《传感器原理及应用》课程教学资源（PPT课件讲稿）第8章 光电式传感器

些第8章光电式传感器 第8章光电式传感器 8,1光电器件 8,2光纤传感器 光电传感器是将被测量的变化转换成光 信号的变化,再通过光电器件把光信号的变 化转换成电信号的一种传感器 BACK

第8章 光电式传感器 第8章 光电式传感器 8.1 光电器件 8.2 光纤传感器 光电传感器是将被测量的变化转换成光 信号的变化，再通过光电器件把光信号的变 化转换成电信号的一种传感器

第8章光电式传感器 8.1光电器件 光电器件是将光信号的变化转换为电信号的一种传感器,是光电传感器的 核心部件。光电效应分为外光电效应和内光电效应。 1.外光电效应 光子:一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的,这些粒子称 为~。光子具有能量,每个光子具有的能量由下式确定: E=h (8-1) h—普朗克常数=6.626×10-34(js) v—光的频率(s-1)。 所以光的波长越短,即频率越高,其光子的能量也越 大;反之,光的波长越长,其光子的能量也就越小

第8章 光电式传感器 8.1 光电器件 光子:一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称 为～。 光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定： E=hυ （8-1） h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s) υ—光的频率（s -1）。 所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越 大； 反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。 1. 外光电效应 光电器件是将光信号的变化转换为电信号的一种传感器，是光电传感器的 核心部件。光电效应分为外光电效应和内光电效应

些第8章光电式传感器 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~。向外发射的电子叫光电子。 光电管、光电倍增管基于外光电效应的光电器件。 光照射物体,可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物 体,物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A时,电子就 会逸出物体表面,产生光电子发射,超过部分的能量表现为逸 出电子的动能

第8章 光电式传感器 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～。向外发射的电子叫光电子。 光电管、 光电倍增管—基于外光电效应的光电器件。 光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物 体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就 会逸出物体表面，产生光电子发射， 超过部分的能量表现为逸 出电子的动能

些第8章光电式传感器 根据能量守恒定理E=h=m2+4 (8-2) 2 m—电子质量; 爱因斯坦光电效应方程式 电子逸出速度。 光子能量必须超过逸出功A,才能产生光电子; 入射光的频谱成分不变,产生的光电子与光强成正比; 光电子逸出物体表面时具有初始动能1m2,因此 对于外光电效应器件,即使不加初始阳极电压,也会有 光电流产生,为使光电流为零,必须加负的截止电压

第8章 光电式传感器 0 2 0 2 1 E = hv = mv + A （8-2） m——电子质量； v0—电子逸出速度。 光电子逸出物体表面时具有初始动能 ， 因 此 对于外光电效应器件， 即使不加初始阳极电压，也会有 光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。 2 0 2 1 mv 根据能量守恒定理 —爱因斯坦光电效应方程式 光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子； 入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；

些第8章光电式传感器 2.内光电效应 内光电效应:在光线作用下,物体的导电性能发生变化或 立生光生电动势的效应称为 内光电效应分类: (1)光电导效应:在光线作用下,当半导体材料吸 收了入射光子能量,若光子能量大于或等于半导体材料 的蔡带宽度→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~。 光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。光敏二极管, 光敏品体管也是基于内光电效应的。 (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~。基于该效应的光电 器件有光电池

第8章 光电式传感器 2. 内光电效应 内光电效应:在光线作用下，物体的导电性能发生变化或 产生光生电动势的效应称为～。 内光电效应分类： （1） 光电导效应: 在光线作用下，当半导体材料吸 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～。 光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。光敏二极管， 光敏晶体管也是基于内光电效应的。 （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～。基于该效应的光电 器件有光电池

些第8章光电式传感器 8.1.1光敏电阻 1.光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻(光导管):用半导体材料制成的光电器件 原理,特点:①无极性,纯电阻器件,可加交、直流电压。 ②无光照时,电阻值(暗电阻)很大,电路中电流(暗电 流)很小。 ③在一定波长范围的光照时,阻值(亮电阻)急剧减小→ 电路中电流(亮电流)迅速增大。 对光敏电阻的要求:一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好 此时光敏电阻的灵敏度高。 实际暗电阻值在兆欧量级,亮电阻值在几千欧以下

第8章 光电式传感器 8.1.1 光敏电阻 1. 光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻（光导管）:用半导体材料制成的光电器件。 原理,特点:①无极性，纯电阻器件，可加交、直流电压。 ②无光照时，电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电 流）很小。 ③在一定波长范围的光照时，阻值（亮电阻）急剧减小→ 电路中电流（亮电流）迅速增大。 对光敏电阻的要求:一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高。 实际暗电阻值在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下

些第8章光电式传感器 结构:金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。 光导层一在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质,称为~。 金属电极一装于半导体的两端,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻 就通过引出线端接入电路。 漆膜—为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆 膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。 光敏电阻的电极一般采用梳状图案→以提高灵敏度,。 金属电极 半导体 R 电源 玻璃底板 E R 检流计 (a)光敏电阻结构 (b)梳状电极 (c)接线图 彐图8-1光敏电阻结构

第8章 光电式传感器 结构:金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。 光导层—在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为～。 金属电极—装于半导体的两端，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻 就通过引出线端接入电路。 漆膜—为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆 膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。 光敏电阻的电极一般采用梳状图案→以提高灵敏度，。 金属电极 半导体 玻璃底板 电 源 检流计 RL E I (a) (b) (c) Ra 图 8-1 光敏电阻结构 光敏电阻结构 梳状电极 接线图

些第8章光电式传感器 2.光敏电阻的主要参数 (1)暗电阻与暗电流光敏电阻在不受光照射时的阻值称为 暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。 (2)亮电阻与亮电流光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮 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

第8章 光电式传感器 2. (1) 暗电阻与暗电流 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为 暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。 (2) 亮电阻与亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮 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

些第8章光电式传感器 3.光敏电阻的基本特性 图8-2硫化镉光敏电阻的伏安特性 (1)伏安特性在一定照度下, 30 0001x500mW 流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的x0 1001x 电压的关系称为~。由图8-2可见, 101 光敏电阻在一定的电压范围内, 100 200 其U曲线为直线。说明其阻值与 U/V 入射光量有关,历与压电流无 04-图83硫化镉光敏电阻的光照特性 关 (2)光照特性描述光电流和光025 照强度之间的关系,不同材料的光照特 0.20 性是不同的,绝大多数光敏电阻光 0.0 照特性是非线性的。图8-3为硫化镉 00.2040.60.81.01.214 光敏电阻的光照特性。 p/In

第8章 光电式传感器 3. 光敏电阻的基本特性 (1) 伏安特性 在一定照度下， 流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的 电压的关系称为～。由图 8-2可见， 光敏电阻在一定的电压范围内， 其I-U曲线为直线。说明其阻值与 入射光量有关，而与电压电流无 关。 （2）光照特性 描述光电流I和光 照强度之间的关系，不同材料的光照特 性是不同的，绝大多数光敏电阻光 照特性是非线性的。图8-3为硫化镉 光敏电阻的光照特性。 40 30 20 10 0 I / mA 100 10001 x 500 mW 1001 x 功 率 200 U / V 101 x 图 8-2 硫化镉光敏电阻的伏安特性 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 I / mA  / lm 图8-3硫化镉光敏电阻的光照特性

些第8章光电式传感器 (3)光谱特性(光谱啊应)- 光敏电阻对入射光的光谱具有选择 作用,即光敏电阻对不同波长的入射 光有不同的灵敏度。光敏电阻的 相对光敏灵敏度与入射波长1的 80 关系称为光敏电阻的光谱特性↓86 疏化 图84为几种不同材料光敏电阻的光4 谱特性。对应于不同波长,光敏电 疏化铊 阻的灵敏度是不同的,而且不同材料 的光敏电阻光谱响应曲线也不同。 璇化、 从图中可见硫化镉光敏电阻的 光谱响应的峰值在可见光区域,常被 1/A 用作光度量测量(照度计)的探头。 而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中图84光敏电阻的光谱特性 红外区,常用做火焰探测器的探头

第8章 光电式传感器 (3) 光谱特性（光谱响应）- --光敏电阻对入射光的光谱具有选择 作用，即光敏电阻对不同波长的入射 光有不同的灵敏度。光敏电阻的 相对光敏灵敏度与入射波长λ的 关系称为光敏电阻的光谱特性。 图8-4 为几种不同材料光敏电阻的光 谱特性。 对应于不同波长，光敏电 阻的灵敏度是不同的，而且不同材料 的光敏电阻光谱响应曲线也不同。 从图中可见硫化镉光敏电阻的 光谱响应的峰值在可见光区域，常被 用作光度量测量（照度计）的探头。 而硫化铅光敏电阻响应于近红外和中 红外区， 常用做火焰探测器的探头。 图8-4 光敏电阻的光谱特性 Sr / (%)  / A 20 40 60 80 100 0 1.5 3 硫化铅 硫化铊 硫化镉