传感技术及应用9光电式传感器

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第八章 光电式传感器

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第八章 光电式传感器 原理首先把被测量的变化转换成光信号的变化， 然后通过光电器件变换成电信号。输出 辐射源 被测量 光学通路 被测量 光电器件

特性频谱宽、非接触测量、体积小、重量轻等

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第八章 光电式传感器

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§8-1

光源

光源是光电式传感器的一个组成部分，大多

数光电传感器都离不开光源。

热辐射光源 气体放电光源 电致发光器件 激光器

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一、热辐射光源 原理：热物体都会向空间发出一定的光辐射 特点：物体温度越高，辐射能量越大 代表：白炽灯、卤钨灯

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二、气体放电光源 原理：电流通过气体会产生发光现象 特点：改变气体成分、压力、电流、阴极材料和放电电流的大小，可以得到不同光谱范围的辐射源体

代表：日光灯

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三、电致发光器件 原理：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光

特点：体积小、寿命长、工作电压低、响应速度快 代表：发光二极管

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四、激光器 定义：能够产生光受激辐射放大现象的器件 特点：单色性好、方向性好、亮度高 分类：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器

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§8-2一、光电效应

光电效应与光电器件

光电传感器的工作原理基于光电效应 光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒 子——光子所组成，每一个光子能量为：

E hf

h ——普朗克常数，6.626×10-34J.s; f ——光的频率(s-1)。

光电效应：当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相 应的效应(如发射电子、电导率变化或产生电动势)。

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光电效应按原理又分为以下3种：1、外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出 物体表面，形成光电流。 光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功 A0和动能，即：1 Ek mv0 2 hf A0 2逸出物体表面电子具有的动能

m——电子质量；

v0——电子逸出速度；A0——物体的表面电子逸出功。

不同材料有不同的逸出功，对某种材料而言有一个频率限， 当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发 电子，此频率限成为“红限”,其

临界波长λ K为：

K hc / A0

c ——光在真空中的速度。

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外光电效应典型元件有光电管、光电倍增管等。

2、内光电效应：又称光导电效应， 在光照作用下，物体导电性能(如电阻率发生变化)发生改变的现 象。典型的光电元件有光敏电阻等。

3、光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。典型光电元件有光电池、

光敏(电)二极管、光敏(电)三极管等。

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二、光电器件1、外光电效应应用器件

光信号→电信号光电管A A

A——阳极，K——阴极K K

金属底层光电管

光透明光电管

当阴极受到适当波长的光线照射时发射电子，中央带正 电的阳极吸引从阴极上逸出的电子，这样在光电管内就有电 子流，在外电路中便产生电流。

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第八章 光电式传感器 伏安特性

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入射光的频谱及光通量一定时，阳极 电流与阳极电压之间的关系。

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光电倍增管 由光电阴极、若干倍增极和阳极三 部分组成。

K

A

倍增极上的涂料在电子轰击下能发射 更多电子； 倍增极之间有依次增大的加速电压。 二次发射系数

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倍增系数M等于各倍增电极的二次发射系数σ i 的乘积。如果 n个倍增电极的σi 都一样( i ),则

M n所以

I i

n

式中，i为光电阴极的光电流

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几种光电倍增管的外形