第6章光电式传感器及应用89581

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主要内容
6.1光电效应及光电元器件 6.2光电式传感器的实用电路 6.3光纤传感器 6.4红外传感器
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6.1光电效应及光电元器件
6.1.1 光电效应及分类
光电式传感器的工作原理是基于不同形 式的光电效应。根据光的波粒二象性， 光是一种以光速运动的粒子流，这种粒
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6.1.2 光电元器件及基本测量电 路
1．光电管、光电倍增管
（1）结构与工作原理。它们是利用外光 电效应制成的光电元件。
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光电管的结构
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光电子的能量
当电子获得的能量大于阴极材料的逸出
功A时，自由电子就可以克服金属表面束
缚而逸出，形成逸出电子。这种逸出的 电子称为光电子，光电子逸出金属表面
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（2）光敏电阻的基本特性和主要 参数。
① 暗电阻和暗电流。 ② 亮电阻和亮电流。 ③ 伏安特性。
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光敏电阻的伏安特性
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（2）光敏电阻的基本特性和主要 参数（续）
④ 光电特性。
⑤ 光谱特性。
某光敏电阻的光电特性
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光敏电阻的光谱特性
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（2）光敏电阻的基本特性和主要 参数（续）
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（2）光电管特性
① 光电特性。
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光电管光电特性曲线
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② 伏安特性。
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③ 光谱特性。
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其他特性
光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯性 特性，暗电流和衰老特性等，使用时应 根据产品说明书和有关手册合理选用。
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电容C0都可以省去。这时电路往往将电源正 端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连 接。当入射光通量为脉冲量时，则应将电源的 负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比阳极 接地有更低的噪声，此时输出端应接入隔离电 容，同时各倍增极的并联电容亦应接入，以稳 定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防 止饱和。
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光电管符号及测量电路
光电管正常工作时，阳极电位高于阴极 电位。
在入射光频率大于“红限”的前提下， 当光电管阳极加上适当电压（几十伏） 时，从阴极表面逸出的电子被具有正电 压的阳极所吸引，在光电管中形成电流， 称为光电流。
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光电倍增管
光电倍增管是把微弱的光输入转换成电 子，并使电子获得倍增的电真空器件。
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光电倍增管结构示意图
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光电倍增管的基本电路
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原理
当微光照射阴极K时，从阴极K上逸出的光电 子在D1的电场作用下，以高速向倍增极D1射 去，产生二次发射，于是更多的二次发射的电 子又在D2电场作用下，射向第二倍增极，激 发更多的二次发射电子，如此下去，一个光电
它有放大光电流的作用，灵敏度非常高， 信噪比大，线性好，多用于微光测量。 光电倍增管由两个主要部分构成：阴极 室和若干光电倍增极组成的二次发射倍 增系统
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结构示意图
在它的阴极与阳极之间设 置许多二次倍增极D1、 D2、D3、……，它们又 称为第1倍增极、第2倍增 极……，相邻电极之间通 常加上100V左右的电压， 其电位逐级提高，阴极电 位最低，阳极电位最高， 两者之差一般在。600～ 1 200V左右。
⑥ 响应时间。 ⑦ 温度特性。
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常用光电导材料
光电导器件材料
禁带宽度/eV
硫化镉（CdS） 2.45
硒化镉（CdSe） 1.74
硫化铅（PbS） 0.40
碲化铅（PbTe） 0.31
硒化铅（PbSe） 0.25
子称为光子。具有的能量hν正比于光的 频率ν（h普朗克常数）。每个光子具有
的能量为
E= hν
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4Байду номын сангаас
特点
对不同频率的光，其光子能量是不相同 的，频率越高，光子能量越大。用光照 射某一物体，可以看作物体受到一连串
能量为hν的光子所轰击，组成该物体的
材料吸收光子能量而发生相应电效应的 物理现象称为光电效应。
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光电响应的类型
（1）外光电效应。真空管元件 （2）内光电效应。 （3）光生伏特效应。 （2）、（3）类属于半导体元件。
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光学单位
流明（lm）和勒克斯（lx）两个光学单 位。所谓流明是光通量的单位，所有的 灯都以流明表征输出光通量的大小。勒 克斯是照度的单位，它表征受照物体被 照程度的物理量。
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2．光敏电阻
光敏电阻又称光导管，是一种均质半导 体光电元件。它具有灵敏度高、光谱响 应范围宽、体积小、重量轻、机械强度 高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强和 寿命长等特点
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（1）光敏电阻的工作原理和结构。
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
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光敏电阻
当光敏电阻受 到光照时， 阻值减 小。
子将激发更多的二次发射电子，最后被阳极所
收集。若每级的二次发射倍增率为m，共有n
级（通常可达9～11级），则光电倍增管阳极
得到的光电流比普通光电管大mn倍，因此光
电倍增管的灵敏度极高。
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光电倍增管的稳定性
各倍增极的电压是用分压电阻R1、R2、…、
Rn获得的，阳极电流流经电阻RL得到输出电 压Uo。当用于测量稳定的辐射通量时，图中 虚线连接的电容C1、C2、…、Cn和输出隔离
第6章光电式传感器及应用
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引言
光电式传感器是以光电元件作为转化元件，将 被测非电量通过光量的变化再转化成电量的传 感器。
光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元 件3部分组成。
光电元件是构成光电式传感器最主要的部件。 光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且
有较高的可靠性，因此在自动检测，计算机和 控制系统中，应用非常广泛。 光电式传感器的物理基础是光电效应。
的初速度υ可由爱因斯坦光电效应方程确
定。
（1/2）mυ2= hν−A
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特点
当阴极金属材料选定后，要使阴极金属
表面有电子逸出，入射光的频率ν要大于 某一最低限度，否则当hν小于A时，不
管光通量有多大，都不可能有电子逸出，
这个最低限度的频率称为红限。当hν大 于A时，光通量越大，逸出的电子数目也 越多，光电流Iφ就越大。