第7章 光电式与光导式传感器资料

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• 1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射等 光电效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。
• 爱因斯坦认为，光是由一群光子组成 的，每一个光子具有的能量E正比于 光的频率v，即E=hv (h为普朗克常数)， 光子的频率越高(即波长越短)光子的 能量就越大。比如相同光通量的绿色 光的光子就比红色光的光子能量大， 而相同光通量的紫外线能量比红外线 的能量大得多，紫外线可以杀死病菌， 改变物质的结构等。爱因斯坦确立了 光的波动—粒子两重性质，并为实验 所证明。
• （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
光电器件有光敏晶体管、光电池。
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7.1.2 外光电效应的光电器件
1．光电管 • 光电管有真空和充气光电管，常见的光电管外形和电路如图所
示，阳极A与阴极K封装在一个玻璃壳内，当入射光照射在阴极 上，阴极表面电子吸收光子的能量，当其自身能量足以克服阴 极束缚力的时候，就会逸出阴极表面，如果在阴极与阳极之间 加以正向电压，逸出的电子就会定向射向阳极而形成光电流。
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• 光电管主要有以下几点特性：
(1).光电管的光谱特性 光电管的光谱特性是指光电管在工作电压不变的条件下，入射光 的波长与其绝对灵敏度（即量子效率）的关系。光电管的光谱特 性主要取决于阴极材料，常用的阴极材料有银氧铯光电阴极、锑 铯光电阴极、铋银氧铯光电阴极及多硷光电阴极等，前两种阴极 使用比较广泛，图3和图4分别给出了它们的光谱特性曲线。
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1）外光电效应：在光线作用下，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。
2）内光电效应：在光线作用下，物体的导电性(电阻率)能发 生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。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，对于半导体材料吸收 了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁 带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半 导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。 光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。
• 利用内光电效应（光电导效应）工作的器件有光敏电阻 等。
• 利用光生伏特效应（阻挡层光电效应）工作的器件有光 电晶体管、光电池等。
• 光纤传感器以及CCD可以作为了解内容。授课时可以拿
鼠标作为一个光敏二极管、三极管的应用实例，有实验
设备的应开设本实验。
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• 几个世纪以来，关于光的本质，一直是物理学界争论 的一个课题。两千多年前，人类已了解到光的直线传 播特性，但对光的本质并不了解。1860年，英国物理 学家麦克斯韦建立了电磁理论，认识到光是一种电磁 波。光的波动学说很好地说明了光的反射、折射、干 涉、衍射、偏振等现象，但是仍然不能解释物质对光 的吸收、散射和光电子发射等现象。1900年德国物理 学家普朗克提出了量子学说，认为任何物质发射或吸 收的能量是一个最小能量单位(称为量子)的整数倍。
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(2).光电管的伏安特性 光电管的伏安特性是指在一定光通量照射下，光电管阳极与阴极之间的电
压UA与光电流IΦ之间的关系。光电管在一定光通量照射下，光电管阴极在单 位时间内发射一定量的光电子，这些光电子分散在阳极与阴极之间的空间， 若在光电管阳极上施加电压UA，则光电子被阳极吸引收集，形成回路中的光 电流IΦ。当阳极电压升高，阳极发射的光电子指引一部分被阳极收集，其余 部分仍返回阴极。随着阳极电压的升高，阳极在单位时间内收集到的光电子 数增多，光电流IΦ也增加。如果阳极电压升高到一定数值时，阴极在单位时 间内发射的光电子全部被阳极收集，称为饱和状态，以后阳极电压升高，光 电流IΦ也不会增加 。
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• 光照射在物体上会产生一系列的物理或化学效应，例 如植物的光合作用，化学反应中的催化作用，人眼的 感光效应，取暖时的光热效应以及光照射在光电元件 上的光电效应等。
• 光电传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的 传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外 线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探 测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多 非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的 变化，就可以将非电量的变化转换成电量的变化。
• 本章介绍光电效应、光电元件的结构和工作原理及特性， 着重介绍光电传感器的各种应用。
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7.1光电效应及分类 1.光电效应 • 光电传感器的工作原理基于光电效应。所谓光
电效应是指光照射在某些物质上时，物质的电 子吸收光子的能量而发生相应的电效应现象， 如导电率变化、释放电子和产生电动势等。释 放的电子叫光电子，能产生光电效应的物质叫 光电材料。根据光电效应制造的转换元件称为 光电元件或光敏元件。 • 根据光电效应现象的不同将光电效应分为两类。
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• 光电传感器具有结构简单、精度高、响应速度快、非接触 等优点。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之 一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地 位。
• 因此,利用各种光电元件制成的光电传感器广泛用于转速、 位移、温度、浓度、浊度、距离等参数的测量，还可用于 产品的计数、机床的保护装置等。随着电子工业的发展， 新光源、新光电元件(如光导纤维、电荷耦合摄像、光电位 置敏感元件)的出现，使光电传感器应用范围日趋扩大，不 仅能测量一维量而且能够测量二维量，直接获得图形符号。 光电传感器是一种很有发展前途的传感器。
广东技术师范学院 传感技术与信号处理
第7 章
第7章 光电式与光导式传感器
7.1.1 光电效应及分类 7.1.2 外光电效应的光电器件 7.1.3 内光电效应器件 7.1.4 光电元件的基本应用电路 7.1.5* 光电开关及光电断续器 7.2 光电传感器的应用 7.3 光导式传感器
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教学提要（重难点）、课程内容、教学要求、实验指导。
• 重点掌握光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管以及光 电池的原理和应用。
• 光电式传感器的核心部件是光电器件，它是将光能转换 为电能的一种传感器件。光电器件的理论基础是光电效 应，即金属、半导体等材料在光照下释放出电子的现象。 根据释放出的电子的分布的不同，光有光电管、光电倍增管等。