检测与转换技术：第5章电压型传感器4（光电式）

1、1第5章 电压型传感器 5.4 光电式传感器2 概 述光电效应: 基于光电效应原理工作的光电转换元件叫光电器件。 分为外光电效应、光导效应、光生伏特效应。相应地，光电器件有光电发射型、光导型、光伏型。3一、光电发射型光电器件光子能量为hf, h是普朗克常数，光子打在光电材料上，单个光子把全部能量传给光电材料中的一个自由电子，其中一部分消耗在电子逸出的逸出功A，另一部分转化为逸出电子的初动能。电子质量m，逸出物体表面初速度，按能量守恒定律：红限频率:能使光电材料产生光电子发射的照射光的最低频率。动能为0 fo= A/h 41 外光电效应在光照作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光

2、电效应。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。5光电器件光电管和光电倍增管当入射光照射到光电管阴极时，阴极发射电子，电子被阳极正电场吸引，光电管内形成电流，在负载输出电压，实现光电转换。6光电倍增管在阴极和阳极间有多个倍增极，倍增极上涂有电子轰击下能发射更多电子的材料。特点：能将微小的光电流放大，适合测量微弱的光，用于测量仪器。 光谱特性由窗口材料、阴极材料决定。72 、光导效应大多数高电阻率半导体，受光照射吸收光子能量后，产生电阻率降低而易于导电的现象。也称为内光电效应。 光导效应物理过程: 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料导电性能增强。8光导型光电

3、器件入射光能量必须大于入射光的禁带宽度，所以入射光频率须大于禁带宽度决定的红限频率。基于这种效应的光电器件有光敏电阻，光敏二极管、光敏三极管。9 光敏电阻AE电极半导体玻璃底板 光敏电阻的结构与电路连接 当光照射到有光导效应的半导体材料制成的电阻器件上时，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使电子和空穴增加，致使光敏电阻的电阻值下降。 光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、寿命长、性能稳定、应用广泛。10 把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，实现光电信号的转换。 112. 光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、

4、光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。 在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。12RE-+IPN结构与普通二极管相似，有一个对光敏感材料组成PN结，工作在反偏状态。无光照射时，反向电流很小，叫暗电流，有光照射时，PN结附近产生光生电子空穴对，在反向电压作用下参与导电，形成光电流，光电流大小与光照强度成正比。 光敏晶体管1. 光敏二极管13 光敏二极管在工作时，一般加上反向电压，处于反向工作状态。加上零偏电压时，处于光电池工作状态。光敏二极管的光照特性是线性的 (光电流) ，适合检测等方面的应用。RL 光PN142. 光敏三极管结构：集电结为光敏二极管的三

5、极管，且基极一般不接引线。有放大光电流作用。带基极引线的光敏三极管提供了基极偏置回路，在光照弱时可改善特性。15当集电极加上正电压，基极开路时，集电结处于反向偏置状态。当光线照射集电结的基区时，产生电子、空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，相当于给发射结加了正向偏压。从而使电子大量流向集电极，形成输出电流。基本工作原理：ICeECIERCcNNPb光敏三极管具有两个PN结，其基本原理与光敏二极管类似，但它在把光信号变成电信号的同时，还放大了信号电流。集电极电流为光敏二极管光电流的倍。16在使用光敏管时，不能从外观上区别是二极管还是三极管，只能由型号来判定。光

6、激发光控开关暗激发光控开关173、光生伏特效应: 光照射引起PN结两端产生电动势的现象，简称光伏效应。基于该效应的器件有光电池。 光电池的结构图下电极梳状电极SiO2抗反射膜PN硅光电池的结构如图。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结。 18 光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，产生光生电子-空穴对，在PN结内电场作用下，空穴流向P区，电子流向N区，在PN结的两端出现电动势。故光电池属于有源传感器。N若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出光生电动势。 19目前，

7、应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池的光电转换效率比硅光电池低、适于接收可见光。20光电池应用21光电池和风力供电路灯 22光电器件的基本特性一、光电特性和光照特性光电特性光电器件电极上电压一定时，光电流I与入射到器件上的光通量的关系I=f()。光通量：单位时间内所辐射的光能，单位:lm(流明)光照特性光电器件电极上电压一定时，光电流I与光电器件上的照度E的关系I=f(E) 。照度：单位面积上受到的光通量，单位:lx(勒克斯)1勒克斯=1流明/平方米23 光敏电阻光照特性多数是非线性的。不宜做光照测量元件，一般用做开关式

8、的光电转换器。0 500 1000 1500光照度/lx光电流/mA24光敏二极管光照特性反偏时，光照特性线性好，适合作检测元件。微安数量级。零偏时，相当于光电池，输出短路电流与光照度是线性关系，输出开路电压与光照度是非线性的。25(3)光敏三极管的光照特性1.02.03.02004006008001000Lx0I(A)故光敏三极管既可做线性转换元件， 也可做光控制传感器。近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。26硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰值在红外区域。故选用时要把元件和光源光谱结合起来考虑。应使元件的最大灵敏度在需要测定的光谱范围内。（可见光波长:390nm - 780nm）

9、光敏电阻的光谱特性0 500 1000 1500 2000 250020406080100硫化镉硫化铊硫化铅入射光波长/nm相对灵敏度/%二、光谱特性光电器件电极上电压一定时，光电流I或灵敏度与入射光的波长的关系，即I=f()或S=f() 。273. 光敏三极管的光谱特性 存在一个最佳灵敏度波长2040608010040080012001600入射光波长/nm锗硅相对灵敏度（%）028光电池的光谱特性 故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。硅光电池的光谱宽，从可见光到红外光，硒光电池在540nm附近。20406080100硒硅入射光波长/nm0 400 60

10、0 800 1000 1200相对灵敏度/% 光电池的光谱特性29光敏电阻的伏安特性所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。0 10 20 30 40 5050100150200250I/ AU/V 图11 光敏电阻的伏安特性 三、伏安特性在给定光通量或照度下，光电流与光电器件两端电压的关系，即I=F(U)。光敏电阻最高使用电压由光敏电阻的最大允许耗散功率决定。30各种光电元件的伏安特性31入射光调制频率/Hz相对灵敏度/%0 10 102 103 10420406080100硫化镉硫化铅图12 光敏电阻的频率特性 四、频率特性 在同样电压和同样幅值的光照度下，当入射光强度以不同正弦交

11、变频率调制时，光电器件的光电流或灵敏度随调制频率变化，他们的关系I=F1(f)或S=F2(f)称为频率特性。32光敏三极管的频率特性减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。故使用时要根据频率选择最佳的负载电阻。硅管的响应频率比锗管的好。光敏二极管的频率特性比光敏三极管好。20 406080100相对灵敏度（%）f(kHZ) 110 1000RL=1kRL=10kRL=100k33各种光电元件的频率特性34峰值随温度上升向波长短的方向移动。204060801000 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0/m相对灵敏度（%）+20 C-20 C 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性五、温度特性温度变

12、化后，电子热运动也随之变化，引起光电器件的光学、电学性质的变化。35光敏三极管的温度特性暗电流（ A)1030507002550C200400100300 500光电流（ A)103050700C 温度变化对光电流的影响较小，对暗电流的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行温度补偿。36各种光电元件的温度特性37光电式传感器的基本组成和类型光电式传感器是以光为媒介,以光电效应为基础传感器。38光电式传感器的基本类型1、透射式，测量液体、气体和固体的透明度。2、反射式，测量物体表面粗糙度等的传感器。 按被测信号转换为光电器件的入射光通量变化的形式，光电传感器可分为5类：39光电池白度计原理白度是衡量物体表面对可见光全波长辐射反射率的一个参数，用于造纸、纺织等行业。调节RP使检流计的指示为零，与电位器联动的指针指示被测物的白度。403、辐射式，用于光电高温计和炉子燃烧监测传感器。4、遮挡式，测量物体表面积、尺寸、位移。5、开关式，用于开关、计数等。41路灯自动控制原理 无光照，流过光敏二极管电流很小，A点电位低，三极管V1、V2截止，继电器无电流通过，触点K接通，路灯亮。有光照，流过光敏二极管电流增加，A点电位升高，V1、V2导通，继电器有电流通过动作，触点K断开，路灯熄灭。42错误的路灯控制电路错误原因：光敏二极管受光照时的光电流是微安