第7章 光電式與光纖傳感器

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1、感測技術講義第7章光電式傳感器光電式傳感器（PhotoelectricSensor）：以光電效應為基礎，將光信號（光量的變化）轉換為電信號（電量的變化）的一種傳感器。7.1光電效應（PhotoelectricEffect,Photoeffect）愛因斯坦光子學說：光是由一連串具有一定能量的粒子組成，其能量大小等于?！绽士顺?shù)—光的頻率（）不同頻率的光具有不同的能量，光的頻率越高，其光子能量越大。光照射到物體表面后產生光電效應，分為兩類：1.外光電效應（光電發(fā)射PhotoeletricEmission）在光線作用下，能使物體內的電子逸出物體表面的現(xiàn)象?；谕夤怆娦墓怆娖骷ü饷粼?/p>

2、：光電管、光電倍增管根據(jù)愛因斯坦光電效應方程：（能量守恒定律）A0—某物體的電子的逸出功V—電子的逸出速度。結論:（1）當光子能量，即時，才有光電子逸出物體表面，產生外光電效應。當，即（紅限頻率）時，光電子的。當時，不論光強度有多大，都不會使物體發(fā)射出光電子，不會產生外光電效應。（2）光電子的初動能取決于光的頻率，。-80-感測技術講義1.內光電效應（InnerPhotoeffect）（1）光電導效應在光線作用下，某些物體（本征半導體）內部的原子釋放電子，這些電子并不逸出物體表面，但使物體的電導率發(fā)生變化的效應被稱為光電導效應?；诠怆妼墓怆娖骷汗饷綦娮铻閷崿F(xiàn)能級的躍遷，入射光的

3、能量必須滿足即：入射光的波長必須（波長限）（2）光生伏特效應在光線作用下，物體（半導體）內部的原子釋放電子，這些電子并不逸出物體表面，但使物體產生光生電動勢的效應被稱為光生伏特效應?；诠馍匦墓怆娖骷汗怆姵?、光敏二極管、光敏三極管-80-感測技術講義7.2外光電效應的光電器件1.光電管（真空）2.光電倍增管-80-感測技術講義陽極電流I為：i—光電陰極的光電流；—各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)；n—光電倍增管極數(shù)。光電倍增管的電流放大倍數(shù)為7.3內光電效應的光電器件1.光敏電阻（光電導管Photoconductor,PhotoconductiveTube）（1）工作原理基于光電導

4、效應。無光照時，RG很大，I很??；有光照時，RG急劇減小，I迅速增大。（2）光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性①暗電阻、亮電阻、光電流暗電阻—在未受到光（某種波長）照射時的阻值稱為暗電阻，流過的電流為暗電流。亮電阻—在受到光（某種波長）照射時的阻值稱為亮電阻，流過的電流為亮電流。光電流=亮電流—暗電流暗電阻越大，亮電阻越小，則光敏電阻的性能越好。即暗電流要小，亮電流要大。一般，暗電阻>1MΩ,亮電阻<(1~10)KΩ。②光敏電阻的伏安特性③光敏電阻的光照特性光敏電阻的伏安特性光敏電阻的光照特性-80-感測技術講義④光敏電阻的光譜特性可見光區(qū)域紅外區(qū)域⑤光敏電阻的響應時間和頻率特性光電流的變化相

5、對于光的變化，存在滯后，這是光電導的“弛豫現(xiàn)象”。⑥光敏電阻的溫度特性隨著溫度的升高，它的暗電阻和靈敏度都下降。2.光電池（Photocell）在光線照射下，直接能將光能量轉變?yōu)殡妱觿莸墓怆娫妷涸矗?。應用最廣、最有發(fā)展前途的是：硅光電池、硒光電池（1）光電池的結構原理（基于光生伏特效應）（2）光電池的主要特性（P140）①光電池的光譜特性②光電池的光照特性③光電池的頻率特性④光電池的溫度特性-80-感測技術講義3.光敏二極管和光敏三極管（1）光敏二極管無光照時，光敏二極管反向電阻很大，反向飽和漏電流（暗電流）很小，處于截止狀態(tài)；受光照時，產生光電流，光的照度越大，光電流越大，光敏二

6、極管處于導通狀態(tài)。（2）光敏三極管1）工作原理①無光照時，集電極反偏，反向飽和漏電流很??；②有光照時，在PN結附近產生光生電子-空穴對，在PN結內電場作用下，做定向運動，形成光電流（相當于基極電流），輸出電流-80-感測技術講義2）基本特性（P143）①光敏三極管的光譜特性②光敏三極管的伏安特性③光敏三極管的光照特性④光敏三極管的溫度特性⑤光敏三極管的頻率特性7.4光電耦合器件光電耦合器件=發(fā)光元件+光電接收元件發(fā)光二極管光敏電阻、光敏二（三）極管1.光電耦合器實現(xiàn)電隔離，具有抗干擾性能和單向信號傳輸功能。廣泛應用于電路隔離、電平轉換、噪聲抑制、無觸點開關及固態(tài)繼電器等。2.光電開關檢測

7、有無物體。廣泛應用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置。-80-感測技術講義7.5光導纖維（光纖Opticalfiber）傳感器光纖：20世紀70年代的重要發(fā)明光纖傳感器：始于1977年光纖傳感器光纖光纖通信技術與傳統(tǒng)的以電為基礎的傳感器相比有本質的區(qū)別：1．光纖傳感器用光而不是用電來作為敏感信息的載體；2．光纖傳感器用光纖而不是用導線來作為傳遞敏感信息的媒介光纖傳感器的特點：1．電絕緣，特別適用于高壓供電系統(tǒng)及