第四章(7) 光电传感器.ppt

1、主要内容： 4.7光电效应4.7光电老虎钳光电管、光电子倍增管、光电电阻、光电晶体管、光电池、其他光电老虎钳、电荷耦合器4.73光电传感器的应用、4.7光电传感器、4.7光电传感器、概要、光电传感器能通过测量变化的光晶体管、光电三极管、 光电倍增管、光晶体管、光电电阻、光电池、光电耦合器、光纤等，光电解老虎钳的种类很多。 在计算机、自动检测、操纵系统中的应用非常广泛。 由于4.7光电传感器、概述、4.7光电传感器、概述、能源和电力资源不足，导致电动扶梯在空载状态下的运行浪费了巨大的资金。 因此，假设如果电动扶梯能够有会儿自动检测出无负荷状态，则指示电动扶梯从全速运转减速到半速运转。 在人出入比

2、较少的场所，根据上述想法，电动扶梯检测到无负荷状态后，从全速运转逐渐减速停止运转，由此可以实现30P%左右的省电。 乘客登上电动扶梯床罩后，电动扶梯可以通过设置在床罩入口处的光电式传感器自动感知乘客的到来，并开始全速运转。电动扶梯自动启停、4.7光电式传感器、概要、4.7.1光电式传感器、4.7光电式传感器、传统受光元件利用各种光电效应，光电效应将外光电效应：通过光使电子泄漏到物体表面的现象称为外光电效应，基于化学基的内部光电效应， 光导电效果：将通过光来改变物体的电阻率的现象称为光导电效果，基于内部光电效应的光伏器件包括光敏电阻、光敏晶体管等。 光生伏特效应：用光线在物体上产生一定方向的电动

3、势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。 4.7光电式传感器、4.7.1光电效应1工作原理(1)由于外部光电效应、光线，电子从物体表面向外射出，被称为外部光电效应。 光照射物体时，电子吸收入射光子能量，每个光子具有的能量是，普朗特数() 光的频率(Hz )，波长短，频率高，能量大，在4.7光电式传感器中，如果光子能量e大于电子的逸功a，则超过的能量在电子中是否出现光电效应根据能量守恒定律、4.7光电式传感器、光导电效果：从入射光强度改变物质的导电率的物理现象称为光导电效果。 该效果几乎处于所有的高电阻半导体中，为了从价电子带向传导带激发电子，入射到光子的能量E0必须大于

4、禁带宽度Eg。 光导电效应引起的光伏器件有受光电阻。 (2)内光电效应、4.7光电式传感器、(2)内光电效应、光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结电容上产生电动势的效果。 为什么PN结电容会因光而产生伏特效应？ 不施加偏压的PN结电容处于反向偏压的PN结电容、4.7光电式传感器、不施加偏压的PN结电容，在光照射到PN结电容时，如果电子能量大于半导体禁带宽度(E0 Eg )，则电子空穴对被激励，空穴在PN结电容内的电场下向p区域移动，电子向n区域移动， p基于该效应的去老虎钳是光电池，(2)光电效应，4.7光电式传感器，反向偏压中的PN结电容：光照射不到时，如果有反向电阻大

5、、反向电流小的光，光子能量产生光电空穴对一盏茶大，由PN结电容电场形成光电流，电流方向与反向电流一致具有这种性能的脱老虎钳是光电三极管、光晶体管、(2)内光电效应、4.7光电式传感器、4.7.2光电脱老虎钳(1)光电管，当光照射到感光材料上时，光子能量e比电子的工作量a大的电子被带正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在电路电阻r上形成电流的大小因此，4.7光电传感器、4.7光电传感器、4.7.2光电老虎钳(1)光电管、光电管老虎钳的性能主要来自伏安图特性、照明特性、分光特性、系统响应时间、峰值检出率和温度特性，1 .光电管的伏安特性在一定的光照射下，向光电器件的阳极施加的电压与阳极产生的

6、电流的光电管的伏安图特性如图3所示。 是应用光电式传感器残奥仪表的主要依据。 图3a真空光电管的伏安图特性图3b充气光电管的伏安图特性，2 .光电管的光特性通常是在光电管的阳极和阴极之间施加电压时，光束和光电电流的关系为光电管的光特性。 其特性曲线如图4所示。 曲线1表示氧铯阴极光电管的光照射特性，光电流I和光通量为线性关系。 曲线2是锑铯阴极的光电管的光照射特性，是非线性的关系。 将照明特性曲线斜率(光电流和入射光光束之比)称为光电管的灵敏度。 图4的光电管的光照特性是3 .光电管的光谱特性和光阴极对光谱具有选择性，以及光电管也对光谱具有选择性。 使光通量和阴极电压保持一定，将阳极电流和光波

7、长的关系称为光电管的分光特性。 在光电阴极材料不同的光电管中，由于临界频率不同，可以在不同的光谱范围内使用。 另外，即使照射到阴极的入射光的频率比临界频率高，强度相同，根据入射光的频率，从阴极发射的光电子的数量不同，即对相同光电管的不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的分光特性。 因此，对于不同波长区域的光，应该选择不同材料的光电阴极。 4.7.2光电子老虎钳(2)光电子倍增管在光弱的情况下，从电子管所产生的电流小，多使用光电子倍增管来提高灵敏度。 例如，核设备的闪烁检测器使用光电子倍增管作为光电转换元件。 光电子倍增管利用二次电子发射效应，通过外加电场使高速电子撞击固体表面，发射出二次电子

8、，在管内放大光电电流。4.7光电式传感器、4.7.2光电老虎钳(2)光电子倍增管、4.7光电式传感器、在光电子倍增管的光阴极与阳极之间被施加多数倍增极(10个左右)、在阳极与阴极之间被施加数百千伏高压的倍增极施加电压Ud与增益g的关系，在式中为k常数n光4.7.2光电子老虎钳(2)光电子倍增管、4.7光电子式传感器，由上式可知，由于施加电压Ud的变化引起光电子倍增管的增益变化，所以向光电子倍增管供给的动作电源电压4.7.2光电子老虎钳(2)光电子倍增管、增益变化，在阴极中打出光电子阴极灵敏度和光电子倍增管的总灵敏度一个光子另一方面，一个光子在阳极上产生的平均电子数被称为光电子倍增管的总灵敏度。

9、 光电子倍增管的最大灵敏度可以达到10A/lm，极间电压越高灵敏度越高，但极间电压也不能太高，过高反而使阳极电流变得不稳定。 另外，由于光电子倍增管灵敏度高，如果照射不到强光就会破损。反映了光电子倍增管的阳极输出电流与照射到光电子阴极的光量之间的函数关系的光电子倍增管的光谱特性。 在良好管的情况下，在较宽的光束范围中，该关系是线性的，即，当入射光的量小于lm时，该关系是线性的。 光束很大，如图6所示开始出现非线性。 光电子倍增管的光特性，4.7光电式传感器，4.7.2光电解老虎钳(3)的光电阻，光电阻的工作原理是基于光导电效果的，其结构是在玻璃基底上涂上对光敏感的半导体物质，两端有梳状的金属电

10、极，然后在半导体上涂上涂膜。 光阻抗结构和符号具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高、抗冲击、抗振动、抗过载能力强、寿命长等优点。 需要外接电源的东西不够，电流一流就发热。 4.7光电式传感器、4.7.2光电老虎钳(3)光电电阻、4.7光电式传感器、光电电阻主要残奥表：暗电阻无光时的电阻暗电流没有照射时的电流明电阻、明电流接受光时的电阻值、电流光电流点灯电流和暗电流的差称为光电流。 4.7.2光电老虎钳(3)的光电阻、光电阻要求：暗电阻大(暗电流小)、亮电阻小、光电流大。 4.7光电式传感器、伏安图特性：在一定照度下，施加于受光电阻两端的电压与光电流的关系。 规定的偏置光越大

11、光电流越大规定的照度电压越大光电流越大光电电阻的伏安图特性曲线不弯曲也不饱和，但被限制为最大电功耗。 4.7.2光伏器件(3)在光照射不到光电电阻的基本特性、光电特性、4.7光电式传感器、光电特性：光电流和光强度的关系的情况下，内层电子受原子限制，当照射具有高电阻值的光时，电阻值随着光强度的增加而降低，当光电流增大的光停止时，自由电子变成正4.7.2光电老虎钳(3)的受光电阻的基本特性、4.7光电式传感器、分光特性的受光电阻灵敏度与入射波长有关，光电电阻的灵敏度与半导体掺杂的材料有关。 4.7.2光伏器件(3)光伏器件的基本特性，4.7光电传感器，4.7.2光伏器件(3)光伏器件的基本特性，光

12、伏器件的分光特性，4.7光电传感器，4.7光电传感器硫化铅光电电阻温度特性，4.7光电传感器，4.7.2光电去老虎钳(4)光电三极管和光晶体管，照片特点：响应速率快，频率响应好，灵敏度高，可靠性高，广泛应用于可见光和远红外线检测、自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。4.7光电传感器、4.7.2光电脱老虎钳(4)光电三极管和光电三重光电三极管、光电三极管结构与普通二极管相似，它们具有PN结电容，都是单向式导电的非线性元件。 为了提高转换效率大面积的受光，PN结电容面积比普通的二极管大。 硅光电三极管结构，4.7光电传感器，工作原理：光电三极管在电路中一般处于反向偏置状态，当光照射不到时，反

13、向电阻大，反向电流小的光照射到PN结电容上，由光电空穴对产生的电场形成光电流，光越强电流越大的光电流的方向与反向电流一致。4.7.2光老虎钳(4)光电三极管和光晶体管、光电三极管基本回路、4.7光敏传感器，与普通晶体管不同，光晶体管以基极集电极接合为光电三极管，集电极接合为受光接合，并加大发射极尺寸，扩大光面积。 大部分光晶体管的基极没有引线，集电接合有反向偏压。 玻璃封装上有一个小孔，用光照射基础区域。4.7.2光电老虎钳(4)光电三极管和光晶体管光晶体管、光晶体管结构、4.7光电式传感器、硅(Si )光晶体管一般是NPN结构，光照射到集电接合的基极区域上，产生电子、空穴的负载电阻RL上的输

14、出电压， 4.7.2光电脱老虎钳(4)检测光电三极管和光晶体管光晶体管、晶体管电流放大倍数、4.7光电传感器、光晶体管的分光特性硅材料的光晶体管峰值波长在0.9m附近(可见光)灵敏度最大的可见光和猩红热状物体时，一般硅管锗管的峰值波长约为1.5m (红外光) 4.7.2光电去老虎钳(4)光电三极管和光晶体管特性：光晶体管分光特性、4.7光电式传感器、分光特性硅光电三极管：入射波长900nm时，响应降低，由于波长长，光子能量比禁带宽度小，入射不产生电子空穴的波长900nm时，响应也逐渐降低，波长的短4.7.2光电老虎钳(4)光电三极管和光晶体管，4.7光电传感器，光电三极管的伏安图特性，伏安图特

15、性光电三极管：当反向偏压低时，光电流对电压变化敏感，随着反向偏压变大，光电流饱和，此时电流和、 4.7.2光电元件(4)光电三极管和光晶体管、4.7光电式传感器、光晶体管具有放大作用，伏安图特性曲线如图所示，为4.7.2光电元件(4)光电三极管和光晶体管、4.7光电式光电三极管与光晶体管、光电三极管暗电流与温度的关系、4.7光电传感器、频率响应：光晶体管的频率响应是光晶体管输出的光电流的频率变化的关系。 光敏管的频率响应与其物理结构、操作状态、负载及入射光波长等因素有关。 图中的光电三极管频率响应曲线表示当调制频率超过1000Hz时，硅光晶体管的灵敏度急剧降低。光电三极管频率响应曲线、4.7.

16、2光电脱老虎钳(4)光电三极管和光晶体管、4.7光电传感器、光电池的工作原理也是能够基于光生伏特效应直接将光能转换为电能的德老虎钳。 光起作用时为电源，广泛用于宇宙航行电源，另一个用于检测和自动控制等。 光电池的种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等。 4.7.2光电去老虎钳(5)光电单元(有源去老虎钳)、光单元符号、4.7光电式传感器、4.7.2光电去老虎钳(5)光电单元(有源去老虎钳)、4.7原理：当光照射到PN结电容的一个面上时，电子空穴对迅速扩散，通过结电场而产生与光的强度相关的电势一般能够产生0.2V0.6V的电压50mA的电流。 4.7.2光电脱老虎钳(5)光电池