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传感器技术 第8章 光电式传感器 第8章 光电式传感器 光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。 光电式传感器的物理基础是光电效应。 8.1 光电效应 8.2 光电器件 8.3 光电式传感器的应用 8.1 光电效应 外光电效应: 在光线作用下使物体的电子逸出表面向外发射的现象。如光电管、光电倍增管. 爱因斯坦光电效应方程 内光电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象 光电导效应 在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻 阻挡层光电效应(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。如光电池、光敏晶体管等 8.2 光电器件 8.2.1 光电管 8.2.2 光电倍增管 8.2.3 光敏电阻 8.2.4 光敏二极管和光敏晶体管 8.2.5 光电池 8.2.1 光电管 光电特性 光电特性—阳极电压一定时，光电管的电流与入射的光通量之间的关系 曲线1：氧铯阴极 曲线2：锑铯阴极 光电管的灵敏度：光电流与入射光光通量之比（光电特性曲线的斜率） 光谱特性 光谱特性：保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系。 对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。 白光光源，用锑铯材料制成阴极； 红外光源，常用银氧铯阴极； 紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极 8.2.2 光电倍增管 光电倍增管工作原理 原理：光 → 阴极 → 光电倍增极→ 阳极 → 电流 倍增极上电位逐级升高，阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，且倍增极由次级发射材料制成，在电子轰击下，能产生更多的“次级电子”引起二次电子发射 二次电子发射系数σ σ =二次发射电子数／入射电子数 若倍增极有n极，每极倍增系数相同，则倍增率为σn 特点：光电流大，灵敏度高 8.2.3 光敏电阻 一、 光敏电阻的工作原理及结构 二、光敏电阻的主要参数 三、光敏电阻的基本特性 一、光敏电阻的工作原理及结构 光敏电阻演示 当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。 光敏电阻的结构 光敏电阻 当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。 二、光敏电阻的主要参数 （1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。 （2）亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 （3）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。 三、光敏电阻的基本特性 1. 伏安特性 2. 光照特性 3. 光谱特性 4. 响应时间和频率特性 5. 温度特性 1. 伏安特性 2. 光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系 3. 光谱特性 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的 4. 响应时间和频率特性 光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。 通常用响应时间t表示。 光敏电阻的频率特性 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间 5. 温度特性 光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。 温度对光谱特性影响 随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。 光敏电阻特点 优点: 光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。 缺点: 型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。 8.2.4 光敏二极管和光敏晶体管 一、 工作原理和结构 二、 基本特性 一、工作原理和结构 结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中 在电路中一般是处于反向工作状态的 光敏晶体管 与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。 二、基本特性 1. 光谱特性 2. 伏安特性 3. 光照特性 4. 温度特性 5. 频率响应 1. 光谱特性 入射光的波长增加或减小时，相对灵敏度要下降 2. 伏安特性 3.光照特性 4.频率响应 具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系 5. 温度特性 其暗电流及光电流与温度的关系 8．1．5 光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的