传感器原理及检测技术_第7章_光电式传感器资料
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5
7.1.2 外光电效应器件
• 光电管
6
7.1.2 外光电效应器件
• 光电管的伏安特性曲线
I (A) 4
0.1 lm
3
0.05 lm
2
0.02 lm
1
0
20
40
60
80
100 UA（V）
7
7.1.2 外光电效应器件
• 光电管的光照特性
光电流 I (A)
16
锑铯阴极光电管
12
8 银氧铯阴极光电管
光敏电阻的伏安特性：
I(mA)
6
5
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ硫化铅
4
3
硫化铊
2
1
UV
0
50
100
光敏电阻的伏安特性
17
Sr 灵敏度 (%)
光电流 I mA
光敏电阻的光谱特性
100
80
60
硫化铅
40
硫化铊
20
硫化镉
0
1.5
3
波长 （A）
光敏电阻的频率特性
0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05
19
光敏电阻的温度特性。
灵敏度 (%)
100
8
0 6
+20℃
-20℃
40
0 2
0
0
1.0 2.0 3.0 4.0
波长（μm）
20
2）光敏晶体管
• 光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶 闸管，它们的工作原理是基于内光电效应； • 光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性 较差，目前广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、 光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出 装置等场合，光敏晶闸管主要应用于光控开关电路
上可看作是一连串具有能量为E的粒子轰击在物体
上； • 光子与物质间的连接体是电子。
4
7.1.1 光电效应
• 光电效应分为内光电效应和外光电效应。当物 体在光的作用下所释放的电子没有逸出物体表 面，而只在物体的内部运动并使物体的电学特 性发生变化的现象叫做内光电效应，内光电效 应多产生于半导体材料内。 • 当物体在光的作用下使物体中的电子从物体表 面逸出的现象，叫做外光电效应，外光电效应 多发生于金属或金属氧化物内。
106 105 104 103
25 50 75 100 125 150 极间电压（V）
13
放大倍数
1）光敏电阻 • 光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光 电元件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、 体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐 振动、抗过载能力强和寿命长等特点。
14
（1）光敏电阻的原理和结构。
11
7.1.2 外光电效应器件
• 光电倍增管的主要参数
• （1）倍增系数M。
• （2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。
106 105 104 103
25 50 75 100 125 150 极间电压（V）
12
放大倍数
7.1.3 内光电效应器件
• 光电倍增管的主要参数
• （1）倍增系数M。
• （2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。
• 光敏电阻受到光照时，由于内光电效应，因而其导电
性能增强而电阻R0值下降，所以流过负载电阻RL的电 流及其两端电压会发生
半导体
变化。一般而言，光线越
电极
强，电流越大。当光照
停止时，光电效应会立
即消失，电阻又恢复原 值。
玻璃底板
VCC
检流计
15
光敏电阻实物图
当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。
16
（2）光敏电阻的基本特性和主要参数。
21
（1）光敏晶体管结构与工作原理
• ① 光敏二极管。 通常处于反向偏置状
态 。当没有光照射时， 其反向电阻很大，反向 电流很小，这种反向电 流称为暗电流。
2020/9/14
1—负极引脚 2—管芯 3—外壳 4—玻璃聚光镜 5—正极引脚 6—N型衬底 7—SiO2保护圈 8—SiO2透明保护层 9—铝引出电极 10—P型扩散层 11—PN结 12—金属引出线
2
7.1 光电传感器
• 所谓光电效应是指在光的照射下一些金属、金属氧 化物或半导体材料释放电子的现象。
• 光子是具有一定能量的微粒，是以光速运动的粒子 流。每一个光子都具有一定的能量，它的能量大小 E与其频率 成正比。
E
h
hc
3
7.1 光电传感器
• 光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大； 反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。不 同颜色的光子由于其光波频率不同其能量也是不同 的； • 绿光光子比红光光子具有更多的能量，照射在物体
4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 光通量Ф（lm）
8
7.1.2 外光电效应器件
• 光电管的光谱特性曲线
0.5 0.4
红光 红外线区
相对灵敏度（%）
0.3
0.2
0.1
0.2
0.4
0.6
0.8
银氧铯光电阴极
1.0 波长(m)
9
7.1.2 外光电效应器件
• 光电倍增管
10
7.1.2 外光电效应器件
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 光照强度 (lm)
18
光敏电阻的频率特性：
100
灵敏度 S ( %)
8 0 6 0 4 0 2 0
硫化铅 硫化镉
暗电阻、亮电阻与光电流：
0
10 100 1000 10000
频率（Hz）
光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过 的电流称为亮电流。在没有受到光照射时的阻值称为暗电 阻，此时流过的电流被称为暗电流。
第7章 光电式传感器
1
引言
• 光电式传感器是把被测物理量的变化先转换 成光信号的变化，然后再通过光电转换元件 把光信号变换成电信号的一种传感器。 • 光电式传感器的测量方法灵活多样，并且具 有使用方便、非接触、高精度、高分辨力、 高可靠性和反应快等一系列优点，因而发展 十分迅速，而且随着激光、光栅、光导纤维、 CCD等器件的相继问世，光电传感器在检测 及自动控制领域中得到了更广泛的应用。
• 光电倍增管的工作原理 基于外光电效应、二次电子发射和电子光学基础上。在光电倍
增管的各倍增电极D1、D2、D3…和阳极上，依次有逐渐增高的正电压， 即阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位依次升高，阳极 电位最高，而且相邻两极之间电压应使二次发射系数大于1。在入射光 作用下，光电阴极发射的光电子在D1电场作用下，以高速向倍增电极D1 打去，产生二次发射，于是更多的二次发射电子又在D2电场作用下， 射向第二倍增电极，激发更多的次发射电子，如此下去，一个光电子 将激发更多的二次发射电子，如此不断倍增，最后阳极收集到的电子 数将达到阴极发射电子数的105～106倍，即光电倍增管的放大倍数可达 到几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到 几百万倍。因此，在很微弱的光照下，光电倍增管也能产生很大的光 电流。
7.1.2 外光电效应器件
• 光电管
6
7.1.2 外光电效应器件
• 光电管的伏安特性曲线
I (A) 4
0.1 lm
3
0.05 lm
2
0.02 lm
1
0
20
40
60
80
100 UA（V）
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7.1.2 外光电效应器件
• 光电管的光照特性
光电流 I (A)
16
锑铯阴极光电管
12
8 银氧铯阴极光电管
光敏电阻的伏安特性：
I(mA)
6
5
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ硫化铅
4
3
硫化铊
2
1
UV
0
50
100
光敏电阻的伏安特性
17
Sr 灵敏度 (%)
光电流 I mA
光敏电阻的光谱特性
100
80
60
硫化铅
40
硫化铊
20
硫化镉
0
1.5
3
波长 （A）
光敏电阻的频率特性
0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05
19
光敏电阻的温度特性。
灵敏度 (%)
100
8
0 6
+20℃
-20℃
40
0 2
0
0
1.0 2.0 3.0 4.0
波长（μm）
20
2）光敏晶体管
• 光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶 闸管，它们的工作原理是基于内光电效应； • 光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性 较差，目前广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、 光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出 装置等场合，光敏晶闸管主要应用于光控开关电路
上可看作是一连串具有能量为E的粒子轰击在物体
上； • 光子与物质间的连接体是电子。
4
7.1.1 光电效应
• 光电效应分为内光电效应和外光电效应。当物 体在光的作用下所释放的电子没有逸出物体表 面，而只在物体的内部运动并使物体的电学特 性发生变化的现象叫做内光电效应，内光电效 应多产生于半导体材料内。 • 当物体在光的作用下使物体中的电子从物体表 面逸出的现象，叫做外光电效应，外光电效应 多发生于金属或金属氧化物内。
106 105 104 103
25 50 75 100 125 150 极间电压（V）
13
放大倍数
1）光敏电阻 • 光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光 电元件。它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、 体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐 振动、抗过载能力强和寿命长等特点。
14
（1）光敏电阻的原理和结构。
11
7.1.2 外光电效应器件
• 光电倍增管的主要参数
• （1）倍增系数M。
• （2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。
106 105 104 103
25 50 75 100 125 150 极间电压（V）
12
放大倍数
7.1.3 内光电效应器件
• 光电倍增管的主要参数
• （1）倍增系数M。
• （2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的总灵敏度。
• 光敏电阻受到光照时，由于内光电效应，因而其导电
性能增强而电阻R0值下降，所以流过负载电阻RL的电 流及其两端电压会发生
半导体
变化。一般而言，光线越
电极
强，电流越大。当光照
停止时，光电效应会立
即消失，电阻又恢复原 值。
玻璃底板
VCC
检流计
15
光敏电阻实物图
当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。
16
（2）光敏电阻的基本特性和主要参数。
21
（1）光敏晶体管结构与工作原理
• ① 光敏二极管。 通常处于反向偏置状
态 。当没有光照射时， 其反向电阻很大，反向 电流很小，这种反向电 流称为暗电流。
2020/9/14
1—负极引脚 2—管芯 3—外壳 4—玻璃聚光镜 5—正极引脚 6—N型衬底 7—SiO2保护圈 8—SiO2透明保护层 9—铝引出电极 10—P型扩散层 11—PN结 12—金属引出线
2
7.1 光电传感器
• 所谓光电效应是指在光的照射下一些金属、金属氧 化物或半导体材料释放电子的现象。
• 光子是具有一定能量的微粒，是以光速运动的粒子 流。每一个光子都具有一定的能量，它的能量大小 E与其频率 成正比。
E
h
hc
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7.1 光电传感器
• 光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大； 反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。不 同颜色的光子由于其光波频率不同其能量也是不同 的； • 绿光光子比红光光子具有更多的能量，照射在物体
4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 光通量Ф（lm）
8
7.1.2 外光电效应器件
• 光电管的光谱特性曲线
0.5 0.4
红光 红外线区
相对灵敏度（%）
0.3
0.2
0.1
0.2
0.4
0.6
0.8
银氧铯光电阴极
1.0 波长(m)
9
7.1.2 外光电效应器件
• 光电倍增管
10
7.1.2 外光电效应器件
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 光照强度 (lm)
18
光敏电阻的频率特性：
100
灵敏度 S ( %)
8 0 6 0 4 0 2 0
硫化铅 硫化镉
暗电阻、亮电阻与光电流：
0
10 100 1000 10000
频率（Hz）
光敏电阻在受到光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过 的电流称为亮电流。在没有受到光照射时的阻值称为暗电 阻，此时流过的电流被称为暗电流。
第7章 光电式传感器
1
引言
• 光电式传感器是把被测物理量的变化先转换 成光信号的变化，然后再通过光电转换元件 把光信号变换成电信号的一种传感器。 • 光电式传感器的测量方法灵活多样，并且具 有使用方便、非接触、高精度、高分辨力、 高可靠性和反应快等一系列优点，因而发展 十分迅速，而且随着激光、光栅、光导纤维、 CCD等器件的相继问世，光电传感器在检测 及自动控制领域中得到了更广泛的应用。
• 光电倍增管的工作原理 基于外光电效应、二次电子发射和电子光学基础上。在光电倍
增管的各倍增电极D1、D2、D3…和阳极上，依次有逐渐增高的正电压， 即阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位依次升高，阳极 电位最高，而且相邻两极之间电压应使二次发射系数大于1。在入射光 作用下，光电阴极发射的光电子在D1电场作用下，以高速向倍增电极D1 打去，产生二次发射，于是更多的二次发射电子又在D2电场作用下， 射向第二倍增电极，激发更多的次发射电子，如此下去，一个光电子 将激发更多的二次发射电子，如此不断倍增，最后阳极收集到的电子 数将达到阴极发射电子数的105～106倍，即光电倍增管的放大倍数可达 到几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万到 几百万倍。因此，在很微弱的光照下，光电倍增管也能产生很大的光 电流。