1、第7章 光電式傳感器光電式傳感器（Photoelectric Sensor）：以光電效應為基礎，將光信號（光量的變化）轉換為電信號（電量的變化）的一種傳感器。7.1 光電效應（Photoelectric Effect, Photoeffect）愛因斯坦光子學說：光是由一連串具有一定能量的粒子組成，其能量大小等于。普朗克常數光的頻率（）不同頻率的光具有不同的能量，光的頻率越高，其光子能量越大。光照射到物體表面后產生光電效應，分為兩類：1. 外光電效應（光電發射 Photoeletric Emission）在光線作用下，能使物體內的電子逸出物體表面的現象。基于外光電效應的光電器件（光敏元件）：光電

2、管、光電倍增管根據愛因斯坦光電效應方程： （能量守恒定律）A0 某物體的電子的逸出功V電子的逸出速度。結論:（1）當光子能量，即時，才有光電子逸出物體表面，產生外光電效應。當，即（紅限頻率）時，光電子的。當時，不論光強度有多大，都不會使物體發射出光電子，不會產生外光電效應。（2）光電子的初動能取決于光的頻率，。2. 內光電效應（Inner Photoeffect）（1）光電導效應在光線作用下，某些物體（本征半導體）內部的原子釋放電子，這些電子并不逸出物體表面，但使物體的電導率發生變化的效應被稱為光電導效應。基于光電導效應的光電器件：光敏電阻為實現能級的躍遷，入射光的能量必須滿足即：入射光的波長

3、必須（波長限）（2）光生伏特效應 在光線作用下，物體（半導體）內部的原子釋放電子，這些電子并不逸出物體表面，但使物體產生光生電動勢的效應被稱為光生伏特效應。 基于光生伏特效應的光電器件：光電池、光敏二極管、光敏三極管7.2 外光電效應的光電器件1. 光電管（真空） 2. 光電倍增管陽極電流I為：i光電陰極的光電流；各倍增電極的二次電子發射系數；n光電倍增管極數。 光電倍增管的電流放大倍數為7.3 內光電效應的光電器件1. 光敏電阻（光電導管Photoconductor, Photoconductive Tube）（1）工作原理基于光電導效應。無光照時，RG很大，I很小；有光照時，RG急劇減小，

4、I迅速增大。（2）光敏電阻的主要參數和基本特性 暗電阻、亮電阻、光電流暗電阻在未受到光（某種波長）照射時的阻值稱為暗電阻，流過的電流為暗電流。亮電阻在受到光（某種波長）照射時的阻值稱為亮電阻，流過的電流為亮電流。光電流=亮電流暗電流暗電阻越大，亮電阻越小，則光敏電阻的性能越好。即暗電流要小，亮電流要大。一般，暗電阻>1M, 亮電阻<(110)K。 光敏電阻的伏安特性 光敏電阻的光照特性光敏電阻的伏安特性光敏電阻的光照特性 光敏電阻的光譜特性可見光區域 紅外區域 光敏電阻的響應時間和頻率特性 光電流的變化相對于光的變化，存在滯后，這是光電導的“弛豫現象”。 光敏電阻的溫度特性隨著溫度

5、的升高，它的暗電阻和靈敏度都下降。2. 光電池（Photocell） 在光線照射下，直接能將光能量轉變為電動勢的光電元件（電壓源）。應用最廣、最有發展前途的是：硅光電池、硒光電池（1）光電池的結構原理（基于光生伏特效應） （2）光電池的主要特性（P140） 光電池的光譜特性 光電池的光照特性 光電池的頻率特性 光電池的溫度特性3. 光敏二極管和光敏三極管（1）光敏二極管無光照時，光敏二極管反向電阻很大，反向飽和漏電流（暗電流）很小，處于截止狀態；受光照時，產生光電流，光的照度越大，光電流越大，光敏二極管處于導通狀態。（2）光敏三極管 1）工作原理 無光照時，集電極反偏，反向飽和漏電流很小； 有

6、光照時，在PN結附近產生光生電子-空穴對，在PN結內電場作用下，做定向運動，形成光電流（相當于基極電流），輸出電流2）基本特性 （P143） 光敏三極管的光譜特性 光敏三極管的伏安特性 光敏三極管的光照特性 光敏三極管的溫度特性 光敏三極管的頻率特性7.4 光電耦合器件 光電耦合器件=發光元件+光電接收元件發光二極管 光敏電阻、光敏二（三）極管 1. 光電耦合器實現電隔離，具有抗干擾性能和單向信號傳輸功能。廣泛應用于電路隔離、電平轉換、噪聲抑制、無觸點開關及固態繼電器等。 2. 光電開關 檢測有無物體。廣泛應用于工業控制、自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置。7.5 光導纖維（光纖 O

7、ptical fiber）傳感器光纖：20世紀70年代的重要發明光纖傳感器：始于1977年光纖傳感器 光纖 光纖通信技術 與傳統的以電為基礎的傳感器相比有本質的區別：1 光纖傳感器用光而不是用電來作為敏感信息的載體；2 光纖傳感器用光纖而不是用導線來作為傳遞敏感信息的媒介光纖傳感器的特點：1 電絕緣，特別適用于高壓供電系統及大容量電機的測試。2 抗電磁干擾，特別適用于高壓大電流、強磁場噪聲、強輻射等惡劣環境。3 高靈敏度。4 容易實現對被測信號的遠距離監控。7.5.1 光纖結構光纜由多根光纖組成，主要用于光纖通信。7.5.2 斯乃爾定理（Snells Law） 根據幾何光學理論，當光由光密物質

8、（折射率n1大）射至光疏物質（折射率n2小），即n1>n2時，一部分入射光折射入光疏物質，其余部分反射回光密物質。 斯乃爾定理： （ 因為 ，所以 ）始終： 臨界狀態： 臨界角： 當時，發生全反射7.5.3 光纖的傳（導）光原理根據斯乃爾定理 （1） （2） （空氣）由（1）得：由（2）得：臨界狀態：實現全反射的臨界角： （數值孔徑）結論：1 纖芯和包層介質的折射率差值越大，數值孔徑就越大，光纖的集光能力越強。 數值孔徑反映了光纖的集光能力。2當時，光線會透入包層而消失。3當時，光線在纖芯和包層的界面上不斷地產生全反射而向前傳播，光在光纖內經過無數次的全反射，就從光纖的一端以光速傳播到另

9、一端，這就是光纖傳光的基本原理。7.5.4 光纖傳感器結構原理及分類1. 光纖傳感器結構原理傳統傳感器：以機電測量為基礎，把測量的物理量轉變為可測的電信號的裝置。導線 被測量 電源 敏感元件 信號接收器 信號處理 導線 光纖傳感器：以光學測量為基礎，把測量的物理量轉變為可測的光信號的裝置。光纖 被測量 光發送器 敏感元件 光接收器 信號處理 光纖 光纖傳感器的基本工作原理：光纖 光纖 被測量 調制光信號 光信號 光調制器 光探測器 光解調器 非電量（被測量） 光： 電磁波 波長 光的電矢量E： A 光波的振幅光波的振動頻率光波的相位將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測參數與光相互作用，導致

10、光的光學性質（光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等）發生變化，成為被調制的光信號，再經過光纖送入光探測器，經解調器解調后，獲得被測參數。2. 光纖傳感器的分類（1） 非功能型（傳光型）光纖傳感器光纖 被測量 光發送器 敏感元件 光接收器 信號處理 光纖：僅起傳（導）光作用敏感元件：非光纖型優點：容易實現，成本低，占據了光纖傳感器的絕大多數。缺點：靈敏度低（2） 功能型（傳感型）光纖傳感器光纖 被測量 光發送器 光纖敏感元件 光接收器 信號處理 光纖：不僅起傳光作用，而且作為敏感元件敏感元件：光纖型優點：結構緊湊，靈敏度高缺點：成本高（因需用特殊的光纖和先進的檢測技術）7.5.5 光纖傳感器的調制原理1. 強度調制利用被測量的因素改變光纖中光的強度，再通過檢測光強的變化來測量外界物理量，稱為強度調制。2. 波長和頻率調制利用外界被測量的因素改變光纖中光的波長或頻率，然后，再通過檢測光纖中光的波長或頻率的變化來測量外界物理量，分別稱為波長調制和頻率調制。3. 相位調制利用被測量的因素改變光纖中光波的相位，再通過檢測光波相位變化來測量