光電傳感器1.ppt.convertor

1、光電傳感器光電傳感器是采用光電元件做為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此在檢測(cè)和控制領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。下一節(jié)一、光電效應(yīng)與光電器件光電元件是光電傳感器中最重要的部件，常見(jiàn)的有真空光電元件和半導(dǎo)體光電元件兩大類(lèi)。它們的工作

2、原理都基于不同形式的光電效應(yīng)。根據(jù)光的波粒二象性，我們可以認(rèn)為光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的’粒子流，這種粒子稱(chēng)為光子。每個(gè)光子具有的能量為E=hυ(61)式中，υ為光波頻率；h為普朗克常數(shù)，h＝6.631034JHz由此可見(jiàn)，對(duì)不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看做是一連串能量為Au的光子轟擊在這個(gè)物體上，此時(shí)光子能量就傳遞給電子，并且是一個(gè)光子的全部能量一次性地被一個(gè)電子所吸收，電子得到光子

3、傳遞的能量后其狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，我們把這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為三類(lèi)：1)在光線(xiàn)作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電信增管等。2)在光線(xiàn)作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等。3)在光線(xiàn)作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等

4、。(一)光電管、光電倍增管光電管和光電倍增管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件。下面簡(jiǎn)要介紹它們的結(jié)構(gòu)和工作原理。1光電管光電管的外形和結(jié)構(gòu)如圖611所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽(yáng)極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時(shí)，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子

5、稱(chēng)為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動(dòng)能為(1／2)mυ2根據(jù)能量守恒定律有式中，m為電子質(zhì)量；為電子逸出的初速度。由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是hA。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對(duì)每一種陰極材料，入射光都有一個(gè)確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，都不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱(chēng)為“紅限”。相應(yīng)的波長(zhǎng)為62式中，c為光速；A為逸出功。光電管正常工作時(shí)，陽(yáng)極電位高于陰極，如圖612所示。在人射

6、光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子1)暗電阻、亮電阻光敏電阻在室溫和全暗條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱(chēng)為暗電阻，或暗阻。此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為暗電流。例如MG4121型光敏電阻暗阻大于等于0.1M。光敏電阻在室溫和一定光照條件下測(cè)得的穩(wěn)定電阻值稱(chēng)為亮電阻或亮阻。此時(shí)流過(guò)的電流稱(chēng)為亮電流。MG41—21型光敏電阻亮阻小于等于1k。亮電流與暗電流之差稱(chēng)為光電流。顯然，光敏電阻的暗阻越大越

7、好，而亮阻越小越好，也就是說(shuō)暗電流要小，亮電流要大。這樣光敏電阻的靈敏度就高。2)伏安特性在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與流過(guò)光敏電阻的電流之間的關(guān)系，稱(chēng)為伏安特性。由圖616可知，光敏電阻伏安特性近似直線(xiàn)，而且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。受耗散功率的限制，在使用時(shí)，光敏電阻兩端的電壓不能超過(guò)最高工作電壓，圖中虛線(xiàn)為允許功耗曲線(xiàn)，由此可確定光敏電阻正常工作電壓。3)光電特性光敏電阻的光電流與光照度之間的關(guān)系稱(chēng)為光電特性。如圖617所示，光敏電阻

8、的光電特性呈非線(xiàn)性。因此不適宜做檢測(cè)元件，這是光敏電阻的缺點(diǎn)之一，在自動(dòng)控制中它常用做開(kāi)關(guān)式光電傳感器。4)光譜特性對(duì)于不同波長(zhǎng)的入射光，光敏電阻的相對(duì)靈敏度是不相同的。各種材料的光譜特性如圖618所示。從圖中看出，硫化鎘的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域，而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域，因此在選用光敏電阻時(shí)應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類(lèi)結(jié)合起來(lái)考慮，才能獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。5)頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照時(shí)，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，光照突然消失時(shí)，光電流

9、也不立刻為零。這說(shuō)明光敏電阻有時(shí)延特性。由于不同材料的光敏電阻時(shí)延特性不同，所以它們的頻率特性也不相同。圖619給出相對(duì)靈敏度Kr，與光強(qiáng)變化頻率f之間的關(guān)系曲線(xiàn)，可以看出硫化鉛的使用頻率比硫化鉈高的多。但多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都較大，因此不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合，這是光敏電阻的一個(gè)缺陷。6)溫度特性光敏電阻和其他半導(dǎo)體器件一樣，受溫度影響較大，當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻會(huì)下降。溫度的變化對(duì)光譜特性也有很大影響。圖6110是硫化鉛光敏電阻的

10、光譜溫度特性曲線(xiàn)。從圖中可以看出，它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。因此，有時(shí)為了提高靈敏度，或?yàn)榱四芙邮苓h(yuǎn)紅外光而采取降溫措施。(三)光敏晶體管光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管，它們的工作原理也是基于內(nèi)光電效應(yīng)，和光敏電阻的差別僅在于光線(xiàn)照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，PN結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。1工作原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管相似，只是它的PN結(jié)裝在管殼頂部，光線(xiàn)通過(guò)透鏡制成的窗口，可以集中照射在PN結(jié)上，圖6111a是其結(jié)構(gòu)