光电传感器(详细)

电磁波波谱图 光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速 c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波 长λ和频率ν的关系为 ν的单位为Hz，λ的单位为cm。
二、光源（发光器件） 1、白炽灯 2、气体放电灯 3、发光二极管 4、激光器
• 常见的光源有哪几类？ 自然光源－－太阳光 人工光源－－热辐射光源 气体放电光源 激光器 电致发光器件
U R I 光强
光电管的结构示意图
2. 主要性能
光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光 谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。
（1） 光电管的伏安特性
IA/ μA
12 10 120μlm 100μlm 80μlm 60μlm 40μlm 20μlm 50 100 150 200
1 2 h m 0 A0 2
式中 m—电子质量；v0—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，取决于光电子的能量是否大于该物 体的表面电子逸出功 A0。不同的物质具有不同的逸出功， 即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率 或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使 物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强 再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红 限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。
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。
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
概述 外光电效应器件 内光电效应器件 其他光传感器 光传感器的应用举例
第一节
概
述
一、光谱 光波：波长为10—106nm的电磁波 可见光：波长380—780nm 紫外线：波长10—380nm， 波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线， 红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。
式中ν和λ—入射光的频率和波长。 一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC ， 只有波长小于λC 的光照射在光电导体上，才能产生电 子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。
光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导 光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连 接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能 改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。
8
6 4 2 0
光电管的伏安特性
在一定的光照射 下，对光电器件的阴 极所加电压与阳极所 产生的电流之间的关 系称为光电管的伏安 特性。光电管的伏安 特性如图所示。它是 应用光电传感器参数 的主要依据。
（2） 光电管的光照特性
通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压 一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照 特性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光 管的光照特性，光电 电 IA/ μA 流I与光通量成线性关 系。曲线2为锑铯阴极 100 的光电管光照特性， 它成非线性关系。光 75 2 照特性曲线的斜率 50 1 （光电流与入射光光 25 通量之间比）称为光 电管的灵敏度。 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Φ/1m
1. 光敏电阻的工作原理
当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征 半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带 上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带 的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的 跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg， 即
hν=
hc

=
1.24
≥Eg(eV)
I RL RG E
光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性， 光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、 重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。
2. 光敏电阻的主要参数和基本特性 （1）暗电阻、亮电阻、光电流
暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射） 后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在 给定电压下流过的电流。 亮电流：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。 光电流：亮电流与暗电流之差。 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能 越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的 光敏电阻的灵敏度越高。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至 高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电 阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。
• 三、电致发光器件－－发光二极管 • 什么是电致发光器件？ 固体发光材料在电场激发下产生的发光现 象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能 的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发 光器件。 • 哪些器件属于电致发光器件？ 主要有发光二极管、半导体激光器、电致发 光屏等。
• 发光二极管有哪些优点？ 体积小 寿命长（50000 h） 工作电压低 响应速度快 发热小 • 发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流约在 几十毫安之内，太大会引起输出光强饱和，甚至损坏 器件，使用时常串连一电阻。
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。如核 仪器中闪烁探测器都使用的 是光电倍增管做光电转换元 件。 光电倍增管是利用二次电 子释放效应，高速电子撞击 固体表面，发出二次电子， 将光电流在管内进行放大。
由光阴极、次阴极 ( 倍增电极 ) 以及阳极三部分 组成。次阴极多的可达 30 级；阳极是最后用来收集 电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的 105-106 倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到 几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高 几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就 能产生很大的光电流。
光电管的光照特性
（3）光电管光谱特性
由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对 光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极 电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般 对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限 频率υ0，因此它们可用于不同的光谱范围。
二、光电倍增管及其基本特性
1. 结构和工作原理
• 四、激光器 • 激光器laser，是“光受激辐射放大”的缩写， 即light amplification by stimulated emission of radiation. • 某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量， 从低能级跃迁到高能级上，如果处于高能级的粒 子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反 转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地 跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的 光子。由于单位时间受激发射光子数远大于激发 光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大。 具有这种功能的器件称为激光器。
2、内光电效应
当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化， 或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于 半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电 导效应和光生伏特效应两类。
（1） 光电导效应
在光线作用，电子吸收 光子能量从键合状态过 渡到自由状态，而引起 材料电导率的变化，这 种现象被称为光电导效 应。基于这种效应的光 电器件有光敏电阻。
（2）光照特性
下图表示CdS(硫化镉 )光敏电阻的光照特性。在一定外 加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。 不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均 呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电 阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。 Lx照度单位：单位面积的光通量
I/mA 5 4 3 2 1 0
• 二、气体放电光源 • 什么是气体放电光源？ 电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制 成的光源称为气体放电光源。 • 气体放电光源的光谱与什么有关？ 其光谱是不连续的，光谱与气体的种类以及放电 条件有关。 • 哪些光源属于气体放电光源？ 低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯统称为光谱 灯，常用作单色光源。还有氙灯。
1000
2000
L/lx
（3） 伏安特性
在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电 流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示 照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知， 在给定偏压下 , 光照度较大，光电流也越大。在一定 的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无 饱和现 I/ μA 象。但是电压不能无限地 2 200 增大，因为任何光敏电阻 150 都受额定功率、最高工作 电压和额定电流的限制。 100 1 超过最高工作电压和最大 50 额定电流，可能导致光敏 0 20 40 U/V 电阻永久性损坏。
h
hc


1.24

Eg
（2） 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。基于该效应的光电器件有光 电池和光敏二极管、三极管。
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，产生光电动 势的现象，称为结光电效应。以
PN结为例，光线照射PN结时，设光子 能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电 子跃迁到导带，而产生电子空穴对， 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。
不加偏压的PN结
加偏压的PN结
第二节 外光电效应器件
利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制 成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件， 如光电管和光电倍增管。
一、光电管及其基本特性 1. 结构
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，臵于玻璃管的中央。
• 激光器有哪些优点？ 单色性好、方向性好、亮度高、相干性好 • 激光器有哪几种？ 固体激光器（红宝石） 气体激光器（He-Ne）,（CO2，远红外光源） 半导体激光器（体积小，能量高，电源简单） 液体激光器
三、光电效应
是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能 量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于 光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两 大类
• 一、热辐射光源 • 什么是热辐射光源？ 热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这 种原理的光源称为热辐射光源。 • 哪些光源属于热辐射光源？ 白炽灯 卤钨灯 • 热辐射光源的峰值波长与什么有关？ 物体温度越高，辐射能量越大，波长越短。
• 热辐射光源有哪些特点？ 输出功率大 响应速度慢，调制频率低于1kHz，不能 用于快速的正弦和脉冲调制。 白炽灯为可见光源，峰值波长在近红外 区域，可用作近红外光源。
当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成 正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的 电子数也就越多。
光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外 光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会 有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电 压，而且截止电压与入射光的频率成正比。
第三节 内光电效应器件
利用物质在光的照射下电导性能改变（ρ）或产生电 动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电 阻、光电池和光敏晶体管等。 一、光敏电阻 光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工Biblioteka Baidu原 理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。 优点：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。 不足：需要外部电源，有电流时会发热。
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。向外发射的电子叫做 光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电 倍增管等。 光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：
E=hν
h—普朗克常数，6.626×10-34J· s；ν—光的频率（s-1）
根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量 ，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能 量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸 出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物 ，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s 。 根据能量守恒定理