4.9光電式傳感器

光電傳感器是一種將光能量轉化成電信號的傳感器，基本結構如下圖，物理基礎是光電效應。電氣檢測技術2一、光電效應及其器件光電效應：

光照射在某些物質上，物質的電子吸收光子的能量而釋放電子的現象，稱為光電效應。被釋放的電子叫光電子；能產生光電效應的物質稱為光電材料；根據光電效應制造的轉換元器件稱為光電元件或光敏元件。光電效應的分類：外光電效應、光導效應、光生伏特效應三種。

電氣檢測技術3結論

1)電子吸收能量大于逸出功A才能產生外光電效應。臨界條件下，光子能量等于逸出功，此時光子的頻率為產生外光電效應的固有頻率。不同光電材料具有不同的固有頻率。當光子的頻率大于光電材料的固有頻率時，才可能產生外光電效應。

2)光電材料電子逸出功A為常數，光電子初始動能取決于光子頻率，與光強無關。對外光電效應器件，沒有陽極電壓也產生光電流。為使光電流為零，須加反向截止電壓，且該截止電壓應與入射光的頻率成正比。電氣檢測技術5

3)入射光頻譜成分不變時，光電流與光強度成正比。

4)電子一次性吸收光子的全部能量，光電子發射極為迅速，無需能量存儲時間。

根據外光電效應的特性制成的光電元件有光電管、光電倍增管等。電氣檢測技術61、光電管真空光電管：真空玻璃管內密封有光電陽極A和光電陰極K，K上涂有逸出功較小的光電發射材料。光照射在K上時，電子從陰極表面逸出，在外加電場的作用下，在外電路產生光電流I，在負載電阻RL上產生的壓降為輸出電壓U0。電氣檢測技術7

真空光電管穩定性好，惰性小，溫度系數小；隨著光電技術發展，靈敏度也不斷提高，由于放大技術的提高，對靈敏度要求也不再特別嚴格；在一般的自動檢測過程中，都要求檢測元件受溫度影響要小，靈敏度穩定，大部分自動檢測中，都采用真空光電管。

電氣檢測技術92、光電倍增管光電倍增管具有電流放大作用。工作原理圖如圖：電氣檢測技術10

光電倍增管由光電陰極、光電陽極及倍增極組成，倍增極成為“次陰極”；陰極發出光電子在電場加速下，打到第一倍增極，引起第二次電子發射；上一倍增極的光電子打到下一個倍增極上時，激發出的光電子為原來光電子數目的3-6倍；

電氣檢測技術11主要參數1)倍整系數

式中：為各次陰極電子收集率

為總的電子收集率為各次陰極的電子倍增系數

電氣檢測技術132)陰極靈敏度和總靈敏度每一個光子在陰極上能激發的平均光電子數，稱為陰極靈敏度；每一個光子激發陰極后，在陽極上能收到光電子的平均數，稱為光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的靈敏度很高，最高靈敏度可達到10A/lm(lm-流明，光通量單位)，不能受強光，否則易損壞。電氣檢測技術143)

暗電流使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用；但是由于環境溫度、熱輻射和其他因素的影響，即使沒有光信號輸入，在加上電壓后，陽極仍有電流，這種電流被稱為暗電流。暗電流隨環境溫度的升高而增大。不過這種暗電流通?？梢圆捎醚a償電路加以消除。電氣檢測技術15光電阻的主要參數：1)

暗電阻和亮電阻一定溫度下，無光照時的零功率電阻(無外加電壓)稱為暗電阻；一定溫度下，受光照時的零功率電阻(無外加電壓)稱為亮電阻；光電阻的暗電阻的阻值在兆歐數量級上，而亮電阻的阻值在千歐以下，通常，暗電阻越大，亮電阻越小，光電阻的靈敏度越高。電氣檢測技術172)

暗電流與亮電流在一定的外加電壓下流過暗電阻的電流稱為暗電流，相應的，流過亮電阻的電流稱為亮電流。通常亮電流較之于暗電流要大。3)光電流在相同的外部條件下(指外加電壓)，亮電流與暗電流之差稱為光電流。4)靈敏度無光照時的電阻與有光照時的阻值的相對變化量稱為光電阻靈敏度。電氣檢測技術18(三)光生伏特效應半導體受光照射時產生電動勢的現象稱為光生伏特效應。根據光生伏特效應制成的光電器件：

1、光電池

2、光電二級管

3、光電三極管

4、光控晶閘管

5、光電耦合器電氣檢測技術192、光電二極管結構和工作原理與光電池類似，光電二極管的受光點在PN結處。3、光電三極管光電三極管有兩個PN結，受光點在基—集電極的PN結光電三極管的靈敏度要比光電二極管的靈敏度高。電氣檢測技術21

4、光耦合器利用發光二極管單向導電性，在發光二極管VD上加正電壓后，PN結內電場降低，載流子的擴散大與漂移運動，P區的空穴注入N區，N區的電子注入P區，電子與空穴相復合而產生能量，釋放的能量以單色光的形式出現，該單色光被光敏三極管接收，能量足夠大時，光敏三極管V導通，使得電流增加，電流在負載上的壓降即為輸出電壓。

電氣檢測技術22二、光電器件的特性

1、光照特性

2、光譜特性

3、伏安特性

4、頻率特性

5、溫度特性

電氣檢測技術232、伏安特性

在一定的光通量或光照度下，所產生的光電流與外加電壓之間的關系，即各種典型光電元件的伏安特性曲線如下圖。圖中：

a、真空光電管

b、光電倍增管

c、光電阻

d、光電池

e、光電三極管

電氣檢測技術25電氣檢測技術26說明

1)真空光電管、光電倍增管和光電三極管的伏安特性與晶體三極管的伏安特性相似，僅以入射光的強度代替晶體三極管的基極電流而已。2)從光電阻的特性曲線看，有無光照伏安特性曲線有較大區別，且在一定光照下，外加電壓升高到一定程度時，光電阻會產生“擊穿”現象。

3)對于光電池，伏安特性的線性度跟負載電阻的大小有關，負載電阻越小，其伏安特性的線性度也越好，當負載電阻增加時，線性度變差。

電氣檢測技術27光電阻溫度特性隨著溫度的增加，光電阻的暗電阻與靈敏度都有所下降，同時溫度也影響著它的光譜溫度特性。從圖中可以看出，它的峰值隨著溫度的上升向短波方向移動，因此，有時為提高元件的靈敏度，或者為能接受較長波段的紅外線輻射而采取一些制冷措施。電氣檢測技術29光電三極管溫度特性

暗電流隨溫度的升高而增加很快，這是由于熱激發的緣故，而光電流隨溫度的升高而增加很少，電路中一般要對暗電流進行溫度補償，否則將會產生輸出誤差。

電氣檢測技術30結論總的來看，光電元件的特性受溫度的影響比較嚴重，在實際的使用中必須采取溫度補償或恒溫措施，以保證足夠的精度。

電氣檢測技術31(四)

光譜特性和頻率特性

一般而言，某種材料制造的光電元件只對某一波長的入射光具有最高的靈敏度，在選擇光電元件時，要考慮光源的波長，較好的靈敏度；不同的光電器件有著不同的頻率響應，因此在選用光電器件時，也必須要考慮光電元件的頻率特性與調制光的頻率要適合，否則將會引起較大的動態誤差。電氣檢測技術32三、光電元件信號檢測的方法1、透射式恒光源發出光通量為，光源與接收裝置間為待測物體，發出光經被測物體時會被物體吸收一部分能量，最后光敏元件接受的光通量為，滿足：為被測物體的吸收系數；為被測物體的厚度

電氣檢測技術332、反射式恒光源的光通量經被測對象反射后損失部分光通量，達到光敏元件并被接受的光通量為，這種方法可檢測物體的表面粗糙度、反射率以及轉速（物體轉動時，受光面積會有周期性變化，根據此變化就可以測出轉速）等。

電氣檢測技術343、遮擋式恒光源發出的光通量被被測對象遮擋住一部分，達到光敏元件的光通量為，光敏元件根據接收到的光通量大小進行測量。這種方法可以用來測量物體的尺寸，振動，位移，膨脹系數（膨脹前后物體尺寸有所變化）等。

電氣檢測技術354、開關式原理如遮擋式，不過連續光源在經過被測物體時被調制成脈沖光照射到光敏元件上，然后轉換成電流過電壓脈沖進行測量。5、輻射式被測對象輻射的光通量被光敏元件接收，完成有關測量?？蓽y量溫度及與溫度有關的參數。電氣檢測技術36特點

前四種測量方法，需要有作為光源的恒定的光照，對于輻射式測量方法，被測對象自身作為輻射光的光源。電氣檢測技術37四、光電傳感器的應用測量機械量、熱工量及成分量等。1、光電轉速測量電路如圖光電數字式轉速表工作原理圖。在待測轉速軸上固定一帶孔調置盤，恒定光源2產生恒定光，透過盤上小孔到達光敏二極管組成的光電轉換器上，轉換成相應的電脈沖信號，經過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉速由該脈沖頻率的大小獲得。電氣檢測技術38在待測轉速軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同反射率，轉軸轉動時，反光與不反光交替出現，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉換成電脈沖信號。每分鐘轉速n與脈沖頻率f的關系如下：

N為孔數或黑白條紋數目。

電氣檢測技術39光電脈沖轉換電路

電氣檢測技術40電路說明BG1為光敏三極管，光照射在BG1時，產生光電流，R1上壓降增大，BG2導通，觸發由BG3和BG4組成的射極耦合觸發器，使輸出電壓U0為高電位；反之U0為低電位，在輸出端獲得一個脈沖系列信號。該脈沖信號可送到計數電路進行計數。

電氣檢測技術412、光電池應用

光電池至今主要有兩大類型的應用：

1)作光伏器件使用，利用光生伏特作用直接將太陽能轉換成電能，即太陽能電池。

2)作光電轉換器件應用，需光電池具有靈敏度高、響應時間短等特性，但不要像太陽電池那樣的光電轉換效率。這類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測和自動控制系統中。電氣檢測技術42光電池作光電探測器件使用時，基本原理與光敏二極管相同，基本結構和制造工藝不完全相同。光電池工作時不需要外加偏壓，光電轉換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，因此它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、紫外光監視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。

電氣檢測技術43光電池在檢測和控制應用中的基本電路1、光電跟蹤電路

電氣檢測技術442、光電開關電氣檢測技術45

1、跟蹤電路中兩性能相似的同類光電池作光電接收器件。入射