第5章 光电式传感器

光电倍增管组成
❖ 它由光电阴极、若干倍增极和阳极三部分组成。 ❖ 光电阴极是由半导体光电材料制造的，入射光就在它
上面打出光电子。 ❖ 倍增极数目在4—14个不等。在各倍增极上加上一定的
电压。 ❖ 阳极收集电子，外电路形成电流输出
各个电极所加电压情况
❖ 工作时，各个倍增电极上均加上电压，阴极K 电位最低，从阴极开始，各个倍增极E1，E2， E3，E4(或更多)电位依次升高，阳极A电位电 高。
Φ
K
IΦ A
UA
μA
E
R
图6-2 管电管工作原理
伏安特性曲线
❖ 当光通量一定时，阳极电压与阳极电流的关系，叫做光电 管的伏安特性曲线
➢ 当阳极电压较小时，只有一部分到达阳极，其余受光子在真空中 运动时所形成的负电场作用，回到阴极； ➢ 随阳极电压的增大，光电流也增大； ➢ 当阴极发射电子全部到阳极时，阳极电流很稳定，达到饱和。
❖ 当hγ小于A时，即使光通量很大，也不可能有 电子逸出，这个最低限度的频率称为红限。当 hγ大于A时光通量越大，逸出的电子数目也越 多，光电流I就越大。
❖ 光电管的阴极和阳极分别接电源 的负极和正极。
❖ 没有光照射时，因光电管光阴极 不发射电子，电路不通；
❖ 有光照射时，光电阴极发射的光 电子，在阳极高电位作用下形成 光电流，可以在电阻R上取出与 光电流成正比的信号电压。
前言
❖ 光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器 件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应
（Photoelectric effect ）。在现代测量与控制
系统中，应用非常广泛。 ❖ 测量非电量的特殊性：用光电器件测量非电量
（如转速、浊度等）时，首先要将非电量的变化 转换为光量的变化，然后通过光电器件的作用， 将光量的变化转换为电量的变化。
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光电式传感器
目录
❖ 光电管 ❖ 光电倍增管 ❖ 光敏电阻 ❖ 光敏二极管和光敏晶体管 ❖ 光电池 ❖ 光电式传感器的应用 ❖ 光电耦合器件(补) ❖ 本章小结
光电效应的分类
❖ 外光电效应 external photoelectric effect ❖ 内光电效应 internal photoelectric effect ❖ 阻挡层光电效应（光生伏打效应）
photovoltaic effect
光电元件的优点
❖ 响应快 ❖ 结构简单 ❖ 有较高的可靠性
1mv2 h A
2
爱因斯坦光电方程
由光电效应方程式可得出：①照射在物体上的光线（入射 光）通常不是单色光，而是含有多种频率的光。②光电子逸 出物体表面时具有出速度。当入射光频率大于该金属极限频 率时，光强度再弱也能发射电子；当入射光频率小于该金属 极限频率时，光强度再大也不能发射电子。
❖ 由于逸出功与材料的性质有关，当材料选定后， 要使金属表面有电子逸出，入射光的频率γ有 一最低的限度
外光电效应
❖ 在光线作用下使物体的电子逸出表面的 现象称为外光电效应。
❖ 例如：光电管、光电倍增管 ❖ 问题：什么条件下会出现外光电效应?
光电管
A
A
A
光
K
K
K
光
（a） 金属底层光电阴极光电管 （b） 光透明光电阴极光电管
（c） 光电管外形
•结 构
图6—1 光电管结构
•原 理
•光电管的伏安特性曲线
❖ 经过n个倍增极后，原先一个电子将变为σn个电子．这些电
子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。构 成倍增极的材料的σ＞1，设σ ＝4，在n＝10时，则放大倍 数为410≈106。可见，光电倍增管的放大倍数是很高的。
光电效应
❖ 光的波粒二象性，光具有波动性和离子性的两重性质， 是一种电磁波。光是由一定能量的粒子（光子）所形 成，每个光子具有的能量hγ正比于光的频率γ（h为普 朗克常数）。
❖ 用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为 hγ的光子所轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而 发生相应电效应。
❖ 光电效应就是指在光的作用下，材料或器件的电性能 （包括电导、电势、光电流等）发生改变的特性。
❖ 这些倍增极在受到一定数量的电子轰击后，能 放出更多的电子，称为“二次电子”。
光电倍增管原理
❖ 倍增极的特性：光电倍增管的倍增极设计成每个极都能接受 前一极的二次电子，而在各个倍增极上顺序加上越来越高的 正电压。
❖ 这样如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子， 这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极， 设这时第一倍增极有σ个二次电子发出，这σ个电子又轰击 第二倍增极，而其产生的二次电子又增加σ倍。
•充气光电管的优点及缺点
结
构
❖光 电 阴 极 有 的 是 贴 附 在 玻 璃 泡内壁，有的是涂在半圆筒形 的金属片上，阴极对光敏感的 一面是向内的。 ❖阳 极 是 在 阴 极 前 装 有 单 根 金 属丝或环状的金属丝。
工作原理
当入射光照射在阴极上时，光子的能量传递给阴极表面的电 子，当电子获得的能量足够大时，就有可能克服金属表面 对电子的束缚（逸出功）而逸出金属表面形成电子发射。 电子逸出金属表面的初速度υ由能量守恒定律得出：
电离导电
光电倍增管
❖ 在入射光极为微弱时，光电管能产生的光 电流就很小，在这种情况下即使光电流能 被放大，但信号与噪声同时被放大了，为 了克服这个缺点，就要采用光电倍增管。ΦBiblioteka D1D3D5
K D2
D4
D6
(1000~1500)V
(a)
A
IΦ
RL UO +
(b) n
光电倍增图管6—6结光构电倍、增管工结构、作工作原原理理及图及形符图号 形符号
充气光电管
❖ 除真空光电管外，还有一种充气光电管，它的 构造和真空光电管基本相同，所不同的仅仅是 在玻璃泡内充以少量的惰性气体，如氩或氖。
❖ 当光电极被光照射而发射电子时，光电子在趋 向阳极的途中将撞击隋性气体的原子，使其电 离，从而使阳极电流急速增加，提高了光电管 的灵敏度。
❖ 充气光电管的缺点是其 灵敏度随电压显著变化 的稳定性、频率特性等 都比真空光电管差。所 以在测试中一般是选择 真空光电管。