第7章光电式与光纤传感器..doc

第7章 光电式传感器 光电式传感器（Photoelectric Sensor）：以光电效应为基础，将光信号（光量的变化）转换为电信号（电量的变化）的一种传感器。 7.1 光电效应（Photoelectric Effect, Photoeffect） 爱因斯坦光子学说： 光是由一连串具有一定能量的粒子组成，其能量大小等于。 —普朗克常数 —光的频率（） 不同频率的光具有不同的能量，光的频率越高，其光子能量越大。 光照射到物体表面后产生光电效应，分为两类： 外光电效应（光电发射 Photoeletric Emission） 在光线作用下，能使物体内的电子逸出物体表面的现象。 基于外光电效应的光电器件（光敏元件）：光电管、光电倍增管 根据爱因斯坦光电效应方程： （能量守恒定律） A0— 某物体的电子的逸出功 V—电子的逸出速度。 结论: （1）当光子能量，即时，才有光电子逸出物体表面，产生外光电效应。 当，即（红限频率）时，光电子的。 当时，不论光强度有多大，都不会使物体发射出光电子，不会产生外光电效应。 （2）光电子的初动能取决于光的频率，。 内光电效应（Inner Photoeffect） （1）光电导效应 在光线作用下，某些物体（本征半导体）内部的原子释放电子，这些电子并不逸出物体表面，但使物体的电导率发生变化的效应被称为光电导效应。 基于光电导效应的光电器件：光敏电阻 为实现能级的跃迁，入射光的 能量必须满足 即：入射光的波长必须 （波长限） （2）光生伏特效应 在光线作用下，物体（半导体）内部的原子释放电子，这些电子并不逸出物体表面，但使物体产生光生电动势的效应被称为光生伏特效应。 基于光生伏特效应的光电器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管 7.2 外光电效应的光电器件 光电管（真空） 光电倍增管 阳极电流I为： i—光电阴极的光电流； —各倍增电极的二次电子发射系数； n—光电倍增管极数。 光电倍增管的电流放大倍数为 7.3 内光电效应的光电器件 1. 光敏电阻（光电导管Photoconductor, Photoconductive Tube） （1）工作原理 基于光电导效应。 无光照时，RG很大，I很小； 有光照时，RG急剧减小，I迅速 增大。 （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 暗电阻—在未受到光（某种波长）照射时的阻值称为暗电阻，流过的电流为暗电流。 亮电阻—在受到光（某种波长）照射时的阻值称为亮电阻，流过的电流为亮电流。 光电流=亮电流—暗电流 暗电阻越大，亮电阻越小，则光敏电阻的性能越好。即暗电流要小，亮电流要大。一般，暗电阻1MΩ, 亮电阻(1~10)KΩ。 ② 光敏电阻的伏安特性 ③ 光敏电阻的光照特性 ④ 光敏电阻的光谱特性 ⑤ 光敏电阻的响应时间和频率特性 光电流的变化相对于光的变化，存在滞后，这是光电导的“弛豫现象”。 ⑥ 光敏电阻的温度特性 随着温度的升高，它的暗电阻和灵敏度都下降。 2. 光电池（Photocell） 在光线照射下，直接能将光能量转变为电动势的光电元件（电压源）。 应用最广、最有发展前途的是：硅光电池、硒光电池 （1）光电池的结构原理（基于光生伏特效应） （2）光电池的主要特性（P140） 光电池的光谱特性 光电池的光照特性 光电池的频率特性 光电池的温度特性 3. 光敏二极管和光敏三极管 （1）光敏二极管 无光照时，光敏二极管反向电阻很大，反向饱和漏电流（暗电流）很小，处于截止状态； 受光照时，产生光电流，光的照度越大，光电流越大，光敏二极管处于导通状态。 （2）光敏三极管 1）工作原理 无光照时，集电极反偏，反向饱和 漏电流很小； 有光照时，在PN结附近产生光生 电子-空穴对，在PN结