传感器原理 光传感器.pptVIP

二、光源（发光器件）

1、钨丝白炽灯

用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射

光谱是连续的。

发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元

件都能和它配合接收到光信号。

2、气体放电灯

定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。

气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。它们经常用作光电检测仪器的单色光源。

气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。;4.激光器

激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一,具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光频波段范围。

激光器种类繁多，按工作物质分类：

·固体激光器（如红宝石激光器）

·气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）

·半导体激光器（如砷化镓激光器）

·液体激光器。

第7页，共57页，编辑于2022年，星期二;三、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，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类

1.外光电效应

在光线的作用下，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。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。;根据爱因斯坦假设,一个电子只能接受一个光子的能量,所以要使一个电子从物体表面逸出,必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功,超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物,从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。

根据能量守恒定理;·光电子能否产生,取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功,即每一个物体都有一个对应的光频阈值,称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率,光子能量不足以使物体内的电子逸出,因而小于红??频率的入射光,光强再大也不会产生光电子发射；反之,入射光频率高于红限频率,即使光线微弱,也会有光电子射出。

·当入射光的频谱成分不变时,产生的光电流与光强成正比。即光强愈大,意味着入射光子数目越多,逸出的电子数也就越多

。

·光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2,因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压,也会有光电子产生。

为了使光电流为零,必须加负的截止电压,而且截止电压与入射光的频率成正比。

第10页,共57页,编辑于2022年,星期二;2、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叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类:

（1）光电导效应

在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。;过程:当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。

;式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。

材料的光导性能决定于禁带宽度,对于一种光电导材料,总存在一个照射光波长限λ0,只有波长小于λ0的光照射在光电导体上,才能产生电子能级间的跃进,从而使光电导体的电导率增加。;（2）光生伏特效应

在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。

基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管

。

①势垒效应（结光电效应）。

接触的半导体和PN结中,当光线照射其接触区域时,便引起光电动势,这就是结光电效应。以PN结为例,光线照射PN结时,设光子能量大于禁带宽度Eg,使价带中的电子跃迁到导带,而产生电子空穴对,在阻挡层内电场的作用下,被光激发的电子移向N区外侧,被光激发的空穴移向P区外侧,从而使P区带正电,N