第十章光电式传感器

Ek 12m0v2hA0
式中m——电子质量； v0——电子逸出时的初速度；
h——普朗克常数,h=0.626×10-34(J·s)；γ——光的频
率。
ห้องสมุดไป่ตู้
由上式可见，光电子逸出时所具有的初始动能Ek 与光的频率有关，频率高则动能大。由于不同材 料具有不同的逸出功,因此对某种材料而言便有一 个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不 论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射 光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会 有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率”
➢⑶光伏效应。在光的照射下使物体在某一方向产 生电动势的现象称光伏效应，全称：光生伏特效 应。如光电池
光电子发射效应在物体表面产生，所以也称外光 电效应，通常使用的是；光电导效应和光伏效应 发生在物体内部，所以也称内光电效应，一般使 用的是半导体材料。
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10.1 外光电效应
根据爱因斯坦的假设,一个光子的能量只给一个 电子,因此,如果要使一个电子从物质表面逸出,光子 具有的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0，这 时逸出表面的电子就具有动能Ek
P --- +++ N
10.3 光电式传感器的应用 光电传感器按接收状态可分为模拟式光电传感器
和脉冲式（开关式）光电传感器 模拟式光电传感器 模拟式光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式
(直射式)、吸收式、遮光式、反射式四种基本形 式
被测物发出的光直接照射到光电元件上，光电元 件将被测物辐射的能量转换为光电流，如光电比 色高温计，线性光耦
③伏安特性：表示光敏电阻的光电流与外加电压之间的关 系。在给定的电压下，光电流的数值随着照射光的增强而 加大，照射光强不变时，外加电压越高，光电流I也越大， 灵敏度随之增大。但最高工作电压受到允许耗散功率限制， 不同元件有不同的规定，使用时应注意。 ④频率特性：表示光电流与照射光强度变化频率之间的关 系。因为光敏电阻受光照射后光电流不能立即达到饱和值， 而是需要经过一段时间。同样光线停止照射后，光电流也 不是立即完全消失，也存在一定的延时现象。大多数光敏 电阻的相应时间都较长，在ms级左右。它除了与材料有关 外，还取决于照度、负载电阻和环境温度。
①光敏电阻(光导管)：光敏电阻是一种电阻元件, 具有灵敏度高,体积小,重量轻,光谱响应范围宽,机 械强度高,耐冲击和振动,寿命长等优点。下图为光 敏电阻的工作原理图。在黑暗的环境下,它的阻值 很高,当受到光照并且光辐射能量足够大时,光导材 料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度 的光子 激发,由价带越过禁带而跃迁到导带,使其导带的电 子和价带的空穴增加,电阻率变小。光敏电阻常用
的半导体材料有硫化镉(CdS，ΔEg=2.4eV和硒化镉 (CdSe，ΔEg=1.8eV)。
②光敏二极管和光敏三极管：光敏管的工作原理 与光敏电阻是相似的,其差别只是光照在半导体结 上而已。
光敏电阻的基本特性
①光照特性：表示光电流与照射光强度的关系，也 称光电特性。不同类型的光敏电阻光照特性不同， 但大多数光敏电阻的光照特性曲线是非线性的，所 以不适宜作检测元件，只能作开关式的光电转换器 ②光谱特性：表示照射光的波长与光电流的关系。 不同材料光敏电阻的光谱特性不同，同一材料照射 光的波长不同时，光敏电阻的灵敏度亦不同。光敏 电阻的灵敏度有一个峰值，材料不同灵敏度峰值对 应的波长不同。所以选择光敏电阻时，要与使用的 光源结合起来考虑，才能获得较好的效果。
脉冲式（开关式）光电传感器 作用方式：光电元件的输出仅有两种稳定状态：
“通”和“断”，这类传感器对光电元件灵敏度 要求高，而对线性要求不高。
光电耦合器（固态继电器）
光源发出的光穿过被测物体时，部分被物体吸收 后投射到光电元件上。吸收量与被测介质的透明 度或混浊度有关。如检测液体、气体透明度的光 电比色计，减光式感烟火灾报警器等
光源发出的光被被测物遮挡了一部分，使照射到 光电元件上光的强度变化，光电流的大小与被测 物遮光的多少有关。利用这一原理可以测量零件 的直径、长度和圆度等
⑤温度特性：光敏电阻与其它半导体器件一样，温度对其 特性影响很大。温度升高时暗电流增大，使灵敏度降低
2）光生伏特效应 光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产
生一定方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电 器件是自发电式的,属有源器件。以可见光作光源的 光电池是常用的光生伏特型器件,硒和硅是光电池常 用的材料,也可以使用锗。
光源发出的光投射到被测物上后再反射到光电元 件上。反射光的强度，取决于被测物反射表面的 性质和状态，如表面粗糙度传感器等。
案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来 测量位移。
亮度传感器：
通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比 较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线， 达到节约电能的目的。
K
10.2 内光电效应 受光照物体(通常为半导体材料) 电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光 电效应。内光电效应按其工作原理分为两种：光 电导效应和光生伏特效应。 1)光电导效应
光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电 子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈 低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电 导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光 电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管 (光电导结型)。
基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件, 有光电管、光电倍增管等
下图为光电倍增管工作原理图。K为光电阴极,A为光电阳 极,在二者之间又加入D1、D2、D3，…等若干个光电倍增 极(又称二次发射极),这些倍增极涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏 物质。在工作时,这些电极的电位是逐级增高的,当光线照 射到光电阴极后,它产生的光电子受第一级倍增极D1正电 位作用,加速并打在这个倍增极上,产生二次发射；由第一 倍增极D1产生的二次发射电子,在更高电位的D2极作用下, 又将加速入射到电极D2上,在D2极上又将产生二次发射… 这样逐级前进,一直到达阳极A为止。由上述的工作过程可 见,光电流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏 度。