，這些電子被具有正電位的

6、陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。光電管有光電管有真空光電真空光電管管和充氣光電管。和充氣光電管。 基本特性：基本特性： u光照特性光照特性u(píng)光譜特性光譜特性u(píng)伏安特性伏安特性u(píng)溫度特性溫度特性u(píng)頻率特性頻率特性2 2、光電倍增管、光電倍增管 光電倍增管的工作原光電倍增管的工作原理建立在光電發(fā)射和理建立在光電發(fā)射和二次發(fā)射的基礎(chǔ)上，二次發(fā)射的基礎(chǔ)上，獲得大的光電流。獲得大的光電流。 基本特性：基本特性： u光照特性光照特性u(píng)光譜特性光譜特性u(píng)伏安特性伏安特性10.3 光敏電阻光敏電阻 光敏電阻常用的

7、半光敏電阻常用的半導(dǎo)體材料有硫化鎘導(dǎo)體材料有硫化鎘( (CdS,EgCdS,Eg =2.4eV) =2.4eV)和硒化鎘和硒化鎘( (CdSeCdSe, , EgEg=1.8eV)=1.8eV)。無(wú)光線時(shí)其阻值很高；當(dāng)受到光照并且光輻射能量足夠無(wú)光線時(shí)其阻值很高；當(dāng)受到光照并且光輻射能量足夠大時(shí)，光導(dǎo)材料大時(shí)，光導(dǎo)材料禁帶禁帶中的電子受到能量大于其禁帶寬度中的電子受到能量大于其禁帶寬度EgEg 的光子激發(fā)，由的光子激發(fā)，由價(jià)帶價(jià)帶越過(guò)禁帶而躍遷到越過(guò)禁帶而躍遷到導(dǎo)帶導(dǎo)帶，使其，使其導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，電阻率變小。導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，電阻率變小。 基本特性：基本特性： u暗電流、

8、亮電流及光電流暗電流、亮電流及光電流u光照特性光照特性u(píng)光譜特性光譜特性u(píng)伏安特性伏安特性u(píng)溫度特性溫度特性u(píng)頻率特性頻率特性 光敏電阻是一種電阻元件，具有靈敏度高、體積小、光敏電阻是一種電阻元件，具有靈敏度高、體積小、重量輕、光譜響應(yīng)范圍寬、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊和振動(dòng)、重量輕、光譜響應(yīng)范圍寬、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊和振動(dòng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 10.4 光電池光電池 光電池常用的材料是光電池常用的材料是硅硅和硒，也可以使用鍺、硫化和硒，也可以使用鍺、硫化鎘、砷化鎵和氧化亞銅等鎘、砷化鎵和氧化亞銅等 。 硅光電池也稱硅太陽(yáng)能硅光電池也稱硅太陽(yáng)能電池，它是用單晶硅制電池，它是用單晶硅制成，在一

9、塊成，在一塊N N型硅片上型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些用擴(kuò)散的方法摻入一些P P型雜質(zhì)而形成一個(gè)大型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積的面積的P-NP-N結(jié)，結(jié)，P P層做得層做得很薄很薄, ,從而使光線能穿從而使光線能穿透照到透照到P-NP-N結(jié)上。結(jié)上。 基本特性：基本特性： u光照特性光照特性u(píng)光譜特性光譜特性u(píng)溫度特性溫度特性u(píng)頻率特性頻率特性 硅太陽(yáng)能電池具有輕便、簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生氣體或硅太陽(yáng)能電池具有輕便、簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生氣體或熱污染，易于適應(yīng)環(huán)境。具有光電轉(zhuǎn)換效率高、性能熱污染，易于適應(yīng)環(huán)境。具有光電轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、能耐高溫輻射等特穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、能耐高

10、溫輻射等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。 10.5 光電二極管和光電三極管光電二極管和光電三極管 光敏二極管的光敏二極管的P-NP-N結(jié)裝在管的頂部結(jié)裝在管的頂部, ,上面有一個(gè)透鏡制上面有一個(gè)透鏡制成的窗口，以便入射光集中在成的窗口，以便入射光集中在P-NP-N結(jié)；光敏二極管使用時(shí)結(jié)；光敏二極管使用時(shí)往往工作在反向偏置狀態(tài)。往往工作在反向偏置狀態(tài)。 光敏三極管的結(jié)構(gòu)與光敏二極管相似，不過(guò)它有兩個(gè)光敏三極管的結(jié)構(gòu)與光敏二極管相似，不過(guò)它有兩個(gè)P-NP-N結(jié)，大多數(shù)光敏三極管的基極無(wú)引出線，僅有集電極結(jié)，大多數(shù)光敏三極管的基極無(wú)引出線，僅有集電極和發(fā)射極兩端引線；具有電流放大作用，電流靈敏度高和發(fā)

11、射極兩端引線；具有電流放大作用，電流靈敏度高光電二極管和三極管的電路連接圖光電二極管和三極管的電路連接圖 基本特性：基本特性： u光照特性光照特性u(píng)光譜特性光譜特性u(píng)伏安特性伏安特性u(píng)溫度特性溫度特性u(píng)頻率特性頻率特性10.6 光電式傳感器及其應(yīng)用光電式傳感器及其應(yīng)用 光電式傳感器具有非接觸、高精度、高分辨率、光電式傳感器具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。 可以用來(lái)檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光可以用來(lái)檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成份分析等，也可以用強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成份分析等，也可以用

12、來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。 按其輸出量的性質(zhì)可分為按其輸出量的性質(zhì)可分為模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器和和脈脈沖光電傳感器沖光電傳感器。 模擬式光電傳感器：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的光電流模擬式光電傳感器：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的光電流 根據(jù)被測(cè)物對(duì)光的吸收程度根據(jù)被測(cè)物對(duì)光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來(lái)測(cè)定被或?qū)ζ渥V線的選擇來(lái)測(cè)定被測(cè)參數(shù)。如測(cè)量液體、氣體測(cè)參數(shù)。如測(cè)量液

13、體、氣體的透明度、混濁度的透明度、混濁度, ,對(duì)氣體進(jìn)對(duì)氣體進(jìn)行成分分析行成分分析, ,測(cè)定液體中某種測(cè)定液體中某種物質(zhì)的含量等。物質(zhì)的含量等。 根據(jù)反射的光通量多少測(cè)定根據(jù)反射的光通量多少測(cè)定被測(cè)物表面狀態(tài)和性質(zhì)。例被測(cè)物表面狀態(tài)和性質(zhì)。例如測(cè)量零件的表面粗糙度、如測(cè)量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。表面缺陷、表面位移等。 光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物遮去其一部分遮去其一部分, ,使作用在光電使作用在光電元件上的光通量減弱元件上的光通量減弱, ,減弱的減弱的程度與被測(cè)物在光學(xué)通路中程度與被測(cè)物在光學(xué)通路中的位置有關(guān)。利用這一原理的位置有關(guān)。利用這一原理可以測(cè)量長(zhǎng)度

14、、厚度、線位可以測(cè)量長(zhǎng)度、厚度、線位移、角位移、振動(dòng)等。移、角位移、振動(dòng)等。 被測(cè)物體本身就是輻射源，被測(cè)物體本身就是輻射源，直接照射在光電元件上，也直接照射在光電元件上，也可以經(jīng)過(guò)一定的光路后作用可以經(jīng)過(guò)一定的光路后作用在光電元件上。光電高溫計(jì)、在光電元件上。光電高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、紅外偵察和紅比色高溫計(jì)、紅外偵察和紅外遙感等均屬于這一類。外遙感等均屬于這一類。脈沖光電傳感器：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為斷續(xù)變化的光電流脈沖光電傳感器：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為斷續(xù)變化的光電流 光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài), ,也就是也就是“通通”、“斷斷”的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)狀態(tài), ,所以也稱為光電元件所以也稱為光電元件的開(kāi)關(guān)運(yùn)用狀態(tài)。的開(kāi)關(guān)運(yùn)用狀態(tài)。 這類傳感器要求光電元件靈敏度高這類傳感器要求光電元件靈敏度高,