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3.9 光电式传感器 77页.ppt

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内容要点:
3.9 光电式传感器 3.9.1 光电效应及器件3.9.2 光电 耦合器件3.9.3 电荷耦合器件3.9.4 光电 式传感器? 光电式传感器 是以光电器件作为转换元件的传感器,可以将光信号转换为电信号。? 光电效应所谓光电效应,是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量,从而产生的电效应。? 光电传感器的工作原理基于光电效应。3.9 光电式传感器 3.9.1 光电效应及器件 1. 外光电效应 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。 光子具有能量,每个 光子具有的能量由下式确定: E=hυ 式中: 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。 ?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 外光电效应 。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、 光电倍增管等。 ?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。根据能量守恒定理 ? 式中: m—— 电子质量; ?v0—— 电子逸出速度。 上式为爱因斯坦光电效应方程式 , 由式可知: ?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;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。 ? 基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管 和 光电倍增管 。? 光电管是装有光阴极和阳极的真空玻璃管。? 光电倍增管除了在玻璃管内安装有光电阴极和阳极之外,还装有一定数量的光电倍增极,其上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。 2. 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。内光电效应又可分为以下两类: ( 1) 光电导效应 在光线作用下,对于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,这种现象称为光电导效应。光敏电阻和反向工作的光敏二极管、三级管就是基于这种效应的光电器件。 ? ( 2) 光生伏特效应 在光照射时,引起 P- N结两端产生一定方向的电动势的效应称为光生 伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。 3.9.1.1 光敏电阻 ?1. 光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性,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。无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流(暗电流)很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值(亮电阻)急剧减小,电路中电流迅速增大,并且光照越强,阻值越小,亮电流越大。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。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级,亮 电阻值在 几 千欧以下。 光敏电阻的结构很简单,图 3- 9- 1( a) 为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质,称为光导层。半导体的两端装有金属电极,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。为了防止周围

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