光电式传感器
传感器与自动检测技术
光电式传感器概念
光电式传感器(或称光敏传感器)
是利用光电器件把光信号转换成电信号(电压,电流,电阻等)的装置.
按工作原理分类
光电效应传感器
红外热释电探测器
固体图像传感器
光纤传感器
§10.1 光电式传感器的基本形式
由光路及电路两大部分组成
光路部分实现被测信号对光量的控制和调制
电路部分完成从光信号到电信号的转换
四种基本形式
透射式
反射式
辐射式
开关式
§10.2 光电效应与光电器件
光子是具有能量的粒子,每个光子的能量可表示为
光电效应方程
光电器件
光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件.是构成光电式传感器的主要部件.
光电器件工件的物理基础:光电效应.
光电效应分为:内光电效应,外光电效应
10.2.1 外光电效应型光电器件
当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时,光子的能量传给光电材料表面的电子,如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量,电子会克服正离子对它的吸引力,脱离材料表面而进入外界空间,这种现象称为外光电效应.
即外光电效应是在光线作用下,电子逸出物体表面的现象.
根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管.
1,光电管及其基本特性
光电管的伏安特性
光电管的光照特性
光电管的光谱特性
2,光电倍增管及其基本特性
主要参数
倍增系数 M
阳极电流
光电倍增管的电流放大倍数
光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度
暗电流
光电倍增管的光谱特性
10.2.2 内光电效应型光电器件
内光电效应是指在光线作用下,物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象
这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种
内光电效应分类
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,阻值减低的现象.如光敏电阻
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.如光电池.
(1)光敏电阻
1. 光敏电阻的结构与工作原理
光敏电阴是用半导体材料制成的光电器件.光敏电阻没有极性, 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.
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
光敏电阻结构
(a) 光敏电阻结构; (b) 光敏电阻电极; (c) 光敏电阻接线图
2. 光敏电阻的主要参数
暗电阻
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.
亮电阻
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.
光电流
亮电流与暗电流之差
3,光敏电阻的基本特性
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.
图 10.9 硫化镉光敏电阻的伏安特性
光照特性
指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关系
图10.10 光敏电阻的光照特性
光谱特性
光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系.即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.
图10.11 光敏电阻的光谱特性
频率特性
光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化,即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性,这种惰性通常用时间常数表示,对应着不同材料的频率特性.
图10.12 光敏电阻的频率特性
温度特性
光敏电阻和其它半导体器件一样,受温度影响较大.温度变化时,影响光敏电阻的光谱响应,灵敏度和暗电阻.
硫化铅光敏电阻受温度影响更大.
图 10.13 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
(2)光电池
光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件.即电源.
工作原理:基于"光生伏特效应".
光电池实质上是一个大面积的PN结,当光照射到PN结的一个面,例如P型面时, 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴, 电子-空穴对从表面向内迅速扩散, 在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有关的电动势.
光电池结构,符号
光电池种类
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电感式接近传感器
电容式接近开关
磁性传感器
压力传感器
光电传感器
超声波传感器
拉绳开关
跑偏开关
打滑检测器
物料传感器
料流检测器
堵料开关