電氣測(cè)試技術(shù)（第5版）課件-光電式傳感器

29June2025

光電式傳感器.1光電效應(yīng)及其器件.2光電元件的特性.3光電信號(hào)的檢測(cè)方法.4光電傳感器的應(yīng)用實(shí)例29June2025光電傳感器原理光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件，原理如下圖。29June2025.1光電效應(yīng)及其器件光照射在某些物質(zhì)上，物質(zhì)的電子吸收光子的能量而釋放電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。釋放的電子稱為光電子。能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱為光電材料。外光電效應(yīng)及其器件光照射在某些光電材料上時(shí)，材料表面的電子吸收光子的能量，若電子吸收的能量足夠大，它能克服正離子的束縛而逸出材料的表面，進(jìn)入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。式中：h——普朗克常數(shù)=6.626×10-34(J·s)

γ——光的頻率（s-1）m——電子質(zhì)量；

v——電子逸出速度。29June2025外光電效應(yīng)因此，光電材料表面多數(shù)涂覆一層薄的逸出功小的化合物，例如，銫、氧化銫和銻化銫等。入射光的頻率愈高（其波長(zhǎng)愈短），其光子能量愈大，愈容易產(chǎn)生外光電效應(yīng)，而與光強(qiáng)無關(guān)。在能產(chǎn)生外光電效應(yīng)的前提下，單位時(shí)間內(nèi)逸出的電子數(shù)量與光強(qiáng)成正比，因此光電流與光強(qiáng)成正比。根據(jù)外光電效應(yīng)制造的光電元件有光電管、充氣光電管和光電倍增管等。29June20251.光電管光電管種類繁多，典型產(chǎn)品有真空光電管和充氣光電管。由于真空光電管有穩(wěn)定性好、惰性小和溫度系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，故它是自動(dòng)檢測(cè)中常用的檢測(cè)元件，其工作原理見圖3-111。由圖可見，在真空玻璃管內(nèi)密封有光電陽極A和光電陰極K。當(dāng)光線照射在光電陰極K上時(shí)，電子從陰極表面逸出，并被光電陽極的正電場(chǎng)吸引，外電路產(chǎn)生光電流，在負(fù)載電阻上的壓降為輸出電壓。圖3-111光電管的工作原理29June20252.光電倍增管

與光電管比較，光電倍增管有光電流放大作用，這是由于有n個(gè)光電流進(jìn)行放大的“倍增極”的緣故?！氨对鰳O”或稱為“次陰極”，它受到電子轟擊后能發(fā)射更多的“次級(jí)電子”。各倍增極上順次加上愈來愈高的正電壓，使得前級(jí)的次電子加速轟擊下一倍增極，見圖3-112。由于光電倍增管的放大倍數(shù)K相當(dāng)高（對(duì)倍增極n=10，K可達(dá)106），即使極微弱的光照，外電路也能提供較大電流（其靈敏度達(dá)10A/lm）。因此，它不能受強(qiáng)光照射，否則容易造成永久性損壞。圖3-112光電倍增管的工作原理29June2025光導(dǎo)效應(yīng)及其器件絕大多數(shù)高電阻率的半導(dǎo)體受光照射時(shí)，由于吸收了光子的能量，其電阻率變化的導(dǎo)電現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)。它屬于內(nèi)光電效應(yīng)。產(chǎn)生光導(dǎo)效應(yīng)的條件是光子的能量必須大于半導(dǎo)體禁帶的能級(jí)寬度，因此每一種半導(dǎo)體皆有其固有入射光頻率。如果半導(dǎo)體是摻雜半導(dǎo)體，因?yàn)閺碾s質(zhì)上釋放一個(gè)電子（或空穴）所需的能量，比激發(fā)一個(gè)半導(dǎo)體的價(jià)電子所需能量小，所以頻率較低的光也能使它產(chǎn)生光導(dǎo)效應(yīng)。根據(jù)光導(dǎo)效應(yīng)的光電元件，主要有光電阻或稱光敏電阻。當(dāng)光照射在光電阻上時(shí)，其導(dǎo)電性能增加，電阻值下降，光強(qiáng)度愈強(qiáng)，其阻值愈??；若停止光照，其阻值恢復(fù)到原始值。29June2025光生伏特效應(yīng)及其器件光照射在具有PN結(jié)的半導(dǎo)體材料上，在PN結(jié)兩邊產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。據(jù)此效應(yīng)制造的光電元件有光電池、光電二極管、光電三極管、光控晶閘管和光耦合器等。1.光電池

它的工作原理見圖3-113a。根據(jù)材料不同，有硅光電池、硒光電池、砷化鎵光電池和鍺光電池。前三種得到廣泛的使用。2.光電二極管

其結(jié)構(gòu)和工作原理與光電池相似，見圖3-113b。圖3-113光電池和光電二極管的工作原理a）光電池b）光電二極管

29June20253.光電三極管

光電三極管的電符號(hào)及工作原理見圖3-114c和b。與光電二極管比較，光電三極管有兩個(gè)PN結(jié)，見圖3-114a。光電三極管的靈敏度較光電二極管的高。圖3-114光電三極管的工作原理a）結(jié)構(gòu)b）工作原理c）電符號(hào)

29June20254.光控晶體閘流管

光控晶體閘流管是近幾年來發(fā)展的光電半導(dǎo)體元件，代號(hào)為GSCR，其結(jié)構(gòu)和工作原理見圖3-115。圖3-115光控晶體閘流管結(jié)構(gòu)及其工作原理29June2025

光耦合器用于隔離用途以提高傳感器的抗干擾能力時(shí)，與必須是不同電源，光耦合器兩邊的參考“地”不能連在一起，見圖3-116a、c，否則起不了提高抗干擾能力的作用。圖3-116工作原理與輸入輸出特性a）工作原理

b）輸入輸出特性

c）同相輸出5.光耦合器

它是近幾年來發(fā)展起來的新型光電半導(dǎo)體器件，其工作原理與輸入輸出特性，見圖3-116。29June2025.2光電元件的特性1.光照特性

光照特性是指光電元件外加電壓一定時(shí)，光電流與入射光的照度之間的關(guān)系。2.光譜特性

光譜特性是指光電元件外加電壓一定時(shí)，其輸出電流與入射單色光的波長(zhǎng)之間的關(guān)系，即。3.伏安特性

伏安特性是指在給定光通量或照度下，光電流與外加電壓之間的關(guān)系，即。4.頻率特性

頻率特性是指外加電壓和入射光強(qiáng)一定時(shí)，光電流與入射光的調(diào)制頻率之間的關(guān)系，即。5.溫度特性

光電元件是半導(dǎo)體器件，其特性受溫度的影響較嚴(yán)重，這是由于半導(dǎo)體器件中多數(shù)載流子易受熱激發(fā)的緣故。在使用中必須采取溫度補(bǔ)償或恒溫措施，以保證足夠的測(cè)量精度。29June2025.3光電信號(hào)的檢測(cè)方法1.透射式2.反射式3.輻射式4.遮擋式5.開關(guān)式圖3-117光電信號(hào)的檢測(cè)方法a）透射法

b）反射法

c）輻射法

d）遮擋法29June2025.4光電傳感器的應(yīng)用實(shí)例光電傳感器可用于測(cè)量機(jī)械量、熱工量和成分量等，在工程上得到廣泛的應(yīng)用。1.光電測(cè)厚儀

光電測(cè)厚儀的原理見圖3-118。圖3-118光電測(cè)厚儀的原理框圖1－放射源2－保護(hù)罐3－被測(cè)物4－閃爍片5－光電倍增管6－測(cè)量電路7－差值放大器8－A/D轉(zhuǎn)換9－顯示器

29June20252.路燈自動(dòng)控制器

電路原理見圖3-119。