光 电 式 传 感 器 (讲 稿) 李江全 石河子大学机电学院电气工程教研室
目 录 一、概述 1、什么是光电式传感器？ 2、光电效应的种类 1）外光电效应； 2）内光电效应； 3）光生伏特效应。 二、光电管 1、结构 2、工作原理 3、爱因斯坦光电效应方程式 4、特点及应用 三、光敏电阻 1、光敏电阻的简单结构 2、光敏电阻检测光的原理 3、光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电流 4、光敏电阻的基本特性 5、光敏电阻的特点及应用 四、光敏晶体管 1、光敏二极管 2、光敏三极管 3、基本特性 五、光电池 1、结构特点 2、工作原理 3、基本特性 六、光纤传感器
七、光电传感器的特点及应用 1、光电传感器的两种类型 2、模拟式光电传感器的作用形式 3、光电式传感器的特点及应用 补充问题 1、半导体内光电效应与光强和光频率的关系如何？
一、概述 1、什么是光电式传感器？ 利用光电器件将光信号转换为电信号的一种传感器称为光电式传感器。 若使用这种传感器测量其它非电量时，只要将这些非电量的变化转换成光 信号的变化即可。 光电式传感器的理论基础是基于光电效应。 所谓光电效应就是由于物体吸收了能量为 E 的光子能量后而产生的电效 应。 2、光电效应的种类 1）外光电效应 光线照射在某些物体上，引起电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电 效应。 也称光电发射，逸出来的电子通称光电子。 基于外光电效应的光电元件有：光电管、光电倍增管等。 2）内光电效应。 物体受光照射后，其内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体内部， 使物体的电阻率发生变化的现象称为内光电效应，又叫光电导效应。 基于内光电效应的光电元件有：光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管 等。 3）光生伏特效应。 在光的作用下使物体内部产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应 （或称为阻档层光电效应）。 基于内光电效应的光电元件有：光电池、光电晶体管等。 二、光电管 1、结构 最简单的真空光电管有阳极、阴极、玻璃外壳以及电极引线等几部分组成。 玻璃壳里的空气已经抽出，有的管里充有少量的惰性气体（如氩、氖、氦
等）； 管的内表面涂有感光层（阴极 K），感光层采用不同红限的物质（如钾、银、 锌等），可制成用于不同光谱范围的光电管。 阳极 A 一般作成圆环形。 2、工作原理 光电管是应用最普遍的一种基于外光电效应的光电器件。 使用时将光电管连在电路里，用电池使阳极和阴极间保持一恒定电势差。 当光照射到光电管的阴极 K 时，阴极发射电子，电路里就有电流产生。 3、爱因斯坦光电效应方程式 光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体，物体中 的电子吸收光子能量后，光子能量的一部分用于电子逸出物体表面的逸出功 A ， 另一部分变成电子的动能 2 2 1 mv ，根据能量守恒定律，该光子的能量等于逸出 功加上电子增加的能量，即 h = mv + A 2 2 1 式中： h——普朗克常数； ——入射光的频率 m——电子的质量； v——电子逸出物体表面时的初速度 A ——某物体的逸出功 该式称为爱因斯坦光电效应方程式，它描述了外光电效应的基本规律。 由爱因斯坦光电效应方程式可得出几个基本结论： 1）当入射光频谱成份不变时，被照射物体在单位时间内发射的光电子数与 入射光的强度（光强）成正比。 3）光电子脱出物体时的初速度（初动能）和照射光的频率有关，而和发光 强度无关，它随入射光的频率增大而增大 2）低于某物体红限的入射光线，不论它有多强，也不会使该物体发射光电 子；反之，不论入射光多弱，只要它的频率高于被照射物体的红限，该物体就 能发射光电子