第3章 光电式传感器
第3章 光电式传感器
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换 的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外 光辐射）转变成为电信号的器件。其工作原理是 基于一些物质的光电效应。
可用于检测直接引起光强变化的非电量，如光强、辐射测 温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的 其它非电量，如零件线度、表面粗糙度、位移、速度、加 速度等。
10 5
1 0.5
光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速
c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波长
λ和频率ν的关系为
νλ=3×1010cm / s
ν的单位为Hz，λ的单位为cm。
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二、光源（发光器件） 1、钨丝白炽灯
用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽 灯的辐射光谱是连续的 发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光 敏元件都能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对 接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。
气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。
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3、发光二极管LED（Light Emitting Diode）
由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿 命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。
在半导体PN结中，P区的空穴由于扩散而移动到N 区，N区的电子则扩散到P区，在PN结处形成势垒，从 而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向 电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P 区注入到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里 的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区 里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能 量，因而有发光现象。
第30章.01
光电式传感器 0.05
0.1
0.5
波长/μm
极远紫外
远 近 可0 5 远红外
106 5×105
105 5×104
104 5×103
103
波数/cm-1
3×1018
频率/Hz
1016 5×1015
1015 5×1014
1014 5×1013
100
光子能量/eV
50
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4、激光器
激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之 一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重 要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光频 波段范围。 激光器种类繁多，按工作物质分类：
固体激光器（如红宝石激光器）
气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳 激光器）
半导体激光器（如砷化镓激光器）
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：
E=hν
h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）
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根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量 ，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能 量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸 出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物 ，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。 根据能量守恒定理
液体激光器。
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三、光电效应
是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量 ，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电 效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类
1、外光电效应
在光照射下，物体内的电子逸出物体表面向外发射 的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。 基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用 的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm， 钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色 光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用， 荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，目前荧光剂 的选择范围很广，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出 某一范围的波长，如，照明日光灯。
当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成 正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的 电子数也就越多。
光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光 电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有 光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压， 而且截止电压与入射光的频率成正比。
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第一节 概述 第二节 外光电效应器件 第三节 内光电效应器件 第四节 新型光电传感器 第五节 光敏传感器的应用举例
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第一节 概 述
一、光谱
光波： 波长为10—106nm的电磁波 可见光：波长380—780nm 紫外线：波长10—380nm，
波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线， 红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。
在普通白炽灯基础上制作的发光器件有溴钨灯和碘 钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。
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2、气体放电灯
定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。
气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条 件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小， 可得到主要在某一光谱范围的辐射。
h
1 2
m02
A0
式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度。 该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
注：1921年爱因斯坦因发现光电效应而获诺贝尔奖。
光电第子3章能光否电产式生传感，器取决于光电子的能量是否大于该物 体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功， 即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率 或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使 物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强 再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红 限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。
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2. 内光电效应 内光电效应分为两类, 光电导效应和光生伏特效应。
(1). 光电导效应 入射光强改变物质导电率的物理现象,叫光电导效应。 这是由于,在入射光作用下,电子吸收光子能量,从价带 激发到导带,过渡到自由状态,同时价带也因此形成自 由空穴,致使导带的电子和价带的空穴浓度增大,引起 材料电阻率减小。为使电子从价带激发到导带,入射光 子的能量E0应大于禁带宽度Eg,如图3.1所示,即光的波 长应小于某一临界波长λ0。