【正文】 線 。 它們在 PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運(yùn)動 , 形成光電流 （ 處于導(dǎo)通狀態(tài) ） 。在沒有光照射時(shí) , 反向電阻很大 , 反向電流很小 , 稱為暗電流 （ 處于截止?fàn)顟B(tài) ） 。 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 （ 見圖 85） 。 對于可見光的光敏電阻 , 其溫度影響要小一些 。 圖 8 4 為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線 , 它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動 。 而硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū) , 常用做火焰探測器的探頭 。即光敏電阻對入射光的光譜有選擇作用 。 圖 8 3 為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性 。 由圖可見 , 光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi) , 其 IU曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關(guān) , 而與電壓、電流無關(guān)。 第 8章 光電式傳感器 4．光敏電阻的基本特性 （ 1） 伏安特性 ——在一定照度下 , 流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。 一般來說光電流越大越好 。 一般來說亮電阻越小越好 。 一般來說暗電阻越大越好 。 當(dāng)光敏電阻受到 一定波長范圍 的光照時(shí) , 它的電阻率急劇減少 , 從而導(dǎo)致電阻急劇減少 ， 因此電路中電流迅速增大 。 2. 工作原理 它的工作原理是基于半導(dǎo)體的 光電導(dǎo)效應(yīng) 。其結(jié)構(gòu)如下圖 81 所示 第 8章 光電式傳感器 1 第 8章 光電式傳感器 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 。 第 8章 光電式傳感器 K E1 E2 E3 E4 A 光 光電子 光電倍增管示意圖 第 8章 光電式傳感器 二 、 光敏電阻 １． 光敏電阻的結(jié)構(gòu) 光敏電阻又稱光導(dǎo)管 , 它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。并且放大倍數(shù)與極數(shù)成倍增關(guān)系。 其工作原理也是基于外光電效應(yīng)： 工作時(shí)，各個(gè)倍增電極上均加上電壓，陰極 K電位最低，各倍增極 E E E E4(或更多）電位一次升高，陽極 A電位最高。 如下圖 （ b） 所示 。 其工作原理是基于外光電效應(yīng)：即當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)便發(fā)射電子 ， 電子被帶正電位的陽極所吸收 ， 在光電管內(nèi)就產(chǎn)生光電流 ， 在外電路中便產(chǎn)生電流 。 第 8章 光電式傳感器 一 、 光電管和光電倍增管 光電管 光電管的結(jié)構(gòu) 如下圖 （ a） 所示 ， 它是在一個(gè)真空玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極的器件 。 2） 光生伏特效應(yīng)： 在光線作用下 , 能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為 光生伏特效應(yīng) , 又稱 阻擋層光電效應(yīng) 。 1） 光電導(dǎo)效應(yīng)： 在光線作用下 , 當(dāng)半導(dǎo)體吸收的光子能量超過它的禁帶寬度 ， 就激發(fā)出電子－空穴對 ， 使載流子濃度增加 ， 電阻減小 ， 這種現(xiàn)象稱為 光電導(dǎo)效應(yīng) 。 基于外光電效應(yīng)的有光電管 、 光電倍增管等 。 當(dāng)物體內(nèi)電子吸收入射光子能量超過逸出功A0時(shí) ， 電子就會逸出物體表面向外發(fā)射 ， 這種現(xiàn)象就稱作外光電效應(yīng) 。 反之 ， 若光的頻率越低 （ 即波長越長 ） ， 其光子的能量就越小 。 1. 外光電效應(yīng) 由光子理論可知 ， 光是由光子組成的 ， 光子具有能量 ， 每個(gè)光子具有的能量可由下式表示： E= hγ （ 8－ 1） 式中： h為普朗克常數(shù) ， γ為光的頻率 。第 8章 光電式傳感器 光電器件 光纖傳感器 紅外傳感器 返回主目錄 第 8 章 光電式傳感器 將光能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備稱作光電式傳感器件 ,它的 最主要部件 光電器件 第 8章 光電式傳感器 光電器件 光電器件的物理基礎(chǔ)是 光電效應(yīng) 。 光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng) 和 內(nèi)光電效應(yīng) 兩類 。 第 8章 光電式傳感器 由 (8－ 1)式可知 ， 光的頻率越高 （ 即波長越短 ） ， 其光子的能量就越大 。 當(dāng)光照射物體時(shí) ， 可以看作物體被一連串能量為 hγ的光子所轟擊 。 向外發(fā)射的電子就叫作光電子 。 第 8章 光電式傳感器 2. 內(nèi)光電效應(yīng) 在光線作用下 , 物體內(nèi)的電子不逸出物體表面 ， 而使其電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象稱作 內(nèi)光電效應(yīng) 。 如光敏電阻等就屬于這類光電器件 。如光電池 、 光敏晶體管等就屬于這類光電器件 。 一個(gè)貼在玻璃泡內(nèi)稱作光電陰極 ， 陰極前裝有一根金屬絲稱作陽極 。 其光電流的大小與光通量有關(guān) ， 這個(gè)關(guān)系曲線稱作光電管的伏安特性曲線 。 第 8章 光電式傳感器 陽極電壓 陽 極 電 流 光通量 陽極 光電陰極 玻璃泡 （ a）光電管結(jié)構(gòu)圖 （ b）光電管伏安特性圖 第 8章 光電式傳感器 光電倍增管 光電倍增管結(jié)構(gòu) 如下圖所示 ，它有光電陰極、若干（通常 4～ 14個(gè)）倍增極和陽極 3部分組成。當(dāng)光線照射到陰極上打出光電子，由于各極間有電場存在，電子加速從而轟擊出更多的電子，這些電子最后被陽極吸收，從而在光電陰極和陽極之間形成較大電流。其伏安特性曲線與光電管相似。 光敏電阻沒有極性 , 純粹是一個(gè)電阻器件 , 使用時(shí)既可加直流電壓 , 也可以加交流電壓。 為了防止周圍介質(zhì)的影響 , 在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜 , 漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大 。 即當(dāng)無光照時(shí) , 光敏電阻值很大 , 電路中電流很小 。 第 8章 光電式傳感器 3． 光敏電阻的主要參數(shù) （ １ ） 暗電阻 和 暗電流 ——光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻 , 此時(shí)流過的電流稱為暗電流 。 （ ２ ） 亮電阻 和 亮電流 ——光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻 , 此時(shí)流過的電流稱為亮電流 。 （ ３ ） 光電流 ——亮電流與暗電流之差稱為光電流 。 光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級 , 亮電阻在幾千歐以下 。 圖 8 2 為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。 第 8章 光電式傳感器 （ 2） 光譜特性 ——光敏電阻的相對光靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性 , 亦稱為光譜響應(yīng) 。 從圖中可以看出 ， 對應(yīng)于不同波長 , 光敏電阻的靈敏度是不同的 。 從圖中可見硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見光 (波長在 380~780nm之間 ） 區(qū)域 , 常被用作光度量測量 （ 照度計(jì) ） 的探頭 。 第 8章 光電式傳感器 （ 3） 溫度特性 ——溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng) , 同時(shí) , 光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變 , 尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大 。 因此 , 硫化鉛光敏電阻要在低溫 、 恒溫的條件下使用 。 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 三 、 １ ． 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與二極管相似 。 光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài) （ 見圖 86所示 ） 。 當(dāng)光照射在 PN結(jié)上時(shí) , 光子打在 PN結(jié)附近 , 使 PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對 。 并且光的照度越大 , 光電流越大 。 下 圖 為 NPN型光敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路 。 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 。 從曲線可以看出 , 硅的峰值波長約為 μm, 鍺的峰值波長約為 , 此時(shí)靈敏度最大 , 而當(dāng)入射光的波長增加或縮短時(shí) , 相對靈敏度也下降 。 但對紅外光進(jìn)行探測時(shí) , 鍺管較為適宜 。 從圖中可見 , 光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍 。 從特性曲線上看出 , 溫度變化對光電流影響很小 , 而對暗電流影響很大 , 所以在電子線路中應(yīng)對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償 , 否則將會導(dǎo)致輸出誤差 。光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源 。 它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的 PN結(jié) , 當(dāng)光照射到 PN結(jié)的一個(gè)面 , 例如 P型面時(shí) , 若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 , 那么P區(qū)就被激發(fā)出電子 ——空穴對 , 在 PN結(jié)電場的作用下 ,電子越過 PN結(jié)到達(dá) N型區(qū) ， 最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動勢 。 下圖 8 11為工作原理圖 。 下圖 8 12為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線 。 硅光電池的光譜響應(yīng)波長范圍為 ~ μm, 而硒光電池的范圍只能為 ~ μm。 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 （ ２ ） 光照特性 ——光電流和光生電動勢與光照度之間的關(guān)系曲線 。 從圖中看出 , 短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度成線性關(guān)系 , 開路電壓 （ 負(fù)截電阻 RL無限大時(shí) ） 與光照度的關(guān)系是非線性的 , 并且當(dāng)照度在 2022 lx時(shí)就趨于飽和了 。 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 (3) 溫度特性 ——光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況 。 光電池的溫度特性如圖 8 14所示 。 由于溫度對光電池的工作有很大影響 , 因此把它作為測量器件應(yīng)用時(shí) , 最好能保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施 。 光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管 , 光電接收元件有光敏電阻 、 光敏二極管 、 光敏三極管或光