最新传感器技术实用教程 教学课件 作者 吕勇军 第7章光学测量传感器教学讲义PPT
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E=hν
h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）
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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109s。
14
内光电效应又可分为以下两类：
❖ 1）光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量后引起物质电导率 发生变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光 电器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管等。
❖ 2）光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的 现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光 电池等。
16
7.3 光敏电阻
1. 光敏电阻的结构与工作原理
光敏电阻又称光导管，是利用半导体光敏材料制成的 一类光电器件，其作用原理基于光电导效应。当无光照时， 光敏电阻具有极高的阻值；当光敏电阻受到一定波长范围 的光照射时，其电阻阻值降低，光线越强，电阻值越低， 当光照停止后，其电阻阻值在一段时间后恢复原值。
传感器技术实用教程 教学课件 作者 吕勇军 第7章光学测量传
感器
7.1 1.2 7.2 1.2 7.3
7.4 7.5 7.6
7.7 7.8
2021/1/2
第7章光学测量传感器
概述
光电效应 光敏电阻 光敏晶体管 光电耦合器
光电池 光纤传感器
CCD传感器 2
❖光电式传感器是以光为测量媒介，将被测量的 变化所引起的光信号的变化通过光电器件转换 成电信号的一类传感器。
2、内光电效应：在光线作用下，物体的导电性能发生 变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。
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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wk.baidu.com量：
气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。
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❖3、发光二极管 LED（Light Emitting Diode）
定义：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，其实质是将电能直接转换成光能，利用 这种现象制成的器件称为电致发光器件。
❖ 如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。其中 应用较多的是发光二极管，制作发光二极管的材料很 多，材料不同，发出的光的波长不同，从而能够发出 各种不同颜色的光，发光二极管常用的材料与发光波
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7.3 光敏电阻
❖光敏电阻又称光导管，是利用半导体光敏材料 制成的一类光电器件，其作用原理基于光电导 效应。当无光照时，光敏电阻具有极高的阻值； 当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，其 电阻阻值降低，光线越强，电阻值越低，当光 照停止后，其电阻阻值在一段时间后恢复原值。
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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，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。
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根据能量守恒定理
h 1 2m02 A0
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。
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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。
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7.2光电效应
所谓光电效应是指物体吸收了光能后把光能转换为该物 体中某些电子的能量而产生的电效应。 光电效应按原理又分为以下3种： 1、外光电效应：在光线照射下，电子逸出物体表面向外 发射的现象称为外光电效应。其中，向外发射的电子称 为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。
❖它即可用于检测直接引起光强变化的非电量， 如光强、照度、温度、气体成分分析等；也可 用来检测能通过一定方式转换为光量变化的一 些非电量，如物体的位移、速度、加速度、表 面粗糙度等。
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3
光电式传感器常用的光源
❖2、气体放电光源
定义：利用电流通过气体产生发光现象的原理制成的光源 称为气体放电光源。
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7.3 光敏电阻
❖ 当在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在 带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻是 一个纯电阻器件，没有极性，因而使用时既可加直流 电压, 也可以加交流电压。制造光敏电阻的材料一般由 金属的硫化物、硒化物、碲化物等组成。由于光电导 效应只限于光照的表面薄层，因此光敏材料一般都做 成薄层。同时为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极 常采用梳状图案，如图7-2 a所示：为了避免外来干扰， 光敏电阻外壳的入射孔上盖有一种能透过所要求光谱 范围光的透明保护窗（如玻璃），同时为了避免光敏 电阻的灵敏度受潮湿等因素的影响，通常将光敏材料 严密封装在金属壳中。
气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条 件有关。通过改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的 大小等，可以得到所需光谱范围的辐射源。
低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的 光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯 的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。 如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂 可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择 可以使气体放电发出某一范围的波长，如：照明日光灯。
长见表7-1：
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发光二极管常用的材料与发光波长
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4、激光器
激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向 性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24μm到远红 外整个光频波段范围。
激光器种类繁多，按工作物质分类： 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） 半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器
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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109s。
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内光电效应又可分为以下两类：
❖ 1）光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量后引起物质电导率 发生变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光 电器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管等。
❖ 2）光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的 现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光 电池等。
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7.3 光敏电阻
1. 光敏电阻的结构与工作原理
光敏电阻又称光导管，是利用半导体光敏材料制成的 一类光电器件，其作用原理基于光电导效应。当无光照时， 光敏电阻具有极高的阻值；当光敏电阻受到一定波长范围 的光照射时，其电阻阻值降低，光线越强，电阻值越低， 当光照停止后，其电阻阻值在一段时间后恢复原值。
传感器技术实用教程 教学课件 作者 吕勇军 第7章光学测量传
感器
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7.4 7.5 7.6
7.7 7.8
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第7章光学测量传感器
概述
光电效应 光敏电阻 光敏晶体管 光电耦合器
光电池 光纤传感器
CCD传感器 2
❖光电式传感器是以光为测量媒介，将被测量的 变化所引起的光信号的变化通过光电器件转换 成电信号的一类传感器。
2、内光电效应：在光线作用下，物体的导电性能发生 变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。
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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wk.baidu.com量：
气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。
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❖3、发光二极管 LED（Light Emitting Diode）
定义：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，其实质是将电能直接转换成光能，利用 这种现象制成的器件称为电致发光器件。
❖ 如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。其中 应用较多的是发光二极管，制作发光二极管的材料很 多，材料不同，发出的光的波长不同，从而能够发出 各种不同颜色的光，发光二极管常用的材料与发光波
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7.3 光敏电阻
❖光敏电阻又称光导管，是利用半导体光敏材料 制成的一类光电器件，其作用原理基于光电导 效应。当无光照时，光敏电阻具有极高的阻值； 当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，其 电阻阻值降低，光线越强，电阻值越低，当光 照停止后，其电阻阻值在一段时间后恢复原值。
2021/1/2
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，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。
2021/1/2
根据能量守恒定理
h 1 2m02 A0
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。
2021/1/2
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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。
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7.2光电效应
所谓光电效应是指物体吸收了光能后把光能转换为该物 体中某些电子的能量而产生的电效应。 光电效应按原理又分为以下3种： 1、外光电效应：在光线照射下，电子逸出物体表面向外 发射的现象称为外光电效应。其中，向外发射的电子称 为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。
❖它即可用于检测直接引起光强变化的非电量， 如光强、照度、温度、气体成分分析等；也可 用来检测能通过一定方式转换为光量变化的一 些非电量，如物体的位移、速度、加速度、表 面粗糙度等。
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光电式传感器常用的光源
❖2、气体放电光源
定义：利用电流通过气体产生发光现象的原理制成的光源 称为气体放电光源。
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7.3 光敏电阻
❖ 当在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在 带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻是 一个纯电阻器件，没有极性，因而使用时既可加直流 电压, 也可以加交流电压。制造光敏电阻的材料一般由 金属的硫化物、硒化物、碲化物等组成。由于光电导 效应只限于光照的表面薄层，因此光敏材料一般都做 成薄层。同时为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极 常采用梳状图案，如图7-2 a所示：为了避免外来干扰， 光敏电阻外壳的入射孔上盖有一种能透过所要求光谱 范围光的透明保护窗（如玻璃），同时为了避免光敏 电阻的灵敏度受潮湿等因素的影响，通常将光敏材料 严密封装在金属壳中。
气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条 件有关。通过改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的 大小等，可以得到所需光谱范围的辐射源。
低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的 光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯 的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。 如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂 可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择 可以使气体放电发出某一范围的波长，如：照明日光灯。
长见表7-1：
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发光二极管常用的材料与发光波长
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4、激光器
激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向 性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24μm到远红 外整个光频波段范围。
激光器种类繁多，按工作物质分类： 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） 半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器