传感器技术第2章 光电式传感器

2. 光敏电阻的工作原理
光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材 料制成的光电器件。 光敏电阻没有极性, 纯 粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。 无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路 中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定 波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧 减少, 电路中电流迅速增大。 一般希望暗电 阻越大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻 的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻值一般 在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。
E h 式中： h 6.626 10-34 (J s)为 普 朗 克 常 数
－光的频率（ s -1 )
若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸 出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发 射。故要使一个电子逸出，则光子能量hν必须 超出逸出功A0 ，超过部分的能量，表现为逸出 电子的动能。即
2）阴极灵敏度和总灵敏度
一个光子在阴极上 能够打出的平均电子 数焦作光电阴极的灵 敏度。而一个光子在 阳极上产生的平均电 子数焦灼光电倍增管 的总灵敏度。 光电倍增管的放大 倍数或总灵敏度如图 所示。
2.3 光电池
光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。 光电
池在有光线作用下实质就是电源 , 电路中有了这种器件就不需
2.2 光电管
一. 普通光电管
在一个真空泡内装有两个电 极：光电阴极和光电阳极。 光电阴极通常是用逸出功小 的光敏材料徐敷在玻璃泡内 壁上做成，其感光面对准光 的照射孔。当光线照射到光 敏材料上，便有电子逸出， 这些电子被具有正电位的阳 极所吸引，在光电管内形成 空间电子流，在外电路就产 生电流。
3.温度特性
温度特性主要 描述开路电压 与短路电流随 温度变化的情 况。如图所示. 把光电池作为 测量器件应用 时, 应保证温 度恒定或采取 温度补偿措施。
三.光电池的应用
1.自动干手器
2A ～ 12V J1 M 470uf 51K 39K J
L
手放入干手器时， 手遮住灯泡发出的 光，光电池不受光 照，晶体管基极正 偏而导通，继电器 吸合。风机和电热 丝通电，热风吹出 烘手。手干抽出后， 灯泡发出光直接照 射到光电池上，产 生光生电动势，使 三极管基射极反偏 而截止，继电器释 放，从而切断风机 和电热丝的电源。
3．
１） 暗电阻 光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻 , 此时流过的电流 称为暗电流。 ２） 亮电阻
光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻 , 此时流过的电 流称为亮电流。
３） 光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。
4． 光敏电阻的基本特性
1） 伏安特性：在一定照度下,
流过光敏电阻的电流与光敏电 阻两端的电压的关系
1 2 h m u0 A0 2 式中： m -电子质量 u0 - 电 子 逸 出 速 度 。
二.内光电效应
受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电 动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分 为以下两大类。 1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子 能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料 电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于 这种效应的器件有光敏电阻等。 2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产 生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基 于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。
第2 章
光电式传感器
将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光 电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把 被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过 光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工 作基础是光电效应。
2.1
光电效应概述
光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。 一. 外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发 射的现象称为外光电效应。 基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。 我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的 能力由下式确定。
要外加电源。
一.结构与工作原理
光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。 它实质上 是一个大面积的 PN 结 , 当光照射到 PN 结的一个面 , 例如 p 型面 时 , 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度 , 那么 p 型区每吸 收一个光子就产生一对自由电子和空穴 , 电子空穴对从表面向 内迅速扩散, 在结电场的作用下, 最后建立一个与光照强度有 关的电动势。
2.路灯控制器
2.4 光敏电阻
1.光敏电阻的结构 它是涂于玻璃底板上的一 薄层半导体物质, 半导体 的两端装有金属电极, 金 属电极与引出线端相连接, 光敏电阻就通过引出线端 接入电路。 为了防止周围介质的影响, 在半导体光敏层上覆盖了 一层漆膜, 漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长
范围内透射率最大。
二. 光电倍增管
1.结构与 原理 由于真空 光电管的 灵敏度较 低，因此 人们便研 制了光电 倍增管， 其工作原 理如图。
2.主要参数
1）倍增系数 M
M
电流放大倍数
n i
I in i
M与所加电压有关，一般在105－108之间。一般阳极 和阴极的电压为1000V－2500V，两个相邻的倍增电 极的电压差为50V－100V。
①一定光照，R一定，I正 比于U。
②一定电压，I随着光照E 增强而增大。 E↑→R↓→I↑。来自2) 光照特性（I～E）
光敏电阻的光 照特性为非线 性，不宜作检 测元件，主要 用于自动控制 中。
3） 光谱特性（Kr %）
二. 光电池的基本特性
1.光谱特性 硒光电池和硅光电池 的光谱特性如左图 不同的光电池，光 谱峰值的位臵不同。 例如，硅光电池在 8000A附近，硒光电 池在5400A附近。
2. 光照特性
光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒 克斯。Lx (W/m2) 反映短路电流、开路电压与光照度的关系。 短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于 短路电流状态，可做检测元件。 开路电压（负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性 的, 并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了。光电池工作于开 路电压状态，可做开关元件。