第6章光電式傳感器（4）

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1、第6章光電式傳感器第6章??????光電式傳感器主要內(nèi)容：6.1光電效應(yīng)6.2光電器件6.3光電傳感器6.4光纖及光纖傳感器6.5激光傳感器人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)：17世紀(jì)：牛頓–微粒說(shuō)；惠更斯-波動(dòng)說(shuō)19世紀(jì)：楊氏雙縫、菲涅耳雙面鏡干涉實(shí)驗(yàn)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論20世紀(jì)：M.Planck、A.Einstein提出和發(fā)展了量子理論、光的波粒二象性第6章??????光電式傳感器概述光源：普通光源和激光光源熱光源如白熾燈冷光源如輝光、熒光、磷光等普通光源屬自發(fā)輻射，具有隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn)：多色光、發(fā)散、亮度小、相干性差激光光源屬受激輻

2、射，特點(diǎn)：?jiǎn)紊?、高定向、高亮度、高相干性?章??????光電式傳感器概述第6章??????光電式傳感器概述光電傳感器是將被測(cè)量的變化通過(guò)光信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件稱光敏器件。光敏器件種類很多，如：光電管、光敏二極管、光電倍增管、光敏三極管、光敏電阻、光電池、光電耦合器、光纖等等。在計(jì)算機(jī)、自動(dòng)檢測(cè)、控制系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。第7章??????光電式傳感器概述料位自動(dòng)控制電動(dòng)扶梯自動(dòng)啟停光電開(kāi)關(guān)6.1光電效應(yīng)第6章??????光電式傳感器傳統(tǒng)的光敏器件利用各種光電效應(yīng)，光電效應(yīng)可分

3、為：外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)第6章??????光電式傳感器6.1光電效應(yīng)6.1.1工作原理(1)外光電效應(yīng)在光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效應(yīng)。光照射物體時(shí)，電子吸收入射光子的能量，每個(gè)光子具有的能量是：——普朗克常數(shù)()——光的頻率（Hz），波長(zhǎng)短，頻率高，能量大第6章??????光電式傳感器6.1光電效應(yīng)6.1.1工作原理光子能量E大于電子的逸出功A，超出的能量產(chǎn)生光電子發(fā)射。由于不同材料具有不同的逸出功，對(duì)某種材料而言有一個(gè)頻率限。當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，也不

4、能激發(fā)出電子；反之，當(dāng)入射光的頻率高于此極限頻率時(shí)，即使光線微弱也會(huì)有光電子發(fā)射出來(lái)，這個(gè)頻率限稱為“紅限頻率”基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管等。由能量守恒定律有：第6章??????光電式傳感器在光照的作用下，受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光電導(dǎo)效應(yīng)：光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。這種效應(yīng)幾乎所有高電阻率半導(dǎo)體都有，為使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子的能量E0應(yīng)大于禁帶寬度Eg?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。6.1光電效應(yīng)6.1.1工作原理(2)內(nèi)光電效應(yīng)第6章??

5、????光電式傳感器6.1光電效應(yīng)6.1.1工作原理(2)內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PN結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。為什么PN結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？有下面兩種情況：不加偏壓的PN結(jié)處于反偏的PN結(jié)第6章光電傳感器不加偏壓的PN結(jié)當(dāng)光照射在PN結(jié)時(shí)，如果電子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度（E0＞Eg）,可激發(fā)出電子——空穴對(duì)，在PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下空穴移向P區(qū)，而電子移向N區(qū)，使P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓就是光生電動(dòng)勢(shì).基于這種效應(yīng)的器件有光電池6.1光電效應(yīng)6.1.1工作原理(2)內(nèi)光

6、電效應(yīng)第6章??????光電式傳感器處于反偏的PN結(jié)：無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小；有光照時(shí)，光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)，在PN結(jié)電場(chǎng)作用下，形成光電流，電流方向與反向電流一致，光照越大光電流越大。具有這種性能的器件有：光敏二極管、光敏晶體管.6.1光電效應(yīng)6.1.1工作原理(2)內(nèi)光電效應(yīng)第6章??????光電式傳感器6.2光電器件（1）光電管外光電效應(yīng)當(dāng)光線照射在光敏材料上時(shí)，如果光子的能量E大于電子的逸出功A（E＞A），會(huì)有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽(yáng)極吸引，在光電管內(nèi)形成電子流，電流

7、在回路電阻R上產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。因此第6章??????光電式傳感器6.2光電器件（1）光電管第6章??????光電式傳感器6.2光電器件（1）光電管第6章??????光電式傳感器6.2光電器件（1）光電管光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。如核儀器中閃爍探測(cè)器都使用的是光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件。光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。第6章??????光電式傳感器6.2光電器件（1）光電管第6章??????光電式傳感器6.2光電

8、器件（2）光敏電阻光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對(duì)光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號(hào)工作原理：由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，利用內(nèi)光電效應(yīng)而工作。光敏電阻當(dāng)光線照射時(shí)，因材料中的電子—空穴對(duì)增加，其電阻值會(huì)變小，當(dāng)光照消失時(shí)，電阻會(huì)恢復(fù)原值。光敏電阻沒(méi)有極性，