1、1第四章 光电式传感器原理与应用第 1节 光电效应和光电器件1、光电式传感器原理2、光电器件及其特性3、光电器件应用2016-10-27（周四）2授课目的掌握光电效应及其分类；掌握不同光电器件的原理与特点；了解光电式传感器的应用31.1、光电式传感器的工作原理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。辐射源 光学通路 光电元件光电式传感器原理方框图41.2、光电效应当光线照射在金属表面时 ,金属中有电子逸出的现象 ,称为光电效应。逸出的电子称为光电子。光的波粒二相性 ?一个光子的能量只能给一个电子，因此，要使一个电子从物质的表面逸出，光子的能量 E必须大于该物质表
2、面的逸出功 A0，光子能量取决于光的波长（频率）而与光强度无关。光子能量51.3、光电效应分类外光 电 效 应 ： 在光线作用下使 电子逸出物体表面 的现象。 （ 光 电 管、光 电 倍增管）内光 电 效 应 ： 在光线作用下使物体 电阻率发生变化 的现象。 （ 光敏 电 阻、光敏二极管、光敏晶体管）阻 挡层 光 电 效 应 （光生伏特效 应 ）：在光线作用下使物体产生一定方向的 电动势 的现象。（光电池 ）6第四章 光电式传感器原理与应用第 1节 光电效应和光电器件1、光电式传感器原理2、光电器件及其特性3、光电器件应用2016-10-27（周四）72.1、外光电效应当阴极受到适当波长的光线
3、照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。在光线作用下使 电子逸出物体表面 的现象光电管8光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性充气光电管 : 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高；所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体。其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差。 9光电倍增管 在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极 +若干倍增极 +阳极 倍增极上涂有 Sb-Cs或 Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射
4、； 二次电子发射系数 = 二次发射电子数入射电子数（ 1）若倍增极有 n，则倍增率为 n102.2、内光电效应在光线作用下使物体 电阻率改变 的现象当无光照时，光敏电阻值 (暗电阻 )很大，电路中电流很小； 当有光照时，光敏电阻值 (亮电阻 )急剧减少，电流迅速增加光敏电阻梳状电极图案（增大光电半导体面积，提高灵敏度）11光敏电阻的基本特性 （ 1）伏安特性 （ 2）光照特性（ 3）光谱特性（ 4）响应时间和频率特性（ 5）温度特性12（ 1）伏安特性 在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，电压越大，光电流越大，没有饱和现象；光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的。
5、在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系 13（ 2）光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系 由于光敏电阻的光照特性呈非线性，不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。 14（ 3）光谱特性 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的 不同材料，灵敏度不同；根据光源，选择合适的光敏电阻。 可见光波长 ?15可见光波长16（ 4）响应时间（频率特性）弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。通常用响应时间 t表示。 17（ 4）响应时间（频率特性）不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。 响应时间还与光照强弱有关
6、；光照越强，响应时间越短。18（ 5）温度特性 光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。 硫化镉光敏电阻的温度特性 温度系数 : 在一定光照下，温度每变化 1 ，光敏电阻阻值的平均变化率 19温度对光谱特性影响 随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 20光敏二极管结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态。 无光照，反向电流小（暗电流）； 有光照， PN结附近产生光电子、 光空穴对，反向电流增大。21光敏晶体管 与一般晶体管很相似，具有两个 PN结。把光信号转换
7、为电信号同时，又将信号电流加以 放大 。 光敏晶体管具有放大作用22光敏二极管（晶体管）的基本特性 （ 1）光 谱 特性 （ 2）伏安特性（ 3）光照特性（ 4）温度特性（ 5） 频 率响 应23（ 1）光谱特性入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降 硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。 24（ 2）伏安特性光电流：光敏晶体管比相同管型二极管大上百倍；零偏压时，二极管仍有光电流输出，晶体管无硅光敏二极管 硅光敏晶体管25（ 3）光照特性 硅光敏二极管 硅光敏晶体管光敏二极管的光照特性曲线的 线性度 较好 26（ 4）温
8、度特性（晶体管）其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。27（ 5）频率响应具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流 (或负载上的电压 )随频率的变化关系 硅管的频率响应特性比锗管好；截止频率与基区厚度成反比，基区薄，截止频率高，但灵敏度下降282.3、阻挡层光电效应光电池： 将光能转化为电能，实质就是电源太阳能电池板一个大面积的 PN结。当光照射到 PN结上时，便在 PN结的两端产生电动势 (P区为正， N区为负 ) 。PN间的开路电压，就可以测出光生电动势。29光电池的基本特性(1) 光谱特性(2) 光照特性(3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性30（ 1）光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的 硅光电池在宽范围的波长内，具有较高的灵敏度；因此，常用硅太阳能电池板。
