第9章 光电式式传感器(精简)

光电式式传感器原理及应用

第9章 光电式传感器 章

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第9章 光电式传感器

第9章 光电式传感器 章9.1 光电器件 9.2 光纤传感器 9.3 红外传感器 9.4 超声波传感器 思考题与习题

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9.1 光电器件1.光电效应 1.光电效应 ——指物体吸收了光能后转换为该物体中 指物体吸收了光能后转换为该物体中 某些电子的能量而产生的电效应。 某些电子的能量而产生的电效应。 可分为外光电效应 内光电效应两种 外光电效应和 两种。 可分为外光电效应和内光电效应两种。 (1) 外光电效应 在光的作用下，物体内的电子(光电子) 在光的作用下，物体内的电子(光电子)逸 出物体表面向外发射的现象。 光电管、 出物体表面向外发射的现象。如光电管、光电 倍增管等 倍增管等。

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9.1 光电器件光束由光子组成， 光束由光子组成，光子是以光速运动的粒 子流，具有能量， 子流，具有能量，每个光子的能量为 E=hυ (9-1) (9式中： =6.626× s,为普朗克常数 式中：h=6.626×10-34J·s,为普朗克常数;υ为光 s,为普朗克常数; 的频率(s 的频率(s-1)。

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9.1 光电器件光照射物体时, 光照射物体时,当物体中电子吸收的入射光子 电子就会逸出物体表面, 能量超过逸出功A0时,电子就会逸出物体表面,形成 光电子发射, 光电子发射,光子能量超过逸出功的部分为逸出电 子的动能。根据能量守恒有 子的动能。

1 2 hν = mv0 + A0 2或1 2 Ek = mv0 = hν A0 2

称为爱因斯坦光电效应方程

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9.1 光电器件1 2 Ek = mv0 = hν A0 2

①光电子能否产生,取决于光电子的能量是否 光电子能否产生, 大于该物体表面电子逸出功A 大于该物体表面电子逸出功A0。 不同材料具有不同的逸出功, ②不同材料具有不同的逸出功,因此对于某种 材料而言便有一个频率限。 材料而言便有一个频率限。 当入射光的频率低于此频率限时,无论光强 多大,也不能激发电子;反之,当入射光的频率高 于此频率限时,即使光线微弱也会有光电子发射 出来。

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9.1 光电器件(2) 内光电效应 ——在光线作用下,受光照的物体的电阻率 在光线作用下, 在光线作用下 受光照的物体的电阻率 发生变化,或产生光生电动势的现象。 发生变化,或产生光生电动势的现象。 ①光电导效应 在光照时, 在光照时,半导体材料吸收了入射光子的能 量。当光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽 度时,就激发电子-空穴对,增加了载流子的浓度, 度时,就激发电子-空穴对,增加了载流子的浓度, 半导体电导率增大,该现象称为光电导效应。 半导体电导率增大,该现象称为光电导效应。如 光敏电阻、光敏二极管、光

敏晶体管等 光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等。

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9.1 光电器件(2) 内光电效应 ——在光线作用下,受光照的物体的电阻率 在光线作用下,受光照的物体的电阻率 在光线作用下 发生变化或产生光生电动势的现象。 发生变化或产生光生电动势的现象。 的现象 ②光生伏特效应 物体受光照而产生一定方向的电动势的现象, 物体受光照而产生一定方向的电动势的现象, 称为光生伏特效应。 称为光生伏特效应。 光生伏特型光电器件是自发电式, 光生伏特型光电器件是自发电式,属于有源 器件。常用的有光电池等。 器件。常用的有光电池等。

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9.1 光电器件光电器件的性能主要从①伏安特性、 光电器件的性能主要从①伏安特性、②光照特 性、③光谱特性、④温度特性和⑤频率特性来描 光谱特性、 温度特性和⑤ 述。 9.1.2 光敏电阻 光敏二极管/ 9.1.3 光敏二极管/光敏三极管 9.1.4 光电池 9.1.5 光电耦合器件

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9.1.2 光敏电阻1. 原理与结构 光敏电阻又称为光导管,由半导体材料制成, 光敏电阻又称为光导管,由半导体材料制成, 是纯电阻器件。光敏电阻不受光照时, 是纯电阻器件。光敏电阻不受光照时,电阻值很 大,电路中电流很小;受到一定波长的光照射时, 电路中电流很小;受到一定波长的光照射时, 阻值急剧减小。 阻值急剧减小。外形

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9.1.2 光敏电阻——原理与结构基本概念： 基本概念：(1)暗电阻与暗电流 (1)暗电阻与暗电流——光敏电阻在不受光照射 光敏电阻在不受光照射 暗电阻与暗电流 时的电阻,此时流过的电流称为暗电流； 时的电阻,此时流过的电流称为暗电流； (2)亮电阻与亮电流 在受光照射时的电阻, (2)亮电阻与亮电流——在受光照射时的电阻,此 亮电阻与亮电流 在受光照射时的电阻 时流过的电流称为亮电流。 时流过的电流称为亮电流。 (3)光电流 亮电流与暗电流之差称为。 (3)光电流——亮电流与暗电流之差称为。 光电流 亮电流与暗电流之差称为

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9.1.2 光敏电阻——原理与结构基本概念： 基本概念：通常,暗电阻越大越好,亮电阻越小越好, 通常,暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,也 就是说：暗电流越小,光电流越大， 就是说：暗电流越小,光电流越大，这样的光敏 电阻的灵敏度高。 电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻一般在兆欧级, 实际光敏电阻的暗电阻一般在兆欧级,亮电 阻在几千欧以下。 阻在几千欧以下。

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9.1.2 光敏电阻2.光敏电阻的基本特性 2.光敏电阻的基本特性阻值与电压、 阻值与电压、 伏安特性

——在一定的照度下,光敏电阻两 在一定的照度下, (1) 伏安特性 在一定的照度下 电流无关

端的电压与电流的关系。 不能 因为任何光 端的电压与电流的关系。硫化镉光敏电阻的伏安特 不能,因为任何光 性曲线如图。 性曲线如图。敏电阻都受额定 功率、 曲线在一定范围内呈直线。 功率、最高工作 曲线在一定范围内呈直线。 电压和额定电流 偏压一定时,光照度越大 光 光照度越大,光 的限定。 偏压一定时。 的限定 光照度越大

电流越大； 电流越大； 能无限大么？ 能无限大么？ 光照度一定时,所加电压越 光照度一定时 所加电压越 光电流越大,且没有饱和 大,光电流越大 且没有饱和 光电流越大 现象。 现象。

图9-2 硫化镉光敏电阻的伏安特性

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9.1.2 光敏电阻——基本特性光谱特性——也称光谱响应,指光敏电阻 也称光谱响应, (2) 光谱特性 也称光谱响应 的光电流与入射波长的关系。 的光电流与入射波长的关系。与光敏电阻的材 料有关。 料有关。 波长不同, 灵敏度不同。 波长不同 灵敏度不同。硫化镉光敏电阻光谱响应 的峰值在可见光区域,常用 的峰值在可见光区域 常用 于光度量的测量,如照度计 如照度计; 于光度量的测量 如照度计 根据光谱特性的不同,依据 根据光谱特性的不同 依据 检测对象的不同(λ)选择合 检测对象的不同 选择合图9-3 光敏电阻的光谱特性

理的光敏电阻。 理的光敏电阻。

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9.1.2 光敏电阻——基本特性(3) 温度特性——反映的是温度变化对光敏 反映的是温度变化对光敏电阻的光谱响应、灵敏度、暗电阻等的影响。 电阻的光谱响应、灵敏度、暗电阻等的影响。峰值随着温度的上升向 波长短的方向移动,故该 波长短的方向移动,故该 光敏电阻要在低温 低温、 光敏电阻要在低温、恒 的条件下使用。 温的条件下使用。 为了提高灵敏度或者为 了能够接收较长波段的 辐射,将元件降温使用 将元件降温使用。 辐射 将元件降温使用。

图9-4 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性

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9.1.2 光敏电阻——基本特性在一定外加电压作用下, (4) 光照特性——在一定外加电压作用下,光 在一定外加电压作用下 电流和光照强度之间的关系。 电流和光照强度之间的关系。光照特性曲线的斜率(光 光照特性曲线的斜率( 电流与入射光光通量之间 比)称为光电管的灵敏度 称为光电管的灵敏度 光敏电阻的灵敏度。 或光敏电阻的灵敏度。图9-5 硫化镉光敏电阻的光照特性曲线