光电式传感器

第9章光电式传感器2，光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。

将被测物理量通过光量的变化转换为电量变化，工作基础是光电效应。光电效应按原理又分为以下3种：1，外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，在回路中形成光电流的现象。3，内光电效应：又称光导电效应，在光照作用下，物体导电性能发生改变的现象。光电式传感器

外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，形成光电流。频率为ν的光子能量为：光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功A和动能，即：式中：h——普朗克常数，6.626×10-34J·s；

ν——入射光频率，s-1；

m——电子质量；

v——电子逸出速度；

A——物体的逸出功。一、外光电效应外光电效应

光电子逸出时所具有的初始动能Ek与光的频率有关，频率高则动能大。a.光电子逸出物体表面的必要条件

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频率限，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“红限频率”。b.在足够外加电压作用下，入射光频率不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光强成正比。因为光越强，光子数越多，产生的光电子也相应增多。c.欲使光电子初始速度为零，需要在阳极加上反向截止电压。外光电效应光电管金属底层光电管光透明光电管在真空玻璃管内装入两个电极——光电阴极与光电阳极。光电管的阴极受到适当的光线照射后发射电子，这些电子在电压作用下被阳极吸引，形成光电流。充气光电管——在玻璃管内充入氩、氖等惰性气体。当光电子被阳极吸引时会对惰性气体进行轰击，从而产生更多的自由电子，提高了光电转换灵敏度。外光电效应应用器件光电管的基本特性12光电管的基本特性光电管的基本特性光电管的基本特性光电管的基本特性

其他特性：暗电流：无光照时，光电流不为零的现象；温度特性：光电管的光照特性、伏安特性等会受温度影响；频率特性：当光强按照一定频率变化时，光电流随频率变化的关系；稳定性和衰老：短期稳定性好；入射光越强衰老越快。光电倍增管

在一个玻璃泡内除装有光电阴极和光电阳极外，还有若干个光电倍增极。倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。前一级倍增极反射的电子恰好轰击后一级倍增极，在每个倍增极间依次增大加速电压。光电倍增管的灵敏度高，适合在微弱光下使用，但不能接受强光刺激，否则容易损坏。外光电效应应用器件光电倍增管光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性

内光电效应：又称光导电效应，在一定波长光照作用下，物体导电性能发生改变的现象。内光电效应产生的自由电子停留在物体内部，不发生电子逸出。内光电效应器件：光敏电阻、由光敏电阻制作的光导管。

光敏电阻是纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻具有灵敏度高、体积小、重量轻、光谱响应范围宽、机械强度高、耐冲击和振动、寿命长等优点。制作光敏电阻的材料有硫化镉、硫化铅、硒化铟、硒化镉、硒化铅等。特点：无极性二、内光电效应

光敏电阻的结构：管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电半导体，一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，电极一般采用梳状图案。光敏电阻内光电效应器件：光敏电阻、由光敏电阻制作的光导管。光敏电阻是纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。光敏电阻的结构：管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电半导体，一般都做成薄层。2MΩ(在光强度0.当光线由光密媒质(折射率n1)射入光疏媒质(折射率n2，n1＞n2)时，若入射角大于等于临界角f＝sin－1(n2/n1)，在媒质界面上会发生全反射现象。光电二极管、光电三极管比较硫化铅光敏电阻的暗电阻为1MΩ,亮电阻为0.频率为ν的光子能量为：这类光纤传感器可以充分利用现有的性能优良的敏感元件来提高灵敏度。阻挡层——内建电场——PN结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,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。光照度指单位面积上所接受的光通量，单位勒克斯（lx），1lx=1lm/m2光电子逸出时所具有的初始动能Ek与光的频率有关，频率高则动能大。2μm，硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为6V，电流约为6μA。这类传感器要求光电元件灵敏度高,而对光电特性的线性要求不高。光敏电阻基本特性光敏电阻基本特性光敏电阻基本特性光敏电阻基本特性05001000150020002500光电子逸出时所具有的初始动能Ek与光的频率有关，频率高则动能大。光敏电阻是纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。1、光电效应能否产生，取决于光子的能量是否大于该物质表面的溢出功。光敏电阻基本特性实际中，一般要求光源的尺寸小、发光面积大、波长合适、足够亮、稳定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。目前，已研发出测量位移、速度、加速度、压力、温度、流量、电场、磁场等各种物理量的数百种光纤传感器。金属底层光电管光透明光电管在足够外加电压作用下，入射光频率不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光强成正比。一、外光电效应2MΩ(在光强度0.一、外光电效应功能型光纤传感器又称传感型光纤传感器，主要使用单模光纤，基本结构原理如图所示。一、外光电效应暗电流：无光照时，光电流不为零的现象；v——电子逸出速度；光敏电阻基本特性Xi’anJiaotongUniversity1、光电效应能否产生，取决于光子的能量是否大于该物质表面的溢出功。2、基于光生伏特效应的光电器件有光电二极管、光电三极管和光电池。3、入射光强改变物质导电率的物理现象叫光生伏特效应。4、光电池作为测量元件使用时，应利用开路电压与照度有较好线性关系的特点，可当做光电检测使用光照射——光电子空穴对——内建电场作用——光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区——光电动势阻挡层——内建电场——PN结

光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。三、光生伏特效应硅光电池结构

硅光电池因为性能稳定、光谱范围宽、转换效率高、价格低廉等优点被广泛应用，又称为太阳能电池。N型硅片上用扩散的方式掺入一些P型杂质（如硼）形成一个大面积的PN结，当入射光照射到P型表面时，光生电子在PN结电场作用下被拉向N区，光生空穴被拉向P区，从而形成光生电动势。

利用光生伏特效应工作的光敏器件主要包括光电池、光敏二极管和光敏三极管。光电池光电池包括硅光电池、硒光电池、砷化镓光电池等。光电池最广。

光照度指单位面积上所接受的光通量，单位勒克斯（lx），1lx=1lm/m2光电池的基本特性用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。光电池的基本特性光电池的基本特性光电池的基本特性光电池的基本特性

频率指光强变化的频率光电二极管光电三极管基区按其输出量的性质可分为脉冲式光电传感器和模拟式光电传感器。功能型光纤传感器中光纤是连续的，结构比较简单，但为了能够灵敏地感受外界因素的变化，往往需要用特种光纤作探头，使得制造比较困难。光电二极管、光电三极管比较这类光纤传感器可以充分利用现有的性能优良的敏感元件来提高灵敏度。V2、V3构成二级负反馈互补放大器，火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。纤芯外围的圆筒形外壳称为包层，通常也是由玻璃或塑料制成。硅光电池因为性能稳定、光谱范围宽、转换效率高、价格低廉等优点被广泛应用，又称为太阳能电池。频率为ν的光子能量为：温度特性：光电管的光照特性、伏安特性等会受温度影响；在足够外加电压作用下，入射光频率不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光强成正比。光照射——光电子空穴对——内建电场作用——光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区——光电动势1）由被测量控制光电变换器处于“通”或“断”两种状态，如光电式转速表、光电继电器、光电计数器、光电开关、目标探测等。特点：无极性将被测物理量通过光量的变化转换为电量变化，工作基础是光电效应。由于光纤具有许多新的特性，所以不仅在通信方面，在传感器等方面也获得了应用。光电二极管、光电三极管比较光电二极管、光电三极管比较光电二极管、光电三极管比较光电二极管、光电三极管比较

响应快、结构简单、可靠性高、抗电磁干扰强，可实现非接触测量。一般由光源、光学元件、光电变换器三部分构成。1）由被测量控制光电变换器处于“通”或“断”两种状态，如光电式转速表、光电继电器、光电计数器、光电开关、目标探测等。2）光电变换器输出光电流是输入光通量的函数，如光电位移计、测振计、照度计、光电探测器等。

按其输出量的性质可分为脉冲式光电传感器和模拟式光电传感器。四、光电传感器的特点和应用脉冲光电传感器：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,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。这类传感器要求光电元件灵敏度高,而对光电特性的线性要求不高。主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。光电传感器的特点和应用光电传感器的特点和应用

光电传感器的应用

1.火焰探测报警器图9-32是采用以硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路图。硫化铅光敏电阻的暗电阻为1MΩ,亮电阻为0.2MΩ(在光强度0.01W/m2下测试)，峰值响应波长为2.2μm，硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为6V，电流约为6μA。V1管集电极电阻两端并联68μF的电容，可以抑制100Hz以上的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。V2、V3构成二级负反馈互补放大器，火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不至于影响输出信号的幅度，保证火焰报警器能长期稳定的工作。图9-32火焰探测报警器电路图2.光电式浊度光纤式传感器

光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信方面的优势越来越突出，它为人类21世纪的通信基础——信息高速公路奠定了基础，为多媒体通信提供了实现的必需条件。由于光纤具有许多新的特性，所以不仅在通信方面，在传感器等方面也获得了应用。光纤式传感器

当光纤受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等条件变化时，光纤的传输特性将随之改变，且二者之间存在一定的对应关系，由此便研制出光纤传感器。20世纪70年代初研制出第一根实用光纤后，20世纪80年代已发展了60多种不同的光纤传感器。目前，已研发出测量位移、速度、加速度、压力、温度、流量、电场、磁场等各种物理量的数百种光纤传感器。光纤式传感器

光纤传感器的优点如下

(1)具有很高的灵敏度。

(2)频带宽、动态范围大。

(3)可根据实际需要做成各种形状。

(4)可以用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器，这些物理量包括声场、磁场、压力、温度、加速度、转动(陀螺)、位移、液位、流量、电流、辐射等。光纤式传感器(5)便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制。

(6)可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。

(7)结构简单、体积小、重量轻、耗能少。光纤的结构

如图所示，中心圆柱体称为纤芯，由某种玻璃或塑料制成。纤芯外围的圆筒形外壳称为包层，通常也是由玻璃或塑料制成。包层外面有涂敷层，之外是一层塑料保护外套。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，机械强度取决于塑料保护外套。光纤的传光原理

当光线由光密媒质(折射率n1)射入光疏媒质(折射率n2，n1＞n2)时，若入射角大于等于临界角f＝sin－1(n2/n1)，在媒质界面上会发生全反射现象。

光纤传感器的基本组成

光纤传感器主要包括光导纤维、光源、光探测器三个重要部件。

①光源

分为相干光源(各种激光器)和非相干光源(白炽光、发光二极管)。实际中，一般要求光源的尺寸小、发光面积大、波长合适、足够亮、稳定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。光纤传感器的基本组成

②光探测器

包括光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管、光电池等。光探测器在光纤传感器中有着十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直接影响传感器的总体性能。

光纤传感器的分类

光纤传感器一般可分为功能型和非功能型两大类。1.功能型光纤传感器

功能型光纤传感器又称传感型光纤传感器，主要使用单模光纤，基本结构原理如图所示。光纤在这类传感器中不仅是传光元件，而且利用光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化，所以它又是敏感元件。

光纤传感器的分类

在功能型光纤传感器中，由于光纤本身是敏感元件，因此改变几何尺寸和材料性质可以改善灵敏度。功能型光纤传感器中光纤是连续的，结构比较简单，但为了能够灵敏地感受外界因素的变化，往往需要用特种光纤作探头，使得制造比较困难。

光纤传感器的分类

2.非功能型光纤传感器

非功能型光纤传感器又称传光型光纤传感器。它是利用在两根光纤中间或光纤端面放置敏感元件，来感受被测量的变化，光纤仅起传光作用，如图所示。

光纤传感器的分类

这类光纤传感器可以充分利用现有的性能优良的敏感元件来提高灵敏度。为了获得较大的受光量和传输光的功率，这类传感器使用的光纤