物性型传感器PPT
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实用的光电传感器既有模拟式的、也有数字式（包括脉冲式）。
8.1.1光电效应
1.外光电效应 在光的照射下，物质表面具有电子逸出并向外发射光电子的现象，即光电 发射效应。根据光的粒子性，光束是由大量的光子微粒所形成的粒子流所组 成，每个光子微粒具有特定的能量：
hv
hv
m 9.10911031 kg
效应那样向外发射光电子，所以称作内光电效应。
8.1.2光电器件 1.光电管 光电管是一个封装有光电阴极与阳极的玻璃器件、结构简单，具体结构 形式多种多样。图8.3是一种真空光电管的外型示意图。光电管的阴极受到
光线的照射作用会在极短的时间内（通常都在ns范围内）产生外光电效应，
向外发射光电子。被发射的光电子在阳极加速电压的作用下进行聚集与加 速，在空间形成光电子流。通过电极引脚外接适当的电阻器件，即可将光
8.1 光电式传感器
光电式传感器是以光电器件作为转换元件，实现光—电信息转 换的一种能量型传感器。不但能够适应检测可见光的需要，也能够满
足对紫外光或近红外光的检测需要。
特点：响应速度快、性能稳定可靠、非接触测量、灵敏度高等 应用：在生产线的产品计数、气体成分分析、光控、工业生产烟
尘监测、零件的表面粗糙度测量、振动监测与分析
电流转换为电压输出进行信号处理。
阴极涂料 E 阳极 光 RL U0
阴极 管脚 (a) 图8.3 (a)光电管结构 (b) 光电管结构示意图
(b)工作原理
8.1.2光电器件 2.光电倍增管（PMT） 由于光电管的灵敏度难以适应微弱光的检测要求，即使在电路设计上使 光电流信号能够被放大到一定程度，但是受到噪声电平的影响，检测信号 的信噪比也满足不了工程应用的实际需要。技术上为克服这个缺陷，人们 研制了光电倍增管即光子计数器以满足对微弱光线的检测需求。 （1）光电倍增管的结构与工作原理 光电倍增管的基本组成包括光电阴极、一定数量的倍增电极、阳极与真 空管外壳四部分。光电倍增管的结构如图8.4所示。 光 光电倍增管是利用高速电子的撞 A 击产生二次电子发射效应进行光电流 放大的内增益光电器件。阴极光电敏 感材料在光照作用下产生的光电子， 依次在各倍增电极电压的作用下加速 撞击，倍增电极材料在高速电子的轰 光 K 击下产生二次电子发射，使电子数目 (a) 图8.4 逐级增加，最后大量的二次发射电子 (a)倍增原理图 与光电子一起被阳极收集形成随输入 光信号变化的光电流。
光 梳状电极 光导体 I A E (a) 光敏电阻 RL UL
(b) 图8.5 光敏电阻的结构与工作原理 (b) 光敏电阻结构
(a) 光敏电阻工作原理
8.1.2光电器件 4.光电二极管 光电二极管具有从紫外（200nm）到红外（1100nm）较宽的光谱响应范 围，具有较高的灵敏度，光电流与入射光强具有很好的线性度。
RD IP ID RL I E （b） （a） 图8.7 光电二极管工作模式 （a）光电导模式 （b）光电压模式 IP ID RD IHale Waihona Puke BaiduRL
图8.7（a）是光电导模式，此时光电二极管处于反向偏置状态，输出的光 电压可由式（8.5）确定：
U L I P RL
（8.5）
式中IP为光生电流，RL负载电阻。 光电压工作模式如图8.7（b）所示，光电二极管不需要外加偏置电压当 光电二极管接受光照射时，光电流在大负载的两端或开路时产生相应的输 出光电压。
8.1.2光电器件 5.光电三极管 光电三极管从结构上看相当于在基极与集电极之间接有PN光电二极管的 普通三极管， 光电三极管同普通三极管一样也具有PNP与NPN两种结构形式
8.1.2光电器件 3.光敏电阻 光敏电阻是电阻阻值随光照改变工作的电阻器件。由于具有较高的光 谱灵敏度、结构紧凑小巧、工作性能稳定、价格低廉，在现代光检测、光控 制领域具有广泛应用。 （1）光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻的结构相对简单，用于制造光敏电阻的半导体材料禁带宽度 往往都较高，如硫化镉CdS（禁带宽度为2.4eV）、硒化镉CdSe（禁带宽度 为1.8 eV）。选用高禁带宽度的半导体材料制作光敏电阻其目的是提高光敏 电阻的灵敏度。常温下，这类半导体由于热激发产生的电子、空穴的数量很 少，无光线照射的条件下阻值很高，通常在 K 级。在光照作用下，光作用产 生的电导率变化很大，阻值急剧下降，一般在100 K 以下，从而表现出较高 的电阻灵敏度。图8.5是常用的硫化镉（CdS）光敏电阻的结构与工作原理。
（8.1）
爱因斯坦光电效应方程式：
1 2 mv 0 A 2
（8.2）
0 式中， ，是电子的静止质量； 是电子逸出物质表面的初始速 度,A 是物质电子逸出功，取决于物质材料并受物质表面状态影响。
v
2.内光电效应 光波照射到半导体材料时，可以激发电子—空穴对，引起半导体内部
载流子数量的改变，这些载流子仍然处于半导体的内部，而不像外光电
K U5 U4 U3 U2 U1 (b) 光电倍增管示意图 (b)直接定向型结构图 A
8.1.2光电器件 2.光电倍增管（PMT） （2）光电倍增管的使用 光电倍增管在选型与使用时，应注意以下问题： （a）光电倍增管的阴极材料按照光电发射材料的不同有单碱与多碱锑 化物光电阴极、银氧铯和铋氧铯光电阴极、紫外光电阴极、III—V族化合物 光电阴极四种类型。不同的光电阴极具有不同的光谱响应范围，实际应用中 应根据检测的光谱要求进行选择。 （b）由于光电倍增管具有很高的灵敏度，实际使用过程中应注意过强的 光线的照射，防止光电倍增管的损坏。 （c）倍增极的加速电压的稳定性对光电倍增管的电流增益稳定性具有直 接影响作用，应用光电倍增管进行微弱光线检测电路设计时，选择高稳定性 的电源对系统增益稳定性的提高具有重要作用。 （d）外磁场光电倍增管的光电流具有影响作用，是一种重要的噪声来源 之一，对光电倍增管进行良好的电磁屏蔽是克服外来电磁场干扰的技术措施。 背景噪声的干扰可以通过光滤波片加以限制。同光电管一样，光电倍增管也 存在暗电流，应考虑降温、选择合适的工作电压等技术措施防止暗电流的增 长，提高信噪比。
8.1.1光电效应
1.外光电效应 在光的照射下，物质表面具有电子逸出并向外发射光电子的现象，即光电 发射效应。根据光的粒子性，光束是由大量的光子微粒所形成的粒子流所组 成，每个光子微粒具有特定的能量：
hv
hv
m 9.10911031 kg
效应那样向外发射光电子，所以称作内光电效应。
8.1.2光电器件 1.光电管 光电管是一个封装有光电阴极与阳极的玻璃器件、结构简单，具体结构 形式多种多样。图8.3是一种真空光电管的外型示意图。光电管的阴极受到
光线的照射作用会在极短的时间内（通常都在ns范围内）产生外光电效应，
向外发射光电子。被发射的光电子在阳极加速电压的作用下进行聚集与加 速，在空间形成光电子流。通过电极引脚外接适当的电阻器件，即可将光
8.1 光电式传感器
光电式传感器是以光电器件作为转换元件，实现光—电信息转 换的一种能量型传感器。不但能够适应检测可见光的需要，也能够满
足对紫外光或近红外光的检测需要。
特点：响应速度快、性能稳定可靠、非接触测量、灵敏度高等 应用：在生产线的产品计数、气体成分分析、光控、工业生产烟
尘监测、零件的表面粗糙度测量、振动监测与分析
电流转换为电压输出进行信号处理。
阴极涂料 E 阳极 光 RL U0
阴极 管脚 (a) 图8.3 (a)光电管结构 (b) 光电管结构示意图
(b)工作原理
8.1.2光电器件 2.光电倍增管（PMT） 由于光电管的灵敏度难以适应微弱光的检测要求，即使在电路设计上使 光电流信号能够被放大到一定程度，但是受到噪声电平的影响，检测信号 的信噪比也满足不了工程应用的实际需要。技术上为克服这个缺陷，人们 研制了光电倍增管即光子计数器以满足对微弱光线的检测需求。 （1）光电倍增管的结构与工作原理 光电倍增管的基本组成包括光电阴极、一定数量的倍增电极、阳极与真 空管外壳四部分。光电倍增管的结构如图8.4所示。 光 光电倍增管是利用高速电子的撞 A 击产生二次电子发射效应进行光电流 放大的内增益光电器件。阴极光电敏 感材料在光照作用下产生的光电子， 依次在各倍增电极电压的作用下加速 撞击，倍增电极材料在高速电子的轰 光 K 击下产生二次电子发射，使电子数目 (a) 图8.4 逐级增加，最后大量的二次发射电子 (a)倍增原理图 与光电子一起被阳极收集形成随输入 光信号变化的光电流。
光 梳状电极 光导体 I A E (a) 光敏电阻 RL UL
(b) 图8.5 光敏电阻的结构与工作原理 (b) 光敏电阻结构
(a) 光敏电阻工作原理
8.1.2光电器件 4.光电二极管 光电二极管具有从紫外（200nm）到红外（1100nm）较宽的光谱响应范 围，具有较高的灵敏度，光电流与入射光强具有很好的线性度。
RD IP ID RL I E （b） （a） 图8.7 光电二极管工作模式 （a）光电导模式 （b）光电压模式 IP ID RD IHale Waihona Puke BaiduRL
图8.7（a）是光电导模式，此时光电二极管处于反向偏置状态，输出的光 电压可由式（8.5）确定：
U L I P RL
（8.5）
式中IP为光生电流，RL负载电阻。 光电压工作模式如图8.7（b）所示，光电二极管不需要外加偏置电压当 光电二极管接受光照射时，光电流在大负载的两端或开路时产生相应的输 出光电压。
8.1.2光电器件 5.光电三极管 光电三极管从结构上看相当于在基极与集电极之间接有PN光电二极管的 普通三极管， 光电三极管同普通三极管一样也具有PNP与NPN两种结构形式
8.1.2光电器件 3.光敏电阻 光敏电阻是电阻阻值随光照改变工作的电阻器件。由于具有较高的光 谱灵敏度、结构紧凑小巧、工作性能稳定、价格低廉，在现代光检测、光控 制领域具有广泛应用。 （1）光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻的结构相对简单，用于制造光敏电阻的半导体材料禁带宽度 往往都较高，如硫化镉CdS（禁带宽度为2.4eV）、硒化镉CdSe（禁带宽度 为1.8 eV）。选用高禁带宽度的半导体材料制作光敏电阻其目的是提高光敏 电阻的灵敏度。常温下，这类半导体由于热激发产生的电子、空穴的数量很 少，无光线照射的条件下阻值很高，通常在 K 级。在光照作用下，光作用产 生的电导率变化很大，阻值急剧下降，一般在100 K 以下，从而表现出较高 的电阻灵敏度。图8.5是常用的硫化镉（CdS）光敏电阻的结构与工作原理。
（8.1）
爱因斯坦光电效应方程式：
1 2 mv 0 A 2
（8.2）
0 式中， ，是电子的静止质量； 是电子逸出物质表面的初始速 度,A 是物质电子逸出功，取决于物质材料并受物质表面状态影响。
v
2.内光电效应 光波照射到半导体材料时，可以激发电子—空穴对，引起半导体内部
载流子数量的改变，这些载流子仍然处于半导体的内部，而不像外光电
K U5 U4 U3 U2 U1 (b) 光电倍增管示意图 (b)直接定向型结构图 A
8.1.2光电器件 2.光电倍增管（PMT） （2）光电倍增管的使用 光电倍增管在选型与使用时，应注意以下问题： （a）光电倍增管的阴极材料按照光电发射材料的不同有单碱与多碱锑 化物光电阴极、银氧铯和铋氧铯光电阴极、紫外光电阴极、III—V族化合物 光电阴极四种类型。不同的光电阴极具有不同的光谱响应范围，实际应用中 应根据检测的光谱要求进行选择。 （b）由于光电倍增管具有很高的灵敏度，实际使用过程中应注意过强的 光线的照射，防止光电倍增管的损坏。 （c）倍增极的加速电压的稳定性对光电倍增管的电流增益稳定性具有直 接影响作用，应用光电倍增管进行微弱光线检测电路设计时，选择高稳定性 的电源对系统增益稳定性的提高具有重要作用。 （d）外磁场光电倍增管的光电流具有影响作用，是一种重要的噪声来源 之一，对光电倍增管进行良好的电磁屏蔽是克服外来电磁场干扰的技术措施。 背景噪声的干扰可以通过光滤波片加以限制。同光电管一样，光电倍增管也 存在暗电流，应考虑降温、选择合适的工作电压等技术措施防止暗电流的增 长，提高信噪比。