第8章 光電式傳感器

《第8章 光電式傳感器》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、第8章光電式傳感器一.本章主要內(nèi)容8.1光電效應(yīng)8.2光電器件及其特點(diǎn)8.3光電式傳感器的類型及應(yīng)用二.教學(xué)要求及重點(diǎn)、難點(diǎn)教學(xué)要求：1、了解光電效應(yīng)和光電元件；2、理解光電器件的基本特性和主要參數(shù)。3、熟悉光電式傳感器的應(yīng)用類型重點(diǎn)、難點(diǎn)：光電元件的主要特性和特點(diǎn)概述光電式傳感器就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的一種器件，簡(jiǎn)稱光電器件。要將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)兩個(gè)步驟：一是先將非電量的變化轉(zhuǎn)化成光量的變化；二是通過(guò)光電器件的作用，將光量的變化轉(zhuǎn)化成電量的變化。這樣就實(shí)現(xiàn)了將非電量的變化轉(zhuǎn)化成電量的變化。由于光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，光電器件是有響應(yīng)速度快、可靠性較高、精

2、度高、非接觸式、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此光電式傳感器在現(xiàn)代測(cè)量與控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。8.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)就是指一束光線照射到物質(zhì)上時(shí)，物質(zhì)的電子吸收了光子的能量而發(fā)生了相應(yīng)的電效應(yīng)現(xiàn)象。產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象有：電阻率的變化、電子逸出、電動(dòng)勢(shì)的變化等。產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)叫光電材料。根據(jù)光電效應(yīng)現(xiàn)象的不同特征，可將光電效應(yīng)分為三類：1外光電效應(yīng)：在光線照射下，使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管等就是基于外光電效應(yīng)。根據(jù)愛因斯坦光子學(xué)說(shuō)，一個(gè)電子只能吸收一個(gè)光子的能量，有光子能量h:普朗克常數(shù)：入射光的頻率m：電子質(zhì)量：電子逸出表面時(shí)的初速度A：電子克服束縛而逸出物體

3、表面所做的功；l當(dāng)光子能量大于逸出功時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生外光電效應(yīng)，才會(huì)有光電子逸出。l當(dāng)光子能量小于逸出功時(shí)，則不能產(chǎn)生外光電效應(yīng)。l當(dāng)光子能量恰好等于逸出功時(shí)，光電子的初速度。此時(shí)光子相應(yīng)的單色光頻率為，有：物質(zhì)產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率，該頻率的光對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)也稱臨界波長(zhǎng)。當(dāng)入射光的頻率低于時(shí)，光子能量不足于克服逸出功A的能量，無(wú)論光強(qiáng)度多大，也不會(huì)使物質(zhì)發(fā)射光電子。反之，當(dāng)入射光的頻率高于時(shí)，光強(qiáng)再弱，該物質(zhì)也能發(fā)射光電子，只是發(fā)射的光電子數(shù)較少，對(duì)于一定的物質(zhì)逸出功A是一定的。2內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）：在光線照射下，物體的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。大多數(shù)半導(dǎo)體和絕緣材料都具有光電導(dǎo)

4、效應(yīng)，而半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)尤為顯著。如光敏電阻等基于光電導(dǎo)效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力取決于其內(nèi)部多數(shù)載流子數(shù)目，在光線照射下半導(dǎo)體中的價(jià)電子受激發(fā)變?yōu)樽杂呻娮樱虼藚⑴c導(dǎo)電的載流子數(shù)目增加，從而半導(dǎo)體的導(dǎo)電率也隨之增加。3光生伏特效應(yīng)：物體表面在光線照射下，內(nèi)部會(huì)激發(fā)出電子，而不逸出物體表面，仍留在物體內(nèi)部，并按一定方向產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。如光敏二極管、光敏三極管、光電池等。8.2光電器件及其特點(diǎn)一.光電器件根據(jù)光電效應(yīng)制作的器件稱為光電器件，也稱光敏器件。光電器件的種類很多，但其工作原理都是建立在光電效應(yīng)這一物理基礎(chǔ)上的。光電器件的種類主要有:光電管、光電倍增管、光敏電阻

5、、光敏二極管、光敏三極管、光電池、光電耦合器件。下面就介紹這些光電器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、參數(shù)、基本特性。1.光電管(外光電效應(yīng))光電管的典型結(jié)構(gòu)如圖5.34所示。由玻璃殼、兩個(gè)電極(光電陰極K和陽(yáng)極A)、引出插腳等組成。是將球形玻璃殼抽成真空，在內(nèi)半球面上涂上一層光電材料作為陰極K，球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為陽(yáng)極A。當(dāng)陰極K受到光線照射時(shí)便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽(yáng)極A吸引，朝陽(yáng)極A方向移動(dòng)，這樣就在光電管內(nèi)產(chǎn)生了電子流，從而在外電路中便產(chǎn)生了電流。2光電倍增管(外光電效應(yīng))1)光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理光電倍增管是一種常用的靈敏度很高的光探測(cè)器，顧名思義是把微弱光信號(hào)

6、轉(zhuǎn)變成電信號(hào)且進(jìn)行放大的器件，光電倍增管的典型結(jié)構(gòu)和工作原理如圖5.37所示。光電倍增管主要由玻璃殼、光陰極K、陽(yáng)極A、倍增極D、引出插腳等組成，并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進(jìn)行真空封裝。依據(jù)分裝方法，可分成端窗式和側(cè)窗式兩大類。端窗式光電倍增管的陰極通常為透射式陰極，通過(guò)管殼的端面接受入射光，如圖5.37(a)所示。側(cè)窗式陰極則是通過(guò)管殼的側(cè)面接收入射光，它的陰極通常為反射式陰極，其工作原理如圖5.37(b)所示。3.光敏電阻（光電導(dǎo)效應(yīng)）1)光敏電阻的工作原理與結(jié)構(gòu)光敏電阻是一種基于內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電器件，光敏電阻沒(méi)有極性，相當(dāng)于一個(gè)電阻器件，其工作原理如圖5.39所

7、示。在光敏電阻的兩端加直流或交流工作電壓的條件下，當(dāng)無(wú)光照射時(shí)，光敏電阻電阻率變大，從而光敏電阻值(RG)很大，在電路中電流很小；當(dāng)有光照射時(shí)，由于光敏材料吸收了光能，光敏電阻率變小，從而(RG)呈低阻狀態(tài)，在電路中電流很大。光照越強(qiáng)，阻值越小，電流越大。當(dāng)光照射停止時(shí)，RG又逐漸恢復(fù)高電阻值狀態(tài)，電路中只有微弱的電流。光敏電阻的外型與結(jié)構(gòu)如圖5.40所示。由一塊兩邊帶有金屬電極的光電半導(dǎo)體組成，電極和半導(dǎo)體之間組成歐姆接觸。由于半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，僅僅照射在光敏電阻表面層，因此光電導(dǎo)體一般