Xie-第三章(7)-光電式傳感器

第三章傳感器基本原理（6）

?光電式傳感器內容提要：光電式傳感器概述光電元件光電傳感器的應用1.光電式傳感器概述光電傳感器的基本轉換原理將被測量轉換成光信號的變化，然后將光信號作用于光電元件而轉換成電信號的輸出。隨著激光光源、光柵、光導纖維等的相繼出現和成功應用，使得光電傳感器越來越廣泛地應用于檢測和控制領域。定義：某些物質在光的作用下電特性發(fā)生變化的現象。分類外光電效應內光電效應現象發(fā)生在物體表面現象發(fā)生在物體內部光電效應光電導效應：某些物體受到光照射時，其內部原子釋放的電子留在內部而使物體的導電性增加、電阻值下降的現象。光生伏特效應：物體在光的照射下能產生一定方向的電動勢的現象。2.光電元件常用的光電轉換元件光電管光電倍增管光敏電阻光敏二極管光敏三極管光電池作用：檢測照射的光通量選用何種形式的光電轉換元件取決于被測參數所需的靈敏度、響應速度、光源特性及測量環(huán)境和條件等。光電管光電倍增管光敏電阻光敏二極管光敏三極管光電池圖例光電管陽極與陰極封裝在一個玻璃殼內，當入射光照射在陰極上，陰極表面電子吸收光子能量，并克服陰極束縛力逸出陰極表面。若在陰極與陽極之間加以正向電壓，逸出電子射向陽極形成光電流。該過程用愛因斯坦方程表示為：式中，m電子質量；

v電子逸出時的初速度；

A逸出功光電子逸出物體時所具有的動能，與入射光的頻率有關，與材料有關。對某種材料的光電管而言，若想在光照下有光電流生成，不僅需要在陽極與陰極間加有正向電壓，還需要入射光有足夠的能量。入射光的頻率必須大于某一極限，即

，該頻率稱為“紅限”。在普通光電管陰、陽極基礎上，加入光電二次發(fā)射的倍增極。倍增極上有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料。工作時，電極的電位逐級提高。光電倍增管陰極陽極工作原理：當光照射陰極K時，陰極的光電子受第一倍增極VD1正電位的作用，加速并打在VD1上，由VD1產生二次發(fā)射電子，在更高電位VD2極作用下，又加速射到VD2極上，VD2極又將產生二次發(fā)射，逐級加速直到最后到達陽極A。若每級的倍增率均為，且倍增極個數為n，則光電倍增管的靈敏度為普通光電管的n倍。一般n為914。光電倍增管的輸出特性（光電特性）基本上是一條直線。在半導體光敏材料兩端裝上電極導線，將其封裝在帶有透明窗口的管殼構成光敏電阻。材料：一般由金屬硫化物、硒化物等制成（如硫化鎘、硫化鉛、硫化鉈、硒化鎘、硒化鉛等）。光敏電阻特性：金屬硫化物、硒化物等材料在黑暗環(huán)境下具有很高電阻值。受到光照射時，若光輻射能量足夠大，阻值降低，導電性能增強。工作原理：光敏電阻兩極間加上電壓，便有電流流過。若有光照，電流將增加。光電效應只限于受光照的表面層，因此光敏電阻常做得很薄。結構與一般二極管相似，管芯是一個具有光敏特征的PN結，PN結裝在透明管的頂部，直接接受光照。光敏二極管PN結光敏二極管在電路中處于反向偏置狀態(tài)，沒有光照時，由于PN結反偏，所以光敏二極管截止，反向電流很小。當光照射二極管的PN結時，PN結附近產生電子-空穴對，并在外電場和內電場的共同作用下，漂移越過PN結，產生光電流。此時，光電流與光照度成正比，光敏二極管處于導通狀態(tài)。由三層半導體元件組成，形成兩個PN結。與普通三極管不同，通常只有兩根電極引線。原理：光線通過透明窗口照在集電結上時，使集電結反偏、發(fā)射結正偏。集電結附近產生電子-空穴對。電子受集電結電場吸引流向集電區(qū)，基區(qū)留下空穴。由于空穴帶正電，則基區(qū)電位升高，使電子從發(fā)射區(qū)流向基區(qū)。又由于基區(qū)很薄，只有一小部分從發(fā)射區(qū)來的電子與基區(qū)的空穴結合，大部分電子越過基區(qū)流向集電區(qū)。光敏三極管放大了光電流，其靈敏度比光敏二極管高出許多。光敏三極管一種自發(fā)電式的光電元件，為有源器件。種類有硒、氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘、鍺、硅、砷化鎵等，其中硅光電池的應用最多。硅光電池在一塊N型硅片上用擴散方法摻入一薄層P型雜質，形成一個大面積的PN結。光電池入射光照在P型層上，穿透到PN結，在PN結附近激發(fā)電子空穴對，使其濃度由表及里逐漸下降。在PN結內電場作用下，擴散到PN結附近電子空穴對分離，電子被拉到N型區(qū)，空穴留在P型區(qū)，使N區(qū)帶負電，P區(qū)帶正電，兩者之間形成電位差。若光照連續(xù)，PN結兩側就有穩(wěn)定電動勢輸出。P型區(qū)的多子是空穴，而N型區(qū)的多子是電子。當P型區(qū)與N型區(qū)接合時，雙方多子分別向各自濃度低的一方自由擴散，使空穴和電子分別集結在PN結的N型和P型一邊，在PN結附近形成電場阻止空穴、電子進一步擴散。光通量的計算設光源為一點光源，則光通量是均勻地向所有方向輻射。對于單色光源波長為的輻射光通量