第九節(jié)光電傳感器學(xué)習(xí)光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性以及光電傳感器的各種應(yīng)用。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)化成電信號的器件。2023/1/161第四章非電量的電測技術(shù)一、光電效應(yīng)及元件用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串具有能量（每個光子能量的大小等于普朗克常數(shù)h乘以光的頻率γ，即E=hγ）的光子的轟擊，組成這物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應(yīng)也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)2023/1/162第四章非電量的電測技術(shù)（一）外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。根據(jù)愛因斯坦假設(shè)：一個光子的能量只能給一個電子，要使電子逸出物體表面，需對其做功A，以克服物體對電子的約束，A稱為逸出功。設(shè)電子質(zhì)量為m，逸出物體表面時的速度為υ，則電子的動能為mυ2/2。按照能量守恒與轉(zhuǎn)換定律：

E=hγ=mυ2/2+A 愛因斯坦光電效應(yīng)方程1、愛因斯坦光電效應(yīng)方程2023/1/163第四章非電量的電測技術(shù)E=hγ=mυ2/2+A2．當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強度成正比。光愈強，意味著入射的光子數(shù)目越多，逸出的光電子數(shù)也就越多。3．光電子逸出物體表面時的初動能決定于光的頻率。對于一定的物質(zhì)，電子逸出功A是一定的，所以光子的能量hγ越大，則電子的初動能越大。2023/1/165第四章非電量的電測技術(shù)2、外光電元件紫外管當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時，電子克服金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等。紫外線2023/1/166第四章非電量的電測技術(shù)光電管光電管的陰極受到從光窗透進(jìn)的光照射后，向真空發(fā)射光電子，這些光電子向陽極作加速運動，形成空間電子流，光電流的數(shù)值取決于陰極的靈敏度與光強。停止光照，外電路將無電流輸出。AKAK2023/1/167第四章非電量的電測技術(shù)（二）光導(dǎo)效應(yīng)及器件半導(dǎo)體材料受到光照時，使其導(dǎo)電性能增強，光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為光（電）導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻(光電導(dǎo)型)和反向工作的光敏二極管、光敏三極管(光電導(dǎo)結(jié)型)。暗電阻光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻,此時流過的電流稱為暗電流。亮電阻光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻,此時流過的電流稱為亮電流。2023/1/169第四章非電量的電測技術(shù)2、光敏電阻的結(jié)構(gòu)它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì),半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極,金屬電極與引出線端相連接,光敏電阻就通過引出線端接入電路。2023/1/1610第四章非電量的電測技術(shù)3、光敏電阻的主要參數(shù)及特點幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。沒有極性,純粹是一個電阻器件,使用時既可加直流電壓,也可以加交流電壓。無光照時,光敏電阻值（暗電阻）很大,電路中電流（暗電流）很?。划?dāng)光敏電阻受到光照時，阻值減小。光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。一般希望暗電阻越大越好,亮電阻越小越好,此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級,亮電阻在幾千歐以下。2023/1/1611第四章非電量的電測技術(shù)工作原理：實質(zhì)是一個大面積的PN結(jié),當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個面,例如p型面時,若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度,那么p型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴,電子空穴對從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散,如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。最后建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢Es。圖光電池工作原理圖光生伏特效應(yīng)PN結(jié)Es+-2023/1/1613第四章非電量的電測技術(shù)2、光電二極管工作原理與電池相似，利用光子引起的電子躍遷將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，光生電流與光強成正比。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中,其PN結(jié)裝在管的頂部,可以直接受到光照射。將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方2023/1/1614第四章非電量的電測技術(shù)工作原理光照射在PN結(jié)上；無光照時,反向電阻很大,反向電流很?。ò惦娏鳎９庹丈銹N結(jié)時,光子打在PN結(jié)附近,使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和空穴對。它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運動,形成光電流。光的照度越大,光電流越大。光敏二極管在不受光照射時,處于截止?fàn)顟B(tài),受光照射時,處于導(dǎo)通狀態(tài)。光2023/1/1615第四章非電量的電測技術(shù)工作原理光敏晶體管與一般晶體管很相似,具有兩個PN結(jié),只是它的基區(qū)一邊做得很大,以擴(kuò)大光的照射面積。當(dāng)光照射在集電結(jié)上時,就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對,從而形成光電流,相當(dāng)于三極管的基極電流。由于基極電流的增加,因此集電極電流是光生電流的β倍,所以光敏晶體管有放大作用。2023/1/1617第四章非電量的電測技術(shù)光敏三極管有兩個PN結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。2023/1/1618第四章非電量的電測技術(shù)4、光敏晶閘管導(dǎo)通后，即使光照消失，光敏晶閘管仍維持導(dǎo)通。光敏晶閘管的特點：導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，工作電壓有的可達(dá)數(shù)百伏，因此輸出功率大，可用于工業(yè)自動檢測控制。光敏面2023/1/1619第四章非電量的電測技術(shù)（2）光電開關(guān)從原理上講，光電開關(guān)及光電耦合器沒有太大的差別，都是由紅外線發(fā)射元件與光敏接收元件組成，只是光電耦合器是整體結(jié)構(gòu)，其檢測距離只有幾毫米至幾十毫米，而光電開關(guān)的檢測距離可達(dá)幾米至幾十米。遮斷型光電開關(guān)反射型光電開關(guān)2023/1/1621第四章非電量的電測技術(shù)p210信號檢測方法2023/1/1622第四章非電量的電測技術(shù)b）反射型光電開關(guān)反射型光電開關(guān)分為兩種情況：反射鏡反射型及被測物漫反射型（簡稱散射型）。反射鏡反射型光電開關(guān)采用較為方便的單側(cè)安裝方式，但需要調(diào)整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果。反射鏡通常使用三角棱鏡，它對安裝角度的變化不太敏感，有的還采用偏光鏡，它能將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光（波動方向嚴(yán)格一致的光）反射回去，提高抗干擾能力。2023/1/1623第四章非電量的電測技術(shù)反射鏡反射型光電開關(guān)工作原理反射鏡反射型光電開關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體，與反射鏡相對安裝配合使用。反射鏡使用偏光三角棱鏡，能將發(fā)射器發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光反射回去，光接收器表面覆蓋一層偏光透鏡，只能接受反射鏡反射回來的偏振光。反射板反射鏡被測物體偏振光發(fā)射光2023/1/1625第四章非電量的電測技術(shù)被測物漫反射型光電開關(guān)原理漫反射光線反射光線被檢測物體光發(fā)射器和光接受器發(fā)射光線

漫反射型光電開關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體。當(dāng)被測物體經(jīng)過該光電開關(guān)時，發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)被測物體表面反射由接受器接受，于是產(chǎn)生開關(guān)信號。額定距離2023/1/1626第四章非電量的電測技術(shù)反射式煙霧報警器

在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達(dá)紅外光敏三極管。當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產(chǎn)生漫反射（圖中只畫出幾個微粒的反射示意），使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光電流輸出。被測物體反射光通量的應(yīng)用實例2023/1/1627第四章非電量的電測技術(shù)發(fā)電機(jī)起動，合S2～S4，