第9章光电传感器第9章光电传感器光电效应光敏电阻光电池光敏二极管和光敏三极管光电传感器的类型及应用1第9章光电传感器光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现非电量的测量。光电式传感器的核心是光电器件，光电器件基于光电效应。光电式传感器具有响应快、性能可靠、能实现非接触测量等优点。2第9章光电传感器§9-1光电效应光电效应通常分为外光电效应和内光电效应。一、外光电效应在光线的作用下，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。基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：Ehvh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只能给一个电子，因此，要使一个电子从物质的表面逸出，光子的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0，即12hm0A023第9章光电传感器12m—电子质量；v—电子逸出速度。hm0A002——A0电子逸出功光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。每种物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。光强大，入射光子数目多，则逸出的电子多。2光电子逸出物体表面具有初始动能mv0/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。——使光电流为零的条件：加负的截止电压4第9章光电传感器二、内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化或产生光生电动势的效应称内光电效应。——多发生于半导体内。分类：光电导效应、光生伏特效应1、光电导效应定义：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化。基于光电导效应的器件：光敏电阻2、光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象。基于光生伏特效应的器件：光电池，光敏晶体管5第9章光电传感器§9-2光敏电阻光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。一、光敏电阻的工作原理当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将被激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。6第9章光电传感器实现能级的跃迁的条件：入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eghc1.24hE(eV)gν—入射光的频率；λ—入射光的波长结论：一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。7第9章光电传感器当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加8第9章光电传感器二、光敏电阻的结构1.玻璃2.光电导层3.电极4.绝缘衬底5.金属壳6.黑色绝缘玻璃7.引线半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏度。光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。9第9章光电传感器应用：照相机自动测光光控灯工业控制10第9章光电传感器三、光敏电阻的应用电路无光照时，光敏电阻RΦ很大，随入射光增大，RΦ↓a）UＯ随之增大，与光照变化趋势相同b）UＯ随之减小，与光照变化趋势相反11第9章光电传感器四、光敏电阻的主要参数和基本特性1、暗电阻、亮电阻、光电流暗电阻：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值。此时在给定电压下流过的电流为暗电流。亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值。此时流过的电流为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，亮电阻越小性能越好。实用的光敏电阻的暗电阻一般>1MΩ,甚至高达100MΩ，亮电阻在1kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间——光敏电阻的灵敏度很高。12第9章光电传感器2、光照特性指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关系I/mA54321010002000L/lx由于光敏电阻的光照特性呈非线性