传感器(电子教案)第7章

7.1.1外光电效应
图7-1 P-N结的光势垒
指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管及光电倍 增管均属这一类。它们的光电发射极，即光明极就是用具有这种特 性的材料制造的。
7.1.2内光电效应
指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属此 类。
7.1.3光生伏特效应
利用光势垒效应，即在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势。
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7.2 光电器件及其特性
光电管与光电倍增管 光敏电阻 光敏二极管和光敏三极管 光电池 半导体光电元件的特性
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7.2.1 光电管与光电倍增管
一、构造 二、特性

1．光电特性
图7-2 光电管的结构图 图7-3 光电倍增管的结构图 图7-4 光电管的特性
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7.3光电式传感器的测量电路
要使光电式传感器能很好地工作。除了合理选用光 电转换元件外，还必须配备合适的光源和测量线路。 7.3.1光源 发光二极管 图7-14 真空光电管的差接测量电路 钨丝灯泡 图7-15 光电倍增管的测量电路 电弧灯或石英灯 激光 图7-16 光敏电阻开关电路 7.3.2测量电路 图7-18 具有温度补偿的光敏二极管 光电管的测量电路 测量电路 光电倍增管的测量电路 光敏电阻的测量电路 光敏晶体管的测量电路 光电池的测量电路

二、伏安特性
图7-10 半导体光电元件的伏安特性
伏安特性是指光照一定时，这些光电元件的端电 压U与电流I之间的关系。
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7.2.5 半导体光电元件的特性
三、光谱特性 图7-11 半导体光电元件的光谱特性 半导体光电元件对不同波长的光，其灵敏度是不同 的，因为只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些 光子才能激发出光生电子--空穴对。而光子能量的 大小与光的波长有关。 四、频率特性 图7-12 半导体光电元件的频率特性 半导体光电元件的频率特性是指它们的输出电信号 与调制光频率变化的关系。 图7-13 半导体光电元件的温度特性 五、温度特性 半导体材料易受温度的影响，它直接影响光电流的 值。因此需要讨论这些光电元件的温度特性，以便 选用合适的工作温度。
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7.2.2 光敏电阻
光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成 的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。 光敏电阻优点：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。 缺点：使用时需要有外部电源，同时当有电流 通过它时，会产生热的问题。
表示当光电管的阳级电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上 光通量φ之间的关系。

2．伏安特性
当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同 光电流的关系叫伏安特性 ，如图7-4(c)所示。
3．光谱特性
由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。 保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系 叫光电管的光谱特性。光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯 性特性、暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和 有关手册合理选用。
图7-8 光电池的构造和表示符号
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7.2.5 半导体光电元件的特性
上面讨论的光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管、 光电池等三种光电元件都是半导体传感器件。它 们各有特性，但又有相似之处，为了便于分析和 选用，把它们的特性综合如下。

一、光电特性
图7-9 半导体光电元件的光电特性
光电特性是指这些半导体光电元件产生的光电流 与光照之间的关系。
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7.1 光电效应
由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒 子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。 光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击 在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后 产生的电效应。从传感器的角度看光电效应可分为二大类型。
图7-21 光电测微装置示意图 图7-22 WDS型光电比色高温计原理图 图7-24 天幕靶
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7.5 光纤传感器
光导纤维
光纤传感器的工作原理 和典型结构
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7.5.1光导纤维
一、光导纤维的结构和传输原理 光导纤维(简称光纤)是用比头发丝还细的石英玻璃 丝制成的，每一根光导纤维由一个圆柱形纤芯和色 层组成，而且纤芯的折射率n1略大于色层的折射率 n2，它们的相对折射率差用Δ表示， Δ=1- n2/ n1 通常Δ为0.005～0.14。 二、光导纤维的种类 图7-26 光导纤维的种类 1. 光导纤维按其折射变化情况分为： 阶跃型 渐变型 2.按其传输模式多少来分类，则有单模和多模两种
第7 章
光电式传感器
光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。 光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。
7.1光电效应 7.2光电元件及其特性 7.3光电式传感器的测量电路 7.4光电传感器及其应用 7.5光纤传感器 7.6电荷耦合器件（CCD） 7.7光栅式传感器 7.8激光式传感器 本章要点
图7-5 光敏电阻的结构及表示符号

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7.2.3 光敏二极管和光敏三极管
当二极管和三极管的PN接受到光照射时，通过 PN结的电流将增大。光敏二极管和光敏三极管则 必须使PN结能受到最大的光照射。
图7-6 光敏二极管
图7-7 光敏三极管
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7.2.4 光电池
光电池是基于光生伏特效应制成的，是自 发电式有源器件。它有较大面积的PN结， 当光照射在PN结上时，在结的两端出现电 动势。
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7.4 光电传感器及其应用
光电传感器按其接收状态可分为模拟和脉冲式光电 传感器两大类。
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7.4 光电传感器及其应用
7.4.1 模拟式光电传感器 模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性， 其光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量的函数， 故称为光电传感器的函数运用状态。它的形式有吸收式、 反射式、遮光式和辐射式。 7.4.2 脉冲式光电传感器 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种 稳定状态，即"通"与"断"的开关状态，所以也称为光电元 件的开关运用状态。 光电式转速计 图7-20 光电元件的测量方式 天幕靶