第七节 光电式检测元件

1）光电管与光电倍增管 ✓特性----光电管 b）伏安特性
当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之
间的电压同光电流的关系。
➢ 当阳极电压比较低时，阴极所 发射的电子只有一部分到达阳 极，其余部分受光电子在真空 中运动时所形成的负电场作用， 回到阴极。
➢ 随阳极电压的增强，光电流随之增大。
➢ 当阴极发射的电子全部到达阳极时，阳极电流达到 饱和状态
光敏二极管的反向偏置接线及光
电特性演示
在没有光照时，由 于二极管反向偏置，反 向电流（暗电流）很小 。
— UO +
光照
光敏二 极管的 反向偏 置接法
当光照增加 时，光电流IΦ 与光照度成正 比关系。
光电倍增管的灵敏度：一个光子射 后，阳极所得到的总电子数。
暗电流：由于环境温度、热辐射和其他因素的影响， 即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流。
本底电流：光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全 屏蔽光的情况下，出现的电流。
பைடு நூலகம்
2）光敏电阻 ✓构造 光敏电阻用半导体材料制成,没有极性, 纯粹是一个 电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压
1）光电管与光电倍增管 ✓特性----光电管 c）光谱特性
保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与波长 之间的关系。
红限频率
I. ——铯氧银 II. ——锑化铯 III.——人眼的视觉特征
光电管的光谱特性
1）光电管与光电倍增管 ✓特性----光电倍增管
倍增系数M： Mcn
光电阴极的灵敏度：一个光子射在 阴极上所能激发的电子数。
第七章 光电式传感 器
实验
灵敏电流 计
弧光灯
锌板
铜网
紫外光照射时电流计指针发生偏转

1.光电式传感器常用光源有哪几种，哪些光源可用于红外光源？光电传感器中的光源可简单分为自然光源（对地面辐射很不稳定、无法控制）和人造光源。

1热辐射光源-物体温度越高，辐射能量越大2气体放电光源-改变气体成分、压力、电流、阴极材料和放电电流的大小，可以得到不同光谱范围的辐射源体3电致发光器件•一体积小、寿命长、工作电压低、响应速度快4激光器-单色性好、方向性好、亮度高2.什么是光电式传感器？光电式传感器的基本原理是什么？光电传感器的工作原理基于光电效应3.什么是光电效应，都有哪几种类型？光电效应：当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势）1、外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，形成光电流。

2、内光电效应：又称光导电效应，在光照作用下，物体导电性能（如电阻率发生变化）发生改变的现象。

典型的光电元件有光敏电阻等。

3、光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。

典型光电元件有光电池、光敏（电）二极管、光敏（电）三极管等。

4.计量光栅是如何实现测量的？为何要细分？如何细分？目的：精密测量中，为测量比一般栅距更小的位移量。

思路1：使光栅具有很高的刻线密度。

（困难：技术工艺上难以实现）思路2：细分技术在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲（一般是4 个），以提高分辨率。

（措施：机械细分和电子细分）莫尔条纹a K ta∏-tan≤WW W横向莫尔条纹的斜率2莫尔条纹宽度---------- ≡------- M=V⅛ =W）φ¾2+W^2-2MζV⅛cos6> θEg:某光栅每亳米刻线100条，光学放大倍数为1000,当光栅移动一个栅距时，就移动一个莫尔条纹，问产生的莫尔条纹有多宽？Eg:有一直线光栅，每亳米刻线数为50,主光栅与指示光栅的夹角=1.8 ,贝I」：分辨力=栅距W =lmm∕S0=0.02mm=20um（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）莫尔条纹的宽度约是栅距的32倍：B ^W∕Θ = 0.02mm∕ （1.8 *3.14/180 ）= 0.02mmΛ）.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。

0.20
I/mA
0.15 0.10 0.05 0.00 -50 -30 -10 +10 +30 +50 t/℃
光敏电阻的光谱特性
光敏电阻温度特性
2.7.3光敏元件及特性
2.7.3.2 光电池及特性
（1）光电池的工作原理和结构 光电池是一种直接将光能转换为电能的光敏元 件
硅光电池结构图
2.7.3.2 光电池及特性
2.7 光电式检测元件
2.7.2光电器件的基本特性 （1）光谱灵敏度 S
I
为入射光辐射通量 为光电器件输出光电流 ；
是光的波长。 S ( )具有峰值特性，即 S (m)最大。
dI S d
相对光谱灵敏度 积分灵敏度
S
I
S S r S m
2.8.2 霍尔检测元件
霍尔检测元件是以霍尔效应作为理论基础以 霍尔元件为核心部件的磁敏式检测元件
2.8.2.1霍尔效应
在z轴加恒定磁场B； y轴通以恒定电流I，则在 x轴方向出现电位差UH
2.8.2 霍尔检测元件
此电势为
IB U H RH K H IB d
1 RH 称为霍尔系数,由半导体材料决定 ne
2.8.1 磁电感应式检测元件
2.8.1.2 变磁阻式检测元件 变磁阻式检测元件的线圈与磁铁之间 没有相对运动，由运动着的被测物体(一般 是导磁材料)来改变磁路的磁阻，引起磁通 量变化,从而在线圈中产生感应电动势。变 磁阻式检测元件一般做成转速式，产生的 感应电势的频率作为输出。
2.8.1.2 变磁阻式检测元件
闭磁路式转速检测元件原理图 1--转轴；2--内齿轮； 3a、3b--外齿轮； 4--线圈；5--永久磁铁

2．光生伏特效应及器件 光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。 当PN结两端没有外加电场时，在PN结势垒区内仍然存在着 内建结电场，其方向是从N区指向P区，如图7-12所示。 当光照射到结区时，光照 产生的电子一空穴对在结电场 作用下，电子推向N区，空穴推 向P区；电子在N区积累和空穴 在P区积累使PN结两边的电位 发生变化，PN结两端出现一个 因光照而产生的电动势，这一 现象称为光生伏特效应。由于 它可以像电池那样为外电路提 供能量，因此常称为光电池。
图7-8 金属封装的CdS光敏电阻
图7-9 光电二极管原理图
(2) 光敏二极管PN结可以光电导效应工作，也可以光生伏特 效应工作。如图7-9所示，处于反向偏置的PN结，在无光照时 具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子一 空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动， 形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈 大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此 光照时的反向电流基本上与光强成正比。
图7-3 光电管
光电倍增管的结构如图7-4 所示。在玻璃管内除装有光电 阴极和光电阳极外，尚装有若 干个光电倍增极。光电倍增极 上涂有在电子轰击下能发射更 多电子的材料。光电倍增极的 形状及位置设置得正好能使前 一级倍增极发射的电子继续轰 击后一级倍增极。在每个倍增 极间均，依次增大加速电压。 光电倍增管的主要特点是： 光电流大，灵敏度高，其倍增 率为N=δn，其中δ为单极倍增 率(3～6)，n为倍增极数(4～14)。
7.3常用光电器件
光电器件是光电传感器的重要组成部分，对传感器的性能 影响很大。光电器件是基于光电效应工作的，种类很多。所谓 光电效应，是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的 能量而产生的电效应。一般地，光电效应分为外光电效应和内 光电效应两类。因此，光电器件也随之分为外光电器件和内光 电器件两类。 7.3.1 外光电效应及器件 在光的照射下，电子逸出物体表面而产生光电子发射的现 象称为外光电效应。 根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。 因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量ε大于该 物体的表面逸出功A。各种不同的材料具有不同的逸出功A， 因此对某特定材料而言，将有一个频率限νo(或波长限λ0)，称 为“红限”，不同金属光电效应的红限见表7-2。