傳感器原理光傳感器(編輯修改稿)
2025-06-17 03:27 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 影響 ， 即使沒有光信號輸入 ， 加上電壓后陽極仍有電流 ， 這種電流稱為 暗電流 ，這是熱發(fā)射所致或場致發(fā)射造成的 ， 這種暗電流通?？梢杂醚a償電路消除 。 如果光電倍增管與閃爍體放在一處 ， 在完全蔽光情況下 ， 出現(xiàn)的電流稱為 本底電流 ， 其值大于暗電流 。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā) ，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的 ， 本底電流 具有 脈沖形式 。 光電倍增管的光照特性 與直線最大偏離是 3% 10－ 13 10－ 10 10－ 9 10－ 7 10－ 5 10－ 3 10－ 1 在 45mA處飽和 10－ 14 10－ 10 10－ 6 10－ 2 光通量 /1m 陽極電流/ A （ 4） 光電倍增管的光譜特性 光譜特性反應(yīng)了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個關(guān)系是線性的，即入射光通量小于 104lm時，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。 利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動勢的光電器件 稱 內(nèi)光電效應(yīng)器件 ，常見的有 光敏電阻、光電池 和 光敏晶體管 等。 一、光敏電阻 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強而減小。 優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。 不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。 第三節(jié) 內(nèi)光電效應(yīng)器件 1. 光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu) 當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強，光導(dǎo)材料價帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。 為實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光導(dǎo)體材料的禁帶寬度 Eg，即 hν= = ≥Eg(eV) 式中 ν和 λ— 入射光的頻率和波長。 一種光電導(dǎo)體，存在一個照射光的波長限 λC，只有波長小于 λC的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子在能級間的躍遷，從而使光電導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。 ?ch?? 光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示 。 管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體 。 光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng) ， 只限于光照的表面薄層 ， 雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴散到內(nèi)部去 ， 但擴散深度有 A 金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖 光導(dǎo)電材料 絕緣襯低 引線 電極 引線 光電導(dǎo)體 限 ， 因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層 。 為了獲得高的靈敏度 ， 光敏電阻的電極一般采用 梳狀 圖案 ， 結(jié)構(gòu) 見下圖 。 1光導(dǎo)層 。 2玻璃窗口 。 3金屬外殼 。 4電極 。 5陶瓷基座 。 6黑色絕緣玻璃 。 7電阻引線 。 RG 1 2 3 4 5 6 7 (a)結(jié)構(gòu) (b)電極 (c)符號 它是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的 。 這種梳狀電極 ， 由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積 ， 所以提高了光敏電阻的靈敏度 。 圖 （ c） 是光敏電阻的代表符號 。 CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號 光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響 ， 因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中 。 如果把光敏電阻連接到外電路中 ， 在外加電壓的作用下 ， 用光照射就能改變電路中電流的大小 ， 其連線電路如圖所示 。 光敏電阻具有 很高的靈敏度 ， 很好的光譜特性 ，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi) 。 而且體積小 、重量輕 、 性能穩(wěn)定 、 價格便宜 ， 因此應(yīng)用比較廣泛 。 RG RL E I （ 2）光照特性 下圖表示 CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。 0 1 2 3 4 5 I/mA L/lx 1000 2021 （ 3）光譜特性 光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此， 在選用光敏電阻時，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮 ，才能獲得滿意的效果。 20 40 60 80 100 40 80 120 160 200 240 λ/μm 3 1 2 相對靈敏度 1—— 硫化鎘 2—— 硒化鎘 3—— 硫化鉛 （ 4） 伏安特性 在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。圖中曲線 2分別表示照度為 零 及照度為 某值 時的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下 ,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn) 50 100 150 200 1 2 U/V 0 20 40 象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。 I/ μA （ 5）頻率特性 當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性。由于不同材料的光敏， 20 40 60 80 100 I / % f / Hz 0 10 102 103 104 電阻 時延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。 硫化鉛 的使用頻率比 硫化鎘 高得多，但多數(shù)光敏電阻的 時延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場合。 硫化鉛 硫化鎘 （ 6）穩(wěn)定性 圖中曲線 2分別表示兩種型號 CdS光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于 體內(nèi)機構(gòu)工作不穩(wěn)定 ，以及 電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達(dá)到平衡 ，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在開始一段時間的老化過程中，有些樣品阻值上 I / % 40 80 120 160 2 1 T/h 0 400 800
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