1、项目五位置与转速测量项目五位置与转速测量 任务二任务二 光电式传感器及应用光电式传感器及应用v光电效应及分类光电效应及分类 v1.外光电效应外光电效应 v在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。当物体在光线照射作用下，一个电外光电效应。当物体在光线照射作用下，一个电子吸收了一个光子的能量后，其中的一部分能量子吸收了一个光子的能量后，其中的一部分能量消耗于电子由物体内逸出表面时所作的逸出功，消耗于电子由物体内逸出表面时所作的逸出功，另一部分则转化为逸出电子的动能。另一部分则转化为逸出电子的动能。2.内光电效应内光电效应v在光线作用下能使物体
2、的电阻率改变的现象称为在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。用光照射半导体时，若光子能量大内光电效应。用光照射半导体时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度于半导体材料的禁带宽度Eg，则禁带中的电子吸，则禁带中的电子吸收一个光子就足以跃迁到导带，使被激发出来的收一个光子就足以跃迁到导带，使被激发出来的电子成为一个自由电子，同时也产生一个空穴，电子成为一个自由电子，同时也产生一个空穴，从而增强了材料的导电性能，使材料的电阻值降从而增强了材料的导电性能，使材料的电阻值降低。低。3.光生伏特效应光生伏特效应 v 势垒光电效应（结光电效应）势垒光电效应（结光电效应）以以PN结为例，当光照
3、结为例，当光照射射PN结时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度结时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则使价带的电子跃迁到导带，产生自由电子则使价带的电子跃迁到导带，产生自由电子空穴对。在空穴对。在PN结阻挡层内电场的作用下，被激发的电子移向结阻挡层内电场的作用下，被激发的电子移向N区的区的外侧，被激发的空穴移向外侧，被激发的空穴移向P区的外侧，从而使区的外侧，从而使P区带正电，区带正电，N区带负电，形成光电动势。区带负电，形成光电动势。v 侧向光电效应侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，有当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收载流
4、子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于光生伏特效应的光分与
5、未被光照部分产生光电动势。基于光生伏特效应的光电元件有光电池、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管电元件有光电池、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。等。光电管及基本测量电路光电管及基本测量电路v1.结构与工作原理结构与工作原理2.光电管特性光电管特性v 光电特性光电特性 伏安特性 光谱特性光电倍增管及基本测量电路光电倍增管及基本测量电路v1.结构与工作原理结构与工作原理2.光电倍增管的主要参数光电倍增管的主要参数和特性和特性v光电倍增管的倍增系数光电倍增管的倍增系数M与工作电压的关系与工作电压的关系光电倍增管的伏安特性光电倍增管的光电特性光敏电阻及基本测量电路光敏电阻及基本测量电路v1.光敏
6、电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构2.光敏电阻的基本特性和光敏电阻的基本特性和主要参数主要参数v 暗电阻和暗电流暗电阻和暗电流 v 置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻置于室温、全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。这些是光敏电阻的重要特性指标。的电流称为暗电流。这些是光敏电阻的重要特性指标。v 亮电阻和亮电流亮电阻和亮电流 v 置于室温、在一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，此时流置于室温、在一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。过电阻的电流称为亮电流。v 伏安特性伏安特性 v 伏安特性光
7、照度不变时，光敏电阻两端所加电压与流过电阻的光电流伏安特性光照度不变时，光敏电阻两端所加电压与流过电阻的光电流关系称为光敏电阻的伏安特性。如图关系称为光敏电阻的伏安特性。如图6-12所示。从图中可知，伏安所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。因为光敏电阻都有最大额定功率、最高工作电压和最所示的功耗区。因为光敏电阻都有最大额定功率、最高工作电压和最大额定电流，超过额定值可能导致光敏电阻的永久性损坏。大额定电流，超过额定值可能导致光敏电阻的永久性损坏。v 光电特性光电特性 v 在光
8、敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光在光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性，如图电特性，如图 6-13所示。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏所示。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。电阻的主要缺点之一。图6-12 光敏电阻的伏安特性 图6-13 硒光敏电阻的光电特性 图6-14 光敏电阻的光谱特性v 光谱特性光谱特性v 如图如图6-14所示，光敏电阻对不同波长的入射光，其对应所示，光敏电阻对不同波长的入射光，其对应光谱灵敏度不相同，而且各种光敏电阻的光谱响应峰值波光谱灵敏度不相同，而且各种光敏电阻的光谱响应峰值波长也不相同
9、，所以在选用光敏电阻时，把元件和入射光的长也不相同，所以在选用光敏电阻时，把元件和入射光的光谱特性结合起来考虑，才能得到比较满意的效果。光谱特性结合起来考虑，才能得到比较满意的效果。v 响应时间响应时间 v 光敏电阻受光照后光敏电阻受光照后,光电流并不立刻升到最大值，而要经光电流并不立刻升到最大值，而要经历一段时间（上升时间）才能达到最大值。同样，光照停历一段时间（上升时间）才能达到最大值。同样，光照停止后，光电流也需要经过一段时间（下降时间）才能恢复止后，光电流也需要经过一段时间（下降时间）才能恢复到其暗电流值，这段时间称为响应时间。光敏电阻的上升到其暗电流值，这段时间称为响应时间。光敏电阻
10、的上升响应时间和下降响应时间约为（响应时间和下降响应时间约为（10-110-3）s，故光，故光敏电阻不能适用于要求快速响应的场合。敏电阻不能适用于要求快速响应的场合。v 温度特性温度特性 v 光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大。光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大。光敏晶体管及基本测量电路光敏晶体管及基本测量电路v1.光敏晶体管结构与工作原理光敏晶体管结构与工作原理v光敏二极管光敏二极管 光敏三极管光敏晶闸管2.光敏晶体管的基本特性光敏晶体管的基本特性v光谱特性光谱特性v伏安特性伏安特性v光电特性光电特性温度特性v频率特性频率特性v光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制光
11、敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性，如图频率的关系称为频率特性，如图6-22所示。减所示。减少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。一般少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差得来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差得多，锗光敏三极管的频率响应比硅管小一个数量多，锗光敏三极管的频率响应比硅管小一个数量级。级。v响应时间响应时间v工业用的硅光敏二极管的响应时间为（工业用的硅光敏二极管的响应时间为（10-510-7）s左右，光敏三极管的响应时间比相应的左右，光敏三极管的响应时间比相应的二极管约慢一个数量级，因此在要求快速响应或二极管约慢一个数量级，因此在要求快速响应或入射光调制频率比较高时应选用硅光敏二极管。入射光调制频率比较高时应选用硅光敏二极管。图6-21光敏晶体管的温度特性 图6-22 光敏晶体管频率特性光电池及基本测量电路光电池及基本测量电路v1.光电池的结构及工作原理光电池的结构及工作原理2.光电池的基本特性光电池的基本特性v光谱特性光谱特性 光电特性温度特性 频率特性3.短路电流的测量短路电流的测量 图6-28 光电池短路电流测量电路光电耦合器件及基本测量电路光电耦合器件及基本测量电路 v1.光电耦合器光电耦合器 图6-30 4N28光电耦合器 2.光电开关光电开关光电开关的基本电路休 息 一 下
