第10章光电传感器 ·175· 10.4.2.3伏安特性 当光通量一定时，阳极电压与阳极电流的关系，称为光电管的伏安特性曲线。 (1)真空光管的伏安特性 如图10-10所示为真空光电管的伏安特性曲线。光电管的工作点应选在光电流与阳 极电压无关的区域内，即曲线平坦部分。 (2)充气光电管 充气光电管的构造与真空光电管基本相同。不同之处在于在玻璃泡内充以少量的惰 性气体，如氩、氖等。当光电极被光照射而发射电子时，光电子在趋向阳极的途中撞击 惰性气体的原子，使其电离而使阳极电流急速增加，提高了光电管的灵敏度，如图10-1山 为充气光电管的伏安特性曲线。 阳极电压 阳极电压 图10-10真空光电管的伏安特性 图10-11充气光电管的伏安特性 充气光电管特点：灵敏度高，但灵敏度随电压显著变化的稳定性、频率特性都比真 空光电管的要差
10 ·175· 10.4.2.3 伏安特性 当光通量一定时，阳极电压与阳极电流的关系，称为光电管的伏安特性曲线。 （1）真空光管的伏安特性 如图 10-10 所示为真空光电管的伏安特性曲线。光电管的工作点应选在光电流与阳 极电压无关的区域内，即曲线平坦部分。 （2）充气光电管 充气光电管的构造与真空光电管基本相同。不同之处在于在玻璃泡内充以少量的惰 性气体，如氩、氖等。当光电极被光照射而发射电子时，光电子在趋向阳极的途中撞击 惰性气体的原子，使其电离而使阳极电流急速增加，提高了光电管的灵敏度，如图 10-11 为充气光电管的伏安特性曲线。 图 10-10 真空光电管的伏安特性 图 10-11 充气光电管的伏安特性 充气光电管特点：灵敏度高，但灵敏度随电压显著变化的稳定性、频率特性都比真 空光电管的要差
·176 传感器技术设计与应用 10.4.3光电倍增管 10.4.3.1光电倍增管构成 光电倍增管(Photo-Multiple Tube,PMT)是一种真空光电发射器件，它主要由光 入射窗、一个光电阴极、电子光学系统、若干个倍增极和阳极等部分构成。图10-12给 出了光电倍增管的工作原理示意图。 光线 D D 图10-12光电倍增管 10.4.3.2光电倍增管的工作原理 当光线照射光电阴极K时，阴极吸收光能后发射出一些光电子，这些光电子首先打 在第一倍增极D1上，由于D1电位高于K,光电子轰击D1时的动能相当大，因此D发 射的二次电子数比光电子数多几倍。第一倍增极发射的二次电子打到电位比D,高的第 二倍增极D2上，D发射的二次电子数增大几倍，这样逐级下去，最后一个倍增极所发 射的二次电子数比从阴极K发射的光电子数增加几个数量级。如11个倍增极的光电子 管D1发射的二次电子数约为光电子数的105~10倍。最后一个倍增极所发射的二次电 子被阳极A收集，形成信号电流
·176· 10.4.3.1 光电倍增管构成 光电倍增管（Photo-Multiple Tube，PMT）是一种真空光电发射器件，它主要由光 入射窗、一个光电阴极、电子光学系统、若干个倍增极和阳极等部分构成。图 10-12 给 出了光电倍增管的工作原理示意图。 图 10-12 光电倍增管 10.4.3.2 光电倍增管的工作原理 当光线照射光电阴极Ｋ时，阴极吸收光能后发射出一些光电子，这些光电子首先打 在第一倍增极 D1 上，由于 D1 电位高于Ｋ，光电子轰击 D1 时的动能相当大，因此 D1发 射的二次电子数比光电子数多几倍。第一倍增极发射的二次电子打到电位比 D1 高的第 二倍增极 D2 上，D2 发射的二次电子数增大几倍，这样逐级下去，最后一个倍增极所发 射的二次电子数比从阴极Ｋ发射的光电子数增加几个数量级。如 11 个倍增极的光电子 管 D11 发射的二次电子数约为光电子数的 105～106 倍。最后一个倍增极所发射的二次电 子被阳极Ａ收集，形成信号电流
第10章光电传感器 ·177· 10.4.3.3光电倍增管的供电电路 图10-13给出了光电倍增管的供电电路。电路由11个电阻构成电阻链纷压器，分别 向10级倍增极提供极间供电电压Uo. 2 3 图10-13光电倍增管的供电电路 供电电压UD直接影响二次电子发射系数8，或管子的增益G。因此，根据增益G 的要求来设计极间供电电压U与电源电压Ub 10.4.3.4光电倍增管的应用 光电倍增管是一种将微弱信号转换为电信号的光电转换器件，因此，它主要应用于 微弱光照的场合。目前已广泛地用于微弱荧光光谱探测、大气污染监测、生物及医学病 理检测、地球地理分析、宇宙观测与航空航天工程等领域，并发挥着越来越大的作用， 10.4.4光敏电阻（光电导器件或光导管） 10.4.4.1光敏电阻的工作原理及结构
10 ·177· 10.4.3.3 光电倍增管的供电电路 图 10-13 给出了光电倍增管的供电电路。电路由 11 个电阻构成电阻链分压器，分别 向 10 级倍增极提供极间供电电压 UDD。 图 10-13 光电倍增管的供电电路 供电电压 UDD 直接影响二次电子发射系数 δ，或管子的增益 G。因此，根据增益 G 的要求来设计极间供电电压 UDD 与电源电压 Ubb。 10.4.3.4 光电倍增管的应用 光电倍增管是一种将微弱信号转换为电信号的光电转换器件，因此，它主要应用于 微弱光照的场合。目前已广泛地用于微弱荧光光谱探测、大气污染监测、生物及医学病 理检测、地球地理分析、宇宙观测与航空航天工程等领域，并发挥着越来越大的作用。 10.4.4.1 光敏电阻的工作原理及结构
·178 传感器技术设计与应用 光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光导管，它是基于半导体内光电效 应工作的。光敏电阻无极性，纯粹是以给电阻器件，使用时可加直流偏压，也可加咬 流电压。 光敏电阻的结构如图10-14所示。在坚固的金属外壳上安置绝缘陶瓷基板，基板上 蒸镀或烧结上CS光电导体材料，为了增大受光面积，将光电导做成梳状。这种梳状电 极，由于在很近的电极之间有可能采用大的极板面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。 图10-15为光敏电阻的工作原理图。当光照时，电阻很小；无光照时，电阻很大 光照越强，电阻越小；光照停止，电阻又恢复原值。 光导电层(C,S层)2一电极3一陶瓷4一引出线 电源 图10-14CdS结构图 图10-15光敏电阻的工作原理 10.4.4.2光敏电阻的主要参数 (1)暗电阻和暗电流 光敏电阻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”。 (2)亮电阻和亮电流
·178· 光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光导管，它是基于半导体内光电效 应工作的。光敏电阻无极性，纯粹是以给电阻器件，使用时可加直流偏压，也可加交 流电压。 光敏电阻的结构如图 10-14 所示。在坚固的金属外壳上安置绝缘陶瓷基板，基板上 蒸镀或烧结上 CdS 光电导体材料，为了增大受光面积，将光电导做成梳状。这种梳状电 极，由于在很近的电极之间有可能采用大的极板面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。 图 10-15 为光敏电阻的工作原理图。当光照时，电阻很小；无光照时，电阻很大。 光照越强，电阻越小；光照停止，电阻又恢复原值。 图 10-14 CdS 结构图 图 10-15 光敏电阻的工作原理 10.4.4.2 光敏电阻的主要参数 （1）暗电阻和暗电流 光敏电阻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”。 （2）亮电阻和亮电流
第10章光电传感器 ·179· 光敏电阻在受光照射时的阻值称为“亮电阻”，此时电流称为“亮电流”。 (3)光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。 对于光敏电阻希望：暗电阻愈大好，而亮电阻越小越好。实际光敏电阻暗阻值 般兆欧数量级；亮阻值一般在几干欧以下。 10.44.3光敏电阻的基本特性 （1)伏安特性 在光敏电阻两端加电压与电流的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性。图10-16给 出了硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。 由曲线知： a)所加电压U越高，光电流I也越大，而且无饱和现象 b)在给定的光照下，UI曲线是一直线，说明电阻值与外加电压无关。 c)在给定的电压下，光电流的数值将随光照的增强而增加。 (2)光照特性 光电流工和光通量F的关系曲线，称光照特性。图10-17给出了光敏电阻的光照特 性曲线。不同的光敏电阻的光照特性是不同的。但在大多数情况下，曲线的形状类似。 光照特性是非线性的，不适宜做成线性的敏感器件，只能做开关量的光电传感器
10 ·179· 光敏电阻在受光照射时的阻值称为“亮电阻”，此时电流称为“亮电流”。 （3）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。 对于光敏电阻希望：暗电阻愈大愈好，而亮电阻越小越好。实际光敏电阻暗阻值一 般兆欧数量级；亮阻值一般在几千欧以下。 10.4.4.3 光敏电阻的基本特性 （1）伏安特性 在光敏电阻两端加电压与电流的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性。图 10-16 给 出了硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。 由曲线知： a）所加电压Ｕ越高，光电流 I 也越大，而且无饱和现象。 b）在给定的光照下，U-I 曲线是一直线，说明电阻值与外加电压无关。 c）在给定的电压下，光电流的数值将随光照的增强而增加。 （2）光照特性 光电流Ｉ和光通量Ｆ的关系曲线，称光照特性。图 10-17 给出了光敏电阻的光照特 性曲线。不同的光敏电阻的光照特性是不同的。但在大多数情况下，曲线的形状类似。 光照特性是非线性的，不适宜做成线性的敏感器件，只能做开关量的光电传感器