1、2021/8/141現代檢測技術現代檢測技術 光電式傳感器光電式傳感器精勤求學 敦篤勵志 果毅力行 忠恕任事22021/8/14光電器件光電器件 光電管光電管 光電池光電池 光敏電阻光敏電阻 32021/8/142 2，光生伏特效應光生伏特效應：在光線作用下，能使物體產生一定方向：在光線作用下，能使物體產生一定方向的電動勢的現象。的電動勢的現象。 將被測物理量通過光量的變化轉換為電量變化，工作將被測物理量通過光量的變化轉換為電量變化，工作基礎是基礎是光電效應光電效應。光電效應按原理又分為以下光電效應按原理又分為以下3種：種： 1，外光電效應外光電效應：在光照作用下，物體內電子逸出物體表面，：在

2、光照作用下，物體內電子逸出物體表面，在回路中形成光電流的現象。在回路中形成光電流的現象。3，內光電效應內光電效應：又稱光導電效應，：又稱光導電效應， 在光照作用下，物體導在光照作用下，物體導電性能發生改變的現象。電性能發生改變的現象。光電式傳感器光電式傳感器 42021/8/14 外光電效應外光電效應：在光照作用下，物體內電子逸出物體表面，：在光照作用下，物體內電子逸出物體表面，形成光電流。形成光電流。頻率為頻率為的光子能量為：的光子能量為：Eh光子能量被電子吸收后，能量轉化為電子逸出功光子能量被電子吸收后，能量轉化為電子逸出功A和動能，即：和動能，即：212hmvA式中：式中：h普朗克常數，

3、普朗克常數，6.62610-34Js；入射光頻率，入射光頻率，s-1；m電子質量；電子質量；v電子逸出速度；電子逸出速度；A物體的逸出功。物體的逸出功。一、外光電效應一、外光電效應 52021/8/14外光電效應外光電效應 光電子逸出時所具有的初始動能光電子逸出時所具有的初始動能Ek與光的頻率有關，頻與光的頻率有關，頻率高則動能大。率高則動能大。a. 光電子逸出物體表面的必要條件光電子逸出物體表面的必要條件 hchAcA或， 是波長， 是光速。212kEmvhA 由于不同材料具有不同的逸出功，因此對某種材料而言便有一個由于不同材料具有不同的逸出功，因此對某種材料而言便有一個頻率限頻率限，當入射

4、光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發出電子；反之，當入射光的頻率高于此極限頻率時，即使光線微弱發出電子；反之，當入射光的頻率高于此極限頻率時，即使光線微弱也會有光電子發射出來，這個頻率限稱為也會有光電子發射出來，這個頻率限稱為“紅限頻率紅限頻率”。62021/8/14b. 在足夠外加電壓作用下，入射光頻率不變時，單位時間在足夠外加電壓作用下，入射光頻率不變時，單位時間內發射的光電子數與入射光強成正比。因為光越強，光子內發射的光電子數與入射光強成正比。因為光越強，光子數越多，產生的光電子也相應增多。數越多，產生的光電子也相應增多。

5、 c. 欲使光電子初始速度為零，需要在陽極加上反向截止電壓，欲使光電子初始速度為零，需要在陽極加上反向截止電壓，并且并且212U emv外光電效應外光電效應 72021/8/14光光電電管管金屬底層光電管金屬底層光電管 光透明光電管光透明光電管在真空玻璃管內裝入兩個電極在真空玻璃管內裝入兩個電極光電陰極與光電陽極。光電光電陰極與光電陽極。光電管的陰極受到適當的光線照射后發射電子，這些電子在電壓作用下管的陰極受到適當的光線照射后發射電子，這些電子在電壓作用下被陽極吸引，形成光電流。被陽極吸引，形成光電流。充氣光電管充氣光電管在玻璃管內充入氬、氖等惰性氣體。當光電子在玻璃管內充入氬、氖等惰性氣體。

6、當光電子被陽極吸引時會對惰性氣體進行轟擊，從而產生更多的自由電子，被陽極吸引時會對惰性氣體進行轟擊，從而產生更多的自由電子，提高了光電轉換靈敏度。提高了光電轉換靈敏度。 外光電效應應用器件外光電效應應用器件 82021/8/14光電管的基本特性光電管的基本特性 1 2 92021/8/14光電管的基本特性光電管的基本特性 102021/8/14光電管的基本特性光電管的基本特性 112021/8/14光電管的基本特性光電管的基本特性 122021/8/14光電管的基本特性光電管的基本特性 v 其他特性：其他特性： 暗電流暗電流：無光照時，光電流不為零的現象；：無光照時，光電流不為零的現象； 溫度

7、特性溫度特性：光電管的光照特性、伏安特性等會受溫：光電管的光照特性、伏安特性等會受溫度影響；度影響； 頻率特性頻率特性：當光強按照一定頻率變化時，光電流隨：當光強按照一定頻率變化時，光電流隨頻率變化的關系；頻率變化的關系； 穩定性和衰老穩定性和衰老：短期穩定性好；入射光越強衰老越：短期穩定性好；入射光越強衰老越快。快。132021/8/14光電倍增管光電倍增管 在一個玻璃泡內除裝有光在一個玻璃泡內除裝有光電陰極和光電陽極外，還有若電陰極和光電陽極外，還有若干個干個光電倍增極光電倍增極。倍增極上涂。倍增極上涂有在電子轟擊下能發射更多電有在電子轟擊下能發射更多電子的材料。前一級倍增極反射子的材料。

8、前一級倍增極反射的電子恰好轟擊后一級倍增極，的電子恰好轟擊后一級倍增極，在每個倍增極間依次增大加速在每個倍增極間依次增大加速電壓。光電倍增管的靈敏度高，電壓。光電倍增管的靈敏度高，適合在微弱光下使用，但不能適合在微弱光下使用，但不能接受強光刺激，否則容易損壞。接受強光刺激，否則容易損壞。 外光電效應應用器件外光電效應應用器件 142021/8/14光電倍增管光電倍增管 152021/8/14光電倍增管的基本特性光電倍增管的基本特性162021/8/14光電倍增管的基本特性光電倍增管的基本特性172021/8/14光電倍增管的基本特性光電倍增管的基本特性182021/8/14光照射光照射光電子空

9、穴對光電子空穴對內建電場作用內建電場作用光生電子被拉向光生電子被拉向N區，光生空穴被拉向區，光生空穴被拉向P區區光光電動勢電動勢阻擋層阻擋層內建電場內建電場PN結結 光生伏特效應光生伏特效應：在光線作用下，能使物體產生：在光線作用下，能使物體產生一定方向的電動勢的現象。一定方向的電動勢的現象。二、光生伏特效應二、光生伏特效應 192021/8/14硅光電池結構硅光電池結構 硅光電池因為性能穩定、光譜范圍寬、轉換效率高、價格低硅光電池因為性能穩定、光譜范圍寬、轉換效率高、價格低廉等優點被廣泛應用，又稱為廉等優點被廣泛應用，又稱為太陽能電池太陽能電池。N型硅片上用擴散的型硅片上用擴散的方式摻入一些

10、方式摻入一些P型雜質（如硼）形成一個大面積的型雜質（如硼）形成一個大面積的PN結，當入射結，當入射光照射到光照射到P型表面時，光生電子在型表面時，光生電子在PN結電場作用下被拉向結電場作用下被拉向N區，區，光生空穴被拉向光生空穴被拉向P區，從而形成光生電動勢。區，從而形成光生電動勢。 利用光生伏特效應工作的光敏器件主要包括利用光生伏特效應工作的光敏器件主要包括光電池、光敏光電池、光敏二極管和光敏三極管二極管和光敏三極管。光電池光電池 202021/8/14光電池光電池包括硅光電池、硒光電池、砷化鎵光電池等。包括硅光電池、硒光電池、砷化鎵光電池等。光電池光電池 最廣。最廣。 212021/8/1

11、4u 光照度光照度指單位面積上所接受的光通量，單位勒克斯（指單位面積上所接受的光通量，單位勒克斯（lx），），1lx =1lm/m2光電池的基本特性光電池的基本特性 用光電池作為測量用光電池作為測量元件時，應把它當作電元件時，應把它當作電流源的形式來使用，不流源的形式來使用，不宜用作電壓源。宜用作電壓源。 222021/8/14光電池的基本特性光電池的基本特性 232021/8/14光電池的基本特性光電池的基本特性 242021/8/14光電池的基本特性光電池的基本特性 252021/8/14光電池的基本特性光電池的基本特性 頻率指光強變化的頻率頻率指光強變化的頻率 262021/8/14光電

12、二極管光電二極管 272021/8/14光電三極管光電三極管 基基 區區282021/8/14光電二極管、光電三極管比較光電二極管、光電三極管比較 292021/8/14光電二極管、光電三極管比較光電二極管、光電三極管比較 302021/8/14光電二極管、光電三極管比較光電二極管、光電三極管比較 312021/8/14光電二極管、光電三極管比較光電二極管、光電三極管比較 322021/8/14光電二極管、光電三極管比較光電二極管、光電三極管比較 332021/8/14 內光電效應內光電效應：又稱光導電效應，：又稱光導電效應， 在一定波長光照作用在一定波長光照作用下，物體導電性能發生改變的現象

13、。內光電效應產生的自下，物體導電性能發生改變的現象。內光電效應產生的自由電子停留在物體內部，不發生電子逸出。由電子停留在物體內部，不發生電子逸出。內光電效應器件：內光電效應器件：光敏電阻光敏電阻、由光敏電阻制作的、由光敏電阻制作的光導管光導管。 光敏電阻是純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻是純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。 光敏電阻具有靈敏度高、體積小、重量輕、光譜響應光敏電阻具有靈敏度高、體積小、重量輕、光譜響應范圍寬、機械強度高、耐沖擊和振動、壽命長等優點。制范圍寬、機械強度高、耐沖擊和振動、壽命長等優點。制作光敏電阻的材料有硫化鎘、硫化鉛、硒化銦、硒化鎘、作光敏電阻的材料有

14、硫化鎘、硫化鉛、硒化銦、硒化鎘、硒化鉛等。硒化鉛等。 特點：無極性特點：無極性三、內光電效應三、內光電效應 342021/8/14 光敏電阻的結構光敏電阻的結構：管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有：管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電半導體，一般都做成薄層。為了兩個歐姆接觸電極的光電半導體，一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，電極一般采用梳狀圖案。獲得高的靈敏度，電極一般采用梳狀圖案。光敏電阻光敏電阻 352021/8/14光敏電阻基本特性光敏電阻基本特性 362021/8/14光敏電阻基本特性光敏電阻基本特性 372021/8/14光敏電阻基本特性光敏電阻基本特性 382021/

15、8/14光敏電阻基本特性光敏電阻基本特性 0 500 1000 1500 2000 2500392021/8/14光敏電阻基本特性光敏電阻基本特性 402021/8/14 響應快、結構簡單、可靠性高、抗電磁干擾強，可實現響應快、結構簡單、可靠性高、抗電磁干擾強，可實現非接觸測量。非接觸測量。一般由一般由光源光源、光學元件光學元件、光電變換器光電變換器三部分構成。三部分構成。1）由被測量控制光電變換器處于）由被測量控制光電變換器處于“通通”或或“斷斷”兩種狀態，兩種狀態，如光電式轉速表、光電繼電器、光電計數器、光電開關、目如光電式轉速表、光電繼電器、光電計數器、光電開關、目標探測等。標探測等。2

16、）光電變換器輸出光電流是輸入光通量的函數，如光電位）光電變換器輸出光電流是輸入光通量的函數，如光電位移計、測振計、照度計、光電探測器等。移計、測振計、照度計、光電探測器等。 按其輸出量的性質可分為按其輸出量的性質可分為脈沖式光電傳感器脈沖式光電傳感器和和模擬式光模擬式光電傳感器電傳感器。四、光電傳感器的特點和應用四、光電傳感器的特點和應用 412021/8/14脈沖光電傳感器：脈沖光電傳感器： 將被測量轉換為斷續變化的光電流，光電元件的輸出僅將被測量轉換為斷續變化的光電流，光電元件的輸出僅有兩種穩定狀態有兩種穩定狀態, ,也就是也就是“通通”、“斷斷”的開關狀態的開關狀態, ,所以也所以也稱為

17、光電元件的開關運用狀態。稱為光電元件的開關運用狀態。 這類傳感器要求光電元件靈敏度高這類傳感器要求光電元件靈敏度高, ,而對光電特性的線而對光電特性的線性要求不高。性要求不高。 主要用于零件或產品的主要用于零件或產品的自動計數自動計數、光控開關光控開關、計算機的、計算機的光電輸入設備光電輸入設備、光電編碼器光電編碼器及及光電報警裝置光電報警裝置等方面。等方面。光電傳感器的特點和應用光電傳感器的特點和應用 422021/8/14光電傳感器的特點和應用光電傳感器的特點和應用 432021/8/14光電傳感器的特點和應用光電傳感器的特點和應用 442021/8/14光電傳感器的特點和應用光電傳感器的

18、特點和應用 452021/8/14模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器：將被測量轉換為連續變化的光電流。：將被測量轉換為連續變化的光電流。根據被測物對光的吸收程度或根據被測物對光的吸收程度或對其譜線的選擇來測定被測參對其譜線的選擇來測定被測參數。如測量液體、氣體的透明數。如測量液體、氣體的透明度、混濁度度、混濁度,對氣體進行成分分對氣體進行成分分析析,測定液體中某種物質的含量測定液體中某種物質的含量等。等。根據反射的光通量多少測定被根據反射的光通量多少測定被測物表面狀態和性質。例如測測物表面狀態和性質。例如測量零件的表面粗糙度、表面缺量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。陷、表面位移等。光電傳感器的特點和應用光電傳感器的特點和應用 462021/8/14 光源發出的光通量經被光源發出的光通量經被測物遮去其一部分測物遮去其一部分,使作用在使作用在光電元件上的光通量減弱光電元件上的光通量減弱,減減弱的程度與被測物在光學通弱的程度與被測物在光學通路中的位置有關。利用這一路中的位置有關。利用這一原理可以測量長度、厚度、原理可以測量長度、厚度、線位移、角位移、振動等。線位移、角位移、振動等。 被測物體本身就是輻射源，被測物體本身就是輻射源，直接照射在光