第10 章光電式傳感器

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1、第10章光電式傳感器學(xué)習(xí)要點(diǎn)：1.掌握傳感器工作原理2.了解傳感器的基本特性3.了解傳感器的應(yīng)用光電式傳感器是一種以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件，將被測(cè)量通過光量的變化轉(zhuǎn)換成電量進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。光電式傳感器一般由光源、光學(xué)元件和光電元件三部分組成。光源發(fā)射出一定通量的光線，由光電元件接收，在檢測(cè)時(shí)，被測(cè)量使光源發(fā)出的光通量發(fā)生變化，因而使接收光通量的光電元件的輸出電量也作相應(yīng)的變化，最后用電量來表示被測(cè)量的大小。光電式傳感器輸出的電量可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。一、光電效應(yīng)光電式傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)

2、可分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。外光電效應(yīng)又稱光電發(fā)射效應(yīng)，多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，基于外光電效應(yīng)原理工作的光電器件有光電管和光電倍增管。內(nèi)光電效應(yīng)又稱光電導(dǎo)效應(yīng)，多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)，基于內(nèi)光電效應(yīng)原理工作的光電器件有光敏電阻等。光生伏特效應(yīng)發(fā)生于半導(dǎo)體PN結(jié)，基于光生伏特效應(yīng)原理工作的光電器件有光電池等。二、光電管及光電倍增管1.光電管當(dāng)光電陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)發(fā)射光電子，在中央帶正電的陽極吸引下，光電子在光電管內(nèi)形成電子流，在外電路中便產(chǎn)生光電流。光電管光電特性曲線的斜率稱為光電管的（光

3、電）靈敏度。同一光電管對(duì)于不同頻率的光靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。因此，對(duì)于各種不同波長(zhǎng)區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。2.光電倍增管在入射光很微弱時(shí)，一般光電管能產(chǎn)生的光電流很小，難于檢測(cè)。在這種情況下，即使光電流能被放大，噪聲也與信號(hào)同時(shí)被放大了，為此，采用光電倍增管對(duì)電流進(jìn)行放大。光電倍增管的工作原理是基于外光電效應(yīng)。一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)稱為光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的靈敏度非常高，因此不能受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。光電倍增管的光譜特性與相同材料陰極的光電管的光譜特性相似。三

4、、光敏電阻光敏電阻是一種純電阻器件，具有很高的光電靈敏度。光敏電阻由一兩邊帶有金屬電極的光電半導(dǎo)體組成，電極與半導(dǎo)體之間呈歐姆接觸，使用時(shí)在兩電極上加直流或交流工作電壓。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏電阻的暗電阻與亮電阻之比一般在100：1至10000：1之間，取決于光敏電阻的材料。光敏電阻對(duì)于不同波長(zhǎng)的入射光其靈敏度是不相同的。因此，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)當(dāng)把元件的光譜特性與光源的類型結(jié)合起來，這樣才能獲得良好的效果。四、光電池光電池是一種將光能直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。光電池的種類很多，應(yīng)用最廣的有硅光

5、電池和硒光電池等。在以光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保證溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償。五、光電二極管和光電三極管光電二極管和光電三極管通常統(tǒng)稱為光敏晶體管，工作原理同樣是基于內(nèi)光電效應(yīng)，但是半導(dǎo)體的P-N結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過程。光敏晶體管在恒定電壓作用和恒光通量照射下，光電流與入射光的關(guān)系稱為光敏晶體管的光譜特性。光敏晶體管的光譜特性在光敏晶體管的設(shè)計(jì)應(yīng)用中有著重要意義，應(yīng)根據(jù)光譜特性選擇光敏器件和光源。光敏二極管其光照特性的線性較好，適合做檢測(cè)元件；光敏三極管在照度小時(shí)，光電流隨照度增加而較小，且在大電流時(shí)有飽和現(xiàn)象

6、，因此，光敏三極管不適于弱光和強(qiáng)光的檢測(cè)。六、光電式傳感器及其應(yīng)用光電式傳感器可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)量、氣體成分分析等；也可用于檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其它非電量，如直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度以及物體形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、響應(yīng)快、非接觸、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。習(xí)題與思考題一、選擇與填空題1.光敏晶體管的工作原理是基于效應(yīng)。A.外光電B.內(nèi)光電C.光生電動(dòng)勢(shì)2.下列傳感器中，能量控制型傳感器是和，能量轉(zhuǎn)換型傳感器是和。A.光電式

7、B.應(yīng)變片C.電容式D.壓電式3.在光電作用下，使物體的內(nèi)部產(chǎn)生定向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱效應(yīng)。A.內(nèi)光電B.外光電C.熱電D.光生伏特4.在光作用下，使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱效應(yīng)。A.內(nèi)光電B.外光電C.熱電D.光生伏特5.光電元件中常用的有、和。6.不同的光電元件對(duì)于不同波長(zhǎng)的光源，其靈敏度是。7.霍爾元件是利用半導(dǎo)體元件的特性工作的。8.光電管的原理是根據(jù)，光電池的原理是根據(jù)，光敏電阻的原理是根據(jù)。二、問答題1.半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)與光強(qiáng)和光頻率的關(guān)系是什么？2.光敏電阻、光電二極管和光電三極管是根據(jù)什么原理工作的

8、？它們的光電特性有何不同？3.什么是光電元件的光譜特性，在什么應(yīng)用情況下應(yīng)主要考慮其光譜特性？4.為什么光電池作為檢測(cè)元件時(shí)不能當(dāng)作電壓源用？5.為什么光電耦合器具有抗干擾特性？6.試設(shè)計(jì)一個(gè)利用光電開關(guān)來測(cè)量轉(zhuǎn)速的測(cè)量系統(tǒng)。習(xí)題與思考題答案一、選擇與填空題1.B；2.BC，AD；3.D；4.B；5.光敏電阻、光敏晶體管、光電池6.不同的7.磁敏（霍爾效應(yīng)）8.外光電效應(yīng)光生伏特內(nèi)光電