第七章光电式传感器教材

N区带负电，P区带正电。如 果光照是连续的，经短暂的 时间，PN结两侧就有一个稳 定的光生电动势输出。
3）光电池 光电池外形
光敏面
4）光敏二极管及光敏三极管 构造
光敏二极管的基本结构也是一个PN结，与一 般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结 装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路 中一般是处于反向工作状态，如图所示。
能量E大于表面逸出功A0。逸出表面的电子就具有动
能Ek
Ek

1 mv2 2

hf

A0
1）外光电效应
Ek

1 2
mv2

hf

A0
光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该
物体的电子表面逸出功。这意味着每种物体都有
一个对应的光频阈值，称为红限频率。
入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强 成正比，光强越强意味着入射的管子数目越多， 逸出的电子数目就越多。
若要使入射光线在纤芯和包层的界面上发生全反
射，入射角应大于等于临界角即：
1

c

arcsin n1
n2

sin 1 n2 / n1
sin
0

n1 n0
1

n22 n12

1 n0
n12 n22
光纤的传输原理
1）光导纤维
一、光导纤维的结构和传输原理
sin
0

n0
光敏电阻
光敏三极管
3、光电式传感器的测量电路及应用
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。
光源
发光二极管 钨丝灯泡 电弧灯或石英灯 激光
3、光电式传感器的测量电路及应用 光电式传感器按其接收状态可分为模拟式和脉 冲式光电传感器两大类。
1）光导纤维 二、光导纤维的种类 1. 按折射变化：
阶跃型：光导纤维的纤芯与包层间的折射率是突变的。 渐变型 ：光纤横截面中心处折射率最大，其值有中 心向外逐渐变小，到纤芯边界边时变为包层折射率。
1）光导纤维
二、光导纤维的种类 2.按其传输模式
1）光电管与光电倍增管 特性----光电管 b）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。
当阳极电压比较低时，阴极所 发射的电子只有一部分到达阳 极，其余部分受光电子在真空 中运动时所形成的负电场作用， 回到阴极。
随阳极电压的增强，光电流随之增大。
当阴极发射的电子全部到达阳极时，阳极电流达到 饱和状态
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。
P --- +++ N
3）光电池
硅光电池的制造原理：在N型衬底上制造一薄层P 型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射 光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一 对光生电子—空穴对，光生电子—空穴对的的扩散运动 使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以
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。
1） 模拟式光电传感器
a） 吸收式：恒光源发射的光通量穿过被测物，一部 分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上， 吸收量决定于被测物的某些参数。被吸收的光通 量与被测物的透明度有关，常用作混浊度计等。
光电子逸出物体表面具有初始动能。
2）内光电效应
光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或 产生光生电动势的现象称为内光电效应。
a）光电导效应 某些半导体，在黑暗环境中电阻值很高；当光照
射在物体上，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，从而加强了导电性能，使电阻值 降低。
基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
1） 模拟式光电传感器
d） 辐射式：光源本身是被测物，被测物发出的光 投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源 的某些物理参数。
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。
光电数字式转速表
天幕靶
制，自动计数、自动
光电管
报警、自动跟踪等。
放大器
控制机构
数码相机
数码相机使用CCD光敏器件代 替胶卷感光成像其原理就是 CCD元件的光电效应。
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
1）光导纤维
一、光导纤维的结构和传输原理 中心圆柱体称为纤芯，由石英玻璃或塑料制
成。纤芯外围的圆筒形外壳称为包层，通常也是 由玻璃或塑料制成。包层外面有涂敷层，之外是 一层塑料保护外套。
由Snell定律: sin 1 n0 sin 0 n1
n0 sin 0 n1 sin 1 n1 cos1
sin
0

n1 n0
cos 1

n1 n0
1 sin 2 1
光纤的传输原理
1）光导纤维
一、光导纤维的结构和传输原理
sin
0

n1 n0
cos 1

n1 n0
1 sin 2 1

sin
C

1 n0
n12 n22
反映了光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合
效率，只有入射光处于θc的光锥内, 光纤才能导光。 一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的
提高，但数值孔径过大，会造成光信号畸变。
与光纤的几何尺寸无关，仅与纤芯和包层的折射 率有关。可将NA值做的很大，但横截面积却很小， 使得光纤柔软且可弯曲。
2）内光电效应
b）光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势
的现象叫做光生伏特效应。
光线照射PN结时，产生电子空穴对，在阻挡层内 电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激 发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负 电，形成光电动势。
基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管
1
n22 n12
1 n0
n12 n22
能使光线在光纤内全反射的最大入射角θ c可由
上式求得，即
sin
C

1 n0
n12 n22 NA
NA称为光纤的数值孔径，它表示当入射光从外
部介质射入光纤时，只有入射角小于θc的光才能在光
纤中传播。
1）光导纤维
一、光导纤维的结构和传输原理
数 值 孔 径 ：NA
1） 模拟式光电传感器 b）反射式：恒光源发出的光通量投射到被测物上，
然后从被测物表面反射到光电元件上，光电元件 的输出反映了被测物的某些参数。反射光通量取 决于反射表面的性质、状态和与光源之间的距离， 可制成表面粗糙度测试仪等。
1） 模拟式光电传感器
c） 遮光式： 恒光源发出的光通量在到达光电元件 的途中遇到被测物，照射到光电元件上的光通量 被遮蔽掉一部分，光电元件的输出反映了被测物 的尺寸。
2、光电元件及其特性 1）光电管与光电倍增管
构造
光电阴极
光窗 阳极
光电管有真空光电管和充气 光电管或称电子光电管和离子 图7-2 光电管的结构图
光电管两类。两者结构相似，如图。它们由一个阴 极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。 阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。 阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管 的中央。
光纤的导光能力取决 于纤芯和包层的性质，机 械强度取决于塑料保护外 套。
光纤的结构示意图
1）光导纤维
一、光导纤维的结构和传输原理
发生全反射的条件?
光纤传输的基础：光的全反射
纤芯的折射率为n1；包层的折射率为n2；
n1 ＞ n2 相 对 折 射 率 差 用 Δ 表 示 Δ=1– n2/ n1
通常Δ为0.005～0.14。
件产生的光电流与光 照之间的关系。
硅光电池
开路电压 短路电流
硒光敏电阻
光敏晶体管
5）半导体光电元件的特性
b）伏安特性 指光电元件的端
电压与电流之间的关 系。
硅光电池
光敏电阻
光敏三极管
5）半导体光电元件的特性
c）光谱特性
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。
光电池
光电倍增管的灵敏度：一个光子射 后，阳极所得到的总电子数。
暗电流：由于环境温度、热辐射和其他因素的影响， 即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流。
本底电流：光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全 屏蔽光的情况下，出现的电流。
2）光敏电阻 构造 光敏电阻用半导体材料制成,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
实验
灵敏电流 计
弧光灯
锌板
铜网
紫外光照射时电流计指针发生偏转
1、光电效应
光的粒子学说：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。
E=hf
h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；f—光的频率（s-1）
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。
光电效应：物体吸收能量为E的光后，转换为该 物体中某些电子的能力，从而产生的电效应。
1）外光电效应 在光线的作用下，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。 光电子：向外发射的电子。