电气测试技术第十章

1、第二篇第二篇 常用传感器的原理及应用常用传感器的原理及应用1.1.掌握传感器工作原理掌握传感器工作原理 2.2.了解传感器的基本特性了解传感器的基本特性3.3.了解传感器的应用了解传感器的应用 第第10章章 光电式传感器光电式传感器光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管光敏电阻光敏电阻光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管 光电式传感器是将光量转换为电量。光电器件的光电式传感器是将光量转换为电量。光电器件的物理基础是物理基础是光电效应光电效应。 10.1 光电效应光电效应 光电效应通常是指物体敏感到由紫外线到红外线光电效应通常是指物体敏感到由紫外线到红外线的光能量，并将光能转化成电信号现象。的

2、光能量，并将光能转化成电信号现象。 1 1、外光电效应、外光电效应 在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外发射的现象称为外光电效应外光电效应。 光电子逸出时所具有的初始动能光电子逸出时所具有的初始动能E Ek k与光的频率有与光的频率有关，频率高则动能大。关，频率高则动能大。AhmEk221 由于不同材料具有不同的逸出功，因此对某种材由于不同材料具有不同的逸出功，因此对某种材料而言便有一个料而言便有一个频率限频率限，当入射光的频率低于此频率，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当限时，不论光强多大，也不

3、能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率红限频率” ” 。 Ahck 在入射光的频谱成分不变时，发射的光电子数在入射光的频谱成分不变时，发射的光电子数正比于光强。即光强愈大，意味着入射光子数目越正比于光强。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。多，逸出的电子数也就越多。 基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有件，有光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管等。等。2 2、内光电效应、内光

4、电效应 在光的照射下材料的电阻率发生改变的现象称为在光的照射下材料的电阻率发生改变的现象称为内光电效应内光电效应。 半导体材料受到光照时会产生电子半导体材料受到光照时会产生电子- -空穴对，使空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，也称为后电阻率发生变化的现象，也称为光电导效应光电导效应。 基于这种效应的光电器件有基于这种效应的光电器件有光敏电阻光敏电阻( (光电导型光电导型) )和反向工作的和反向工作的光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管( (光电导结光电导结型型) )。 3 3、光生伏特效应、光生伏特

5、效应 半导体材料半导体材料P-NP-N结受到光照后产生一定方向的电动结受到光照后产生一定方向的电动势的现象称为势的现象称为光生伏特效应光生伏特效应。光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。以可见光作光源的以可见光作光源的光电池光电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 光电管及光电倍增管光电管及光电倍增管 1 1、光电管、光电管 光电阴极通常采用逸出功小的光电阴极通常采用逸出功小的光敏材料光敏材料( (如铯如铯Cs)Cs)。当光线照射到光敏材料上便有电子逸出，这些电子当光线照射到光敏材料上便有电子逸出，这些电子被具有正电位的

6、阳极所吸引，在光电管内形成空间被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。电子流，在外电路就产生电流。光电管有光电管有真空光电真空光电管管和充气光电管。和充气光电管。 基本特性：基本特性： u光照特性光照特性u光谱特性光谱特性u伏安特性伏安特性u温度特性温度特性u频率特性频率特性2 2、光电倍增管、光电倍增管 光电倍增管的工作原光电倍增管的工作原理建立在光电发射和理建立在光电发射和二次发射的基础上，二次发射的基础上，获得大的光电流。获得大的光电流。 基本特性：基本特性： u光照特性光照特性u光谱特性光谱特性u伏安特性伏安特性10.3 光敏电阻光敏电阻 光敏电阻常用的

7、半光敏电阻常用的半导体材料有硫化镉导体材料有硫化镉(CdS,Eg =2.4eV)(CdS,Eg =2.4eV)和硒化镉和硒化镉(CdSe, (CdSe, Eg=1.8eV)Eg=1.8eV)。无光线时其阻值很高；当受到光照并且光辐射能量足够无光线时其阻值很高；当受到光照并且光辐射能量足够大时，光导材料大时，光导材料禁带禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度中的电子受到能量大于其禁带宽度Eg Eg 的光子激发，由的光子激发，由价带价带越过禁带而跃迁到越过禁带而跃迁到导带导带，使其，使其导带的电子和价带的空穴增加，电阻率变小。导带的电子和价带的空穴增加，电阻率变小。 基本特性：基本特性： u暗电流、亮

8、电流及光电流暗电流、亮电流及光电流u光照特性光照特性u光谱特性光谱特性u伏安特性伏安特性u温度特性温度特性u频率特性频率特性 光敏电阻是一种电阻元件，具有灵敏度高、体积小、光敏电阻是一种电阻元件，具有灵敏度高、体积小、重量轻、光谱响应范围宽、机械强度高、耐冲击和振动、重量轻、光谱响应范围宽、机械强度高、耐冲击和振动、寿命长等优点。寿命长等优点。 10.4 光电池光电池 光电池常用的材料是光电池常用的材料是硅硅和硒，也可以使用锗、硫化和硒，也可以使用锗、硫化镉、砷化镓和氧化亚铜等镉、砷化镓和氧化亚铜等 。 硅光电池也称硅太阳能硅光电池也称硅太阳能电池，它是用单晶硅制电池，它是用单晶硅制成，在一块

9、成，在一块N N型硅片上型硅片上用扩散的方法掺入一些用扩散的方法掺入一些P P型杂质而形成一个大型杂质而形成一个大面积的面积的P-NP-N结，结，P P层做得层做得很薄很薄, ,从而使光线能穿从而使光线能穿透照到透照到P-NP-N结上。结上。 基本特性：基本特性： u光照特性光照特性u光谱特性光谱特性u温度特性温度特性u频率特性频率特性 硅太阳能电池具有轻便、简单，不会产生气体或硅太阳能电池具有轻便、简单，不会产生气体或热污染，易于适应环境。具有光电转换效率高、性能热污染，易于适应环境。具有光电转换效率高、性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、能耐高温辐射等特稳定、光谱范围宽、频率特性好、能耐高温

10、辐射等特点，应用广泛。点，应用广泛。 10.5 光电二极管和光电三极管光电二极管和光电三极管 光敏二极管的光敏二极管的P-NP-N结装在管的顶部结装在管的顶部, ,上面有一个透镜制上面有一个透镜制成的窗口，以便入射光集中在成的窗口，以便入射光集中在P-NP-N结；光敏二极管使用时结；光敏二极管使用时往往工作在反向偏置状态。往往工作在反向偏置状态。 光敏三极管的结构与光敏二极管相似，不过它有两个光敏三极管的结构与光敏二极管相似，不过它有两个P-NP-N结，大多数光敏三极管的基极无引出线，仅有集电极结，大多数光敏三极管的基极无引出线，仅有集电极和发射极两端引线；具有电流放大作用，电流灵敏度高和发射

11、极两端引线；具有电流放大作用，电流灵敏度高光电二极管和三极管的电路连接图光电二极管和三极管的电路连接图 基本特性：基本特性： u光照特性光照特性u光谱特性光谱特性u伏安特性伏安特性u温度特性温度特性u频率特性频率特性10.6 光电式传感器及其应用光电式传感器及其应用 光电式传感器具有非接触、高精度、高分辨率、光电式传感器具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，应用广泛。高可靠性和响应快等优点，应用广泛。 可以用来检测直接引起光量变化的非电量，如光可以用来检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成份分析等，也可以用强、光照度、辐射测温、气体成份分析等，也可以用来

12、检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。及物体的形状、工作状态的识别等。 按其输出量的性质可分为按其输出量的性质可分为模拟式光电传感器模拟式光电传感器和和脉脉冲光电传感器冲光电传感器。 模拟式光电传感器：将被测量转换为连续变化的光电流模拟式光电传感器：将被测量转换为连续变化的光电流 根据被测物对光的吸收程度根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体测参数。如测量液体

13、、气体的透明度、混浊度的透明度、混浊度, ,对气体进对气体进行成分分析行成分分析, ,测定液体中某种测定液体中某种物质的含量等。物质的含量等。 根据反射的光通量多少测定根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、如测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。 光源发出的光通量经被测物光源发出的光通量经被测物遮去其一部分遮去其一部分, ,使作用在光电使作用在光电元件上的光通量减弱元件上的光通量减弱, ,减弱的减弱的程度与被测物在光学通路中程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理的位置有关。利用这一原理可以测量长度、

14、厚度、线位可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。移、角位移、振动等。 被测物体本身就是辐射源，被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件上，也直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。外遥感等均属于这一类。脉冲光电传感器：将被测量转换为断续变化的光电流脉冲光电传感器：将被测量转换为断续变化的光电流 光电元件的输出仅有两种稳定状态光电元件的输出仅有两种稳定状态, ,也就是也就是“通通”、“断断”的开关状态的开关状态, ,所以也称为光电元件所以也称为光电元件的开关运用状态。的开关运用状态。 这类传感器要求光电元件灵敏度高这类传感器要求光电元件灵敏度高,