光电传感器河南理工大学PPT

➢光照射物体时，物体中电子吸收入射光子的能量E ， 当物体吸入的能量超出逸出功A时电子就会逸出物体表 面，产生光电子发射。超出的能量变成电子的动能。 ➢ 能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物 体表面的电子逸出功。
基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管
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紫外线管外形
当入射紫外 线照射在紫外管 阴极板上时，电 子克服金属表面 对它的束缚而逸 出金属表面，形 成电子发射。
入射光子的能量E0应大于禁带 宽度的能量Eg。 ➢基于这种原理可制成光敏电阻。
自由状态
电
子 导带
吸
电
收 光
禁带
Eg〈E0
子
子 能
价带
量
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光生伏特效应： 物体表面受到光照射时，内部会激发出电子-
空穴对，在内电场作用下电子、空穴分离，在物
体内部产生电动势----光生伏特效应
光生伏特效应应用 ：
（1）制作光电池 （2）光敏二极管； （3）光敏三极管； （4）半导体位置敏感器件
U RI光 强
因而实现对光强度的测量。
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实物
结构示意图及测量电路
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2 光电倍增管
➢ 光照很弱时，光电管产生 的电流很小，为提高灵敏度 常常使用光电倍增管。 ➢ 光电倍增管是利用二次电 子释放效应，高速电子撞击 激发出二次电子，将光电流 在管内进行放大。
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➢ 光电倍增管的光阴极和阳极之间被加了许多倍增极（10个 左右），倍增极也涂有光敏材料。 ➢在阳极和阴极之间加有几百～上千伏的高压，每个倍增极间 有100～200V高压； ➢倍增极外加电压Ud与增益G的关系近似为：
光电效应可分为： ➢外光电效应
➢内光电效应
光电导效应
光生伏特效应
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(1)外光电效应
➢在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外 光电效应。
爱因斯坦光电效应方程（能量守恒定律）
Eh 12mv02 A
h-----普朗克常数； γ---入射光频率；
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A — 电子的逸出功；
1 2
m
v
2 0
--- 电子逸出的动能（能量）；
第十章 光电传感器
主要内容： 10.1 光电效应 10.2 光电器件
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概述
光电传感器是一种以光 电效应为原理的传感器。
1905年德国物理学家 爱因斯坦用光量子学说解 释了光电发射效应，并为 此而获得1921年诺贝尔物 理学奖。
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一、光的分类 （根据波长分类）
红620nm--760nm
可 见 光
橙592nm--620nm 黄578nm-- 592nm 绿500nm-- 578nm 青464nm--500nm
蓝446nm --464nm
紫400nm--446nm
红 近红外 外 中红外 光 远红外
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1.光的性质
光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。
光衍射：光在传播路径中，遇到障碍物（不透明或透
明），绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的 衍射。
光干涉：两列或几列光波在空间相 遇时相互迭加，在某些区域加强， 在另一些区域则削弱，形成稳定的 强弱分布的现象。
光电传感器
电信号
在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。
光敏器件种类很多，常见的有：
光电管、 光敏二极管、
光电倍增管、 光敏三极管、
光敏电阻、 光电池、
光电耦合器、 光纤等等。
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指纹门禁
动 控 制
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第一节 光电效应
当光电传感器中的光电元件受到光线作用时，光电 元件中的电子吸收光子能量，就会产生某些电特性的变 化，这种物理现象称为光电效应。
发光原理：当PN结上加有正向电压时，电子由N 区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为载流子 注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注 入到N区里的空穴和N区里的电子复合，在复合的同时 ，伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。
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4、激光器
发光原理：在特制的谐振腔加上电压，光子在里面不断来 回振动，光子振动时，产生碰撞激发出新的光子，数量不断 翻倍，光子越来越多，最后从谐振腔的窗口出释放出来，再 被经过的光子激发，放出光。
特点：高方向性、高单色性和高亮度。 波长范围：从0.24μm到远红外整个波段。
激光器种类繁多，按工作物质分类： 固体激光器、气体激光器、 半导体激光器、液体激光器。
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三、光电传感器
➢ 光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化 转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料， 做成的器件称光敏器件。
光信号
紫外线
紫外管多用于 紫外线测量、火 焰监测等。
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(2)内光电效应
入射光强改变物质导电率的物理现象称内光电导效应 。
➢这种效应几乎所有高电阻率半导体都有。
➢原理：由于在入射光作用下电子吸收光子能量，从价带
激发到导带过度到自由状态，同时价带也因此形成自
由空穴，使导带电子和价带空
穴浓度增大引起电阻率减小。 光 E0 为使电子从价带激发到导带，
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第二节 光电器件
1 光电管
➢结构：光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有
阴极、阳极，阴极涂有光敏材料 ➢原理：当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电 子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生电子发射。电子被带 有正电的阳极吸引，在光电管内形 成电子流，电流在回路电阻 R上 产生正比于电流大小的压降。
条件：频率相同、振动方向相同以及
有恒定的相位差
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2.光子能量
光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为
γ的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为
E h
h--普朗克常数，6.626×10-34J·s； γ--光的频率（单位s-1）。
可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大
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二、光源（发光器件） 1.白炽光源 用钨丝通电加热作为光辐射源。
发光范围：可见光、大量红外线和紫外线， 所以很多光敏元件都能和它配合接收到光信号。
特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特 性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高， 是可取之处。
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2.荧光灯
发光原理：高压使灯丝放电，发射电子。电子与灯 管内的惰性气体（氖气）及少量的水银中的原子碰撞， 发出紫外线，紫外线照射到灯管臂的荧光物质上，变成 可见光。
特点：发光效率高，节能效果明显（75%），寿命 长（提高8~10倍）。
波长为750～310nm，缺少红光，故合成后略带青色或 呈青白色 。
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3.发光二极管（LED—Light Emitting Diode）
由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、 寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。