光电式传感器 教案

一、光电式传感器

1、光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

光电式传感器具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性、反映快等特点，使其在检测和控制领域获得了广泛的应用。

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。

由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。

光电器件是构成光电式传感器最主要的部件。光电式传感器的工作原理如图8-1所示：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。图中x1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式

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。

二、光的基本性质

1、牛顿——微粒说

根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释

不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振

波动理论

惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波 2、光量子说

1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论 1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念 光子的能量与光的频率成正比 光具有波粒二象性 三、光电效应 定义：

对不同频率ν的光，其光子能量E=h ν是不相同的，光波频率ν越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作是一连串能量为h ν的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，这种物理现象称为光电效应。

光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应

光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。 1．外光电效应

◆在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。

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：

——普朗克常数，6.626×10 （J ∙s ）； υ——光的频率（s ）。

若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A 0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h υ必须超出逸出功A 0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即

E hv

=2

0012hv mv A =+

式中：m －电子质量；v 0－电子逸出速度。 该方程称为爱因斯坦光电效应方程。

光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A 0。不同物体具有不同的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值，成为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射。 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。

光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生 2．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。

●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。 当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去。

从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg ，即

3、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。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。 ① 势垒效应（结光电效应）

接触的半导体和PN 结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。 ② 侧向光电效应

电子能量E

不存在电子所占能带 1.24

g

hc hv E λλ

==≥

当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。光电器件：

一、光敏电阻：

1．光敏电阻的结构与工作原理

◆光敏电阻又称光导管，是内光电效应器件，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻器以硫化隔制成，所以简称为CDS。

◆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。

2.结构

光敏电阻是薄膜元件，它是由在陶瓷底衬上覆一层光电半导体材料（金属硫化物、硒化物和锑化物）。

目前生产的光敏电阻主要是硫化镉。

(a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图

光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，

因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。

半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。 光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。 灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。 而且体积小、重量轻、性能稳定 2．光敏电阻的主要参数 （1）暗电阻和暗电流

光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。 （2）亮电阻

光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，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 3．光敏电阻的基本特性

金属电极

R E

(a )

(b )

(c )

a