传感器与检测技术第二版光电式传感器资料讲义PPT课件

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D1
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图9-3 光电倍增管外形结构及电路
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倍增系数 M – 阳极电流
I iM i n
– 光电倍增管的电流放大倍数
倍增电极的电子发射系数，一般3- 6
n=9-11
– 光电倍增管灵敏度比普通光电管高（105-108）倍，一般用于微弱光 照条件。
应用：照相机自动嚗光、电视机亮度自动 调节、灯光（航标灯）自动控制等。
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2. 光敏二极管
结构与一般二极管相似，通常工作于反向工作 状态，当不受光线照射时，处于截止状态，当受光 线照射时，处于导通状态。
源自文库
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3.光敏三极管： 光电流相当于三极管的基极，集电极电流是光电
图9-3 光电管的伏安特性
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③ 光谱特性
光电管对光谱有选择性：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。
不同光电阴极材料的光电管，对同一波长的光有不同的灵敏度； 同一种阴极材料的光电管对于不同波长的光的灵敏度也不同。
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2. 光电倍增管及其特性
RA
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特性
一、光电（照）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。
硒光敏电阻
光敏晶体管
硅光电池
图9-9 半导体光电元件的光电特性
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二、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。
图9-10 半导体光电元件的伏安特性
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三、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。
I /i n
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9.2.2 内光电效应光电器件及其特性
内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生 电动势的现象
内光电效应可分为： – 因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应 – 因光照产生电动势的光生伏特效应
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典型器件
1. 光敏电阻 采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。
光纤传感器
利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光
纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光
导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信
号。
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特点：
• 光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高精度、高 分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（不受电磁辐射影响， 本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量等特点；
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光电效应传感器 光电效应：因光照引起物体电学特性改变的现
象，包括光照射到物体上使物体发射电子，或电 导率发生变化，或产生光生电动势等。
红外热释电探测器
主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料 电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器 件。
固体图像传感器
主要是用CCD电荷耦合器件的光电转换和电荷转移功 能制成CCD图像传感器。
流的 β 倍，比光敏二极管具有更高的灵敏度。
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4. 光电池
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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PN 结附近激发电子-空穴对，在电场作用下，电子、空穴产生 定向移动，在PN结的两端产生电位差。
硅光电池
硒光电池
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• 可直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、速度、 加速度等；
• 发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力。
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9.1.2 光电式传感器的基本形式
• 由光路及电路两大部分组成 • 光路部分实现被测信号对光量的控制和调制 • 电路部分完成从光信号到电信号的转换后的电信 号传输与输出等
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四种基本形式
发光元件
窗 光敏元件 壳体
• 透射式 • 反射式 • 辐射式 • 开关式
（d）
导线
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9.2 光电效应与光电器件
光可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（ E=hf）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。 光电效应可分为：
图9-8 光敏电阻的结构及表示符号
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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，性能稳定。
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。
材料：硫化物（CdS、PbS、TlS） 硒化物（CdSe、PbSe） 碲化物（PbTe）等
9.2.1 外光电效应型光电器件 指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。
Ek
1 2
mv2
hf
A0
光电管及光电倍增管均属这一类。
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1. 光电管及其特性 一、构造
图9-2 光电管的结构与测量电路
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二、特性
➢① 光照特性
表示当光电管的阳极电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上光 通量φ之间的关系。
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➢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。
I μA
12 10 8 6 4 2
120 μlm 100 μlm 80 μlm 60 μlm 40 μlm 20 μlm
0
50
100 150
（a）真空光电管
UV 200
I μA
（b）充气光电管
UV
第9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。
9.1 概述
9.2 光电效应与光电器件
9.3 光电式传感器的应用
9.4 CCD固体图像传感器
9.5 光纤传感器
本章要点
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9.1 概述
9.1.1 光电式传感器的类别 光电式传感器（或称光敏传感器） • 是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、 电流、电阻等）的装置。 按工作原理分类 • 光电效应传感器 • 红外热释电探测器 • 固体图像传感器 • 光纤传感器
图9-11 半导体光电元件的光谱特性
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四、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9-12 半导体光电元件的频率特性
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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