光电式检测元件学习培训模板课件.ppt

1、2.7 2.7 光电式检测元件光电式检测元件v光电式检测元件是一种将光信号转换为电信号的光电式检测元件是一种将光信号转换为电信号的元件，其物理基础是元件，其物理基础是光电效应光电效应 v测量时，被测量的变化转换成光信号的变化，从测量时，被测量的变化转换成光信号的变化，从而引起电信号的相应变化而引起电信号的相应变化 2.7 光电式检测元件2.7.1光电效应光电效应 什么是光电效应：光电效应是指光照射到物质上引起其电特性（电子发射、电导率、电位、电流等）发生变化的现象。光电效应分为:外光电效应外光电效应和内光电效应内光电效应（1）外光电效应）外光电效应 在光线作用下，使其内部电子逸出物体表面的现象

2、称为 外光电效应。光电管、光电倍增管是基于外光电效应的器件。外光电效应服从以下规律：外光电效应服从以下规律：当入射光谱成分不变时，光电流大小光电流大小与入射光强度成正比光电子的最大动能光电子的最大动能与入射光的频率成线性关系，而与入射光的强度无关。光电子能否产生光电子能否产生取决与入射光频率的高低。与入射光的强度无关。光电管即使没有阳极电压，由于光电子有初始动能，也会产生光电流（2）内光电效应）内光电效应 物体在光线作用下，其内部的原子释放电子，但这些电子并不逸出物体表面，而仍然留在内部，从而导致物体的电阻率发生变化或产生电动势，这种现象称为内光电效应。引起电阻率变化引起电阻率变化光电导效应光

3、电导效应：如光敏电阻：如光敏电阻 产生电动势产生电动势光生伏特效应光生伏特效应：如光电池、光敏二极管、：如光电池、光敏二极管、光敏三极管光敏三极管2.7.1光电效应光电效应2.7 光电式检测元件2.7.2光电器件的基本特性光电器件的基本特性（1）光谱灵敏度）光谱灵敏度 为光电器件输出光电流为光电器件输出光电流 ；为入射光辐射通量为入射光辐射通量 ddISI最大。具有峰值特性，即是光的波长。)()(mSS S相对光谱灵敏度相对光谱灵敏度 mrSSS积分灵敏度积分灵敏度 IS 光电器件对连续光通量的反应称为积分灵敏度光电器件对连续光通量的反应称为积分灵敏度 2.7 光电式检测元件（2）光照特性）光

4、照特性 当光电器件加上一定的外加电压时，其输出光电流（或端当光电器件加上一定的外加电压时，其输出光电流（或端电压）与入射光电压）与入射光照度照度之间的关系称为光照特性之间的关系称为光照特性（3）频率特性）频率特性 光电器件的相对光谱灵敏度（或输出光电流、端电压）随光电器件的相对光谱灵敏度（或输出光电流、端电压）随入射光通量频率变化的频率特性入射光通量频率变化的频率特性 （4）温度特性）温度特性 环境温度变化后，光电器件的光学性质也随之变化，这种环境温度变化后，光电器件的光学性质也随之变化，这种现象称为光电器件的温度特性。现象称为光电器件的温度特性。EfI fSr2.7 光电式检测元件2.7.3

5、2.7.3光敏元件及特性光敏元件及特性 2.7.3.12.7.3.1光敏电阻及特性光敏电阻及特性(1)(1)光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数 v暗电阻：没有光照时的电阻。一般为暗电阻：没有光照时的电阻。一般为1100Mv亮电阻亮电阻：有光照时的电阻。：有光照时的电阻。一般几一般几k v暗电流：没有光照时流过光敏电阻的电流。暗电流：没有光照时流过光敏电阻的电流。v亮电流：有光照时流过光敏电阻的电流亮电流：有光照时流过光敏电阻的电流v光电流光电流=亮电流暗电流亮电流暗电流2.7.3.12.7.3.1光敏电阻及特性光敏电阻及特性（2）光敏电阻的光敏电阻的基本特性基本特性 光照特性、伏安特性光照特

6、性、伏安特性、光谱特性、光谱特性、温度特性、温度特性 v光照特性：光电流与光照强度关系，为非线性光照特性：光电流与光照强度关系，为非线性E/lx光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性2.7.3.12.7.3.1光敏电阻及特性光敏电阻及特性v伏安特性：光敏电阻两端所加电压与光电流的关伏安特性：光敏电阻两端所加电压与光电流的关系。为线性。系。为线性。光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性2.7.3.12.7.3.1光敏电阻及特性光敏电阻及特性光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性光敏电阻温度特性光敏电阻温度特性 2.7.32.7.3光敏元件及特性光敏元件及特性2.7.3.2 光电池及特性光电池及特性（1

7、）光电池的工作原理和结构）光电池的工作原理和结构 光电池是一种直接将光能转换为电能的光敏元件 硅光电池结构图2.7.3.2 光电池及特性光电池及特性（2）光电池的基本特性）光电池的基本特性 光照特性光照特性、光谱特性、光谱特性、频率特性、频率特性、温度特性、温度特性 2硅电池的光照特性硅电池的光照特性 光电池的光谱特性光电池的光谱特性 12.7.3.2 光电池及特性光电池及特性 光电池的频率特性 1硒光电池；2.硅光电池；光电池的温度特性 2.7.32.7.3光敏元件及特性光敏元件及特性2.7.3.3光敏晶体管光敏晶体管（1）光敏二极管）光敏二极管结构与光电池相似，有一个结构与光电池相似，有一

8、个PN结。结。v光敏二极管应工作在反向偏置光敏二极管应工作在反向偏置工作状态工作状态v无光照时，反向饱和电流极小无光照时，反向饱和电流极小v有光照时，反向饱和电流大大有光照时，反向饱和电流大大增加（增加（1000倍）倍）v光照度与反向饱和电流具有良光照度与反向饱和电流具有良好的线性好的线性2.7.32.7.3光敏元件及特性光敏元件及特性2.7.3.3光敏晶体管光敏晶体管（2）光电三极管）光电三极管 它有两个它有两个PN结，入射光在发射极与基极之间的结，入射光在发射极与基极之间的PN结附近产生光电流结附近产生光电流。基极电流为光电流，集电极电流为光电流的基极电流为光电流，集电极电流为光电流的倍，

9、倍，伏安特性与普通三级管相同。伏安特性与普通三级管相同。3.7光电式检测元件3.7.3.4 光电管光电管（1）真空光电管）真空光电管 3.7光电式检测元件（2）光电倍增管）光电倍增管 在光电管的阴极K和阳极A之间安装若干个倍增极D1 D2 DN ,就构成了光电倍增管。与普通光电管相比，光电倍增管的灵敏度获得了很大的提高。光电倍增管原理图小结光电子学比电学复杂：光电子学比电学复杂：1、光电子学变量多：、光电子学变量多：光谱（不是单一频率）、光强、光电阻、光电流、光谱（不是单一频率）、光强、光电阻、光电流、光电势等光电势等2、特性复杂，与材料、温度有关、特性复杂，与材料、温度有关3、没有通用的像欧

10、姆定律一样的通用定律保证其、没有通用的像欧姆定律一样的通用定律保证其外外 特性的描述。特性的描述。4、学习比电学更困难。、学习比电学更困难。光电子学在检测技术领域应用越来越广泛，本节光电子学在检测技术领域应用越来越广泛，本节只是入门，一般性掌握，不作更高的要求，需要只是入门，一般性掌握，不作更高的要求，需要时可参阅有关资料。时可参阅有关资料。2.8 磁电式检测元件磁电式检测元件 磁电式检测元件是通过电磁原理将被测物理磁电式检测元件是通过电磁原理将被测物理量转换成电信号的一种检测元件量转换成电信号的一种检测元件2.8.1 磁电感应式检测元件磁电感应式检测元件 利用电磁感应定律，将被测量转变成感应

11、电利用电磁感应定律，将被测量转变成感应电动势而进行测量。动势而进行测量。线圈中感应电动势线圈中感应电动势e 的大小，取决于匝数的大小，取决于匝数N和穿过线圈的磁通变化率和穿过线圈的磁通变化率。磁通变化率是由磁通变化率是由磁场强度磁场强度、磁路、磁路磁阻磁阻及及线圈线圈的运动速度决定的的运动速度决定的 dtdNe2.8.1 磁电感应式检测元件磁电感应式检测元件2.8.1.1恒磁阻式检测元件恒磁阻式检测元件 由线圈由线圈1、运动部件、运动部件2和永久磁铁和永久磁铁3所成所成 (a)a)线速度型线速度型 (b)(b)角速度型角速度型1-1-线圈；线圈；2-2-运动部件；运动部件；3-3-永久磁铁永久

12、磁铁NBlve NBAe 感应电势与线圈对磁场的相对运动的线速度或感应电势与线圈对磁场的相对运动的线速度或线圈相对磁场的角速度成正比。线圈相对磁场的角速度成正比。2.8.1 磁电感应式检测元件磁电感应式检测元件2.8.1.2 变磁阻式检测元件变磁阻式检测元件 变磁阻式检测元件的线圈与磁铁之间变磁阻式检测元件的线圈与磁铁之间没有相对运动，由运动着的被测物体没有相对运动，由运动着的被测物体(一般一般是导磁材料是导磁材料)来改变磁路的磁阻，引起磁通来改变磁路的磁阻，引起磁通量变化量变化,从而在线圈中产生感应电动势。变从而在线圈中产生感应电动势。变磁阻式检测元件一般做成转速式，产生的磁阻式检测元件一般

13、做成转速式，产生的感应电势的频率作为输出。感应电势的频率作为输出。2.8.1.2 变磁阻式检测元件变磁阻式检测元件（1）开磁路式）开磁路式 开磁路转速检测元件主要由永久磁铁开磁路转速检测元件主要由永久磁铁1、衔、衔铁铁2、感应线圈、感应线圈3和被测物体和被测物体4组成组成。开磁路式转速检测元件原理图开磁路式转速检测元件原理图 1-1-永久磁铁；永久磁铁；2-2-衔铁；衔铁；3-3-感应线圈；感应线圈；4-4-齿轮齿轮 2.8.1.2 变磁阻式检测元件变磁阻式检测元件（2）闭磁路式）闭磁路式 它是由安装在转轴它是由安装在转轴1上的内齿轮上的内齿轮2和永久磁和永久磁铁铁5、外齿轮、外齿轮3a、3b

14、及线圈及线圈4构成构成 闭磁路式转速检测元件原理图闭磁路式转速检测元件原理图 1-1-转轴；转轴；2-2-内齿轮；内齿轮；3a3a、3b-3b-外齿轮；外齿轮；4-4-线圈；线圈；5-5-永久磁铁永久磁铁 2.8.1 磁电感应式检测元件磁电感应式检测元件2.8.1.3 等效电路等效电路 磁电感应式检测元件相当于一个交流电源磁电感应式检测元件相当于一个交流电源。eLiRRei0LiLRReRu0 R Ri i为磁电感应式检测元件的内阻为磁电感应式检测元件的内阻 R RL L为负载电阻为负载电阻 2.8.2 霍尔检测元件霍尔检测元件 霍尔检测元件是以霍尔效应作为理论基础以霍尔检测元件是以霍尔效应作

15、为理论基础以霍尔元件为核心部件的磁敏式检测元件霍尔元件为核心部件的磁敏式检测元件2.8.2.1霍尔效应霍尔效应 在在z轴加恒定磁场轴加恒定磁场B；y轴通以恒定电流轴通以恒定电流I，则在，则在x轴方向出现电位差轴方向出现电位差UH2.8.2 霍尔检测元件霍尔检测元件 此电势为此电势为 IBKdIBRUHHHneRH1 （d 为霍尔元件厚度，n材料的电子密度）nedKH1为霍尔元件灵敏度，有元件材料和几何尺寸决为霍尔元件灵敏度，有元件材料和几何尺寸决 定，元件厚度越小，灵敏度越高，一般定，元件厚度越小，灵敏度越高，一般d=0.1-0.2mmd=0.1-0.2mm称为霍尔系数称为霍尔系数,由半导体材

16、料决定由半导体材料决定2.8.2 霍尔检测元件霍尔检测元件2.8.2.2 霍尔元件及其特性霍尔元件及其特性目前最常用的霍尔元件是由锗、硅、锑化铟和砷化铟等半导体材料制成的 霍尔元件的几何形状为长方形，长宽比为2：1霍尔元件的壳体是非导磁金属陶瓷或环氧树脂封装 2.8.2 霍尔检测元件霍尔检测元件霍尔电压与磁感应强度霍尔电压与磁感应强度B B的关系的关系霍尔电压与控制电流的关系霍尔电压与控制电流的关系 在电流恒定的情况下，霍尔电压与磁感应强度在电流恒定的情况下，霍尔电压与磁感应强度B B在一定范围内成线性关系，因此霍尔元件可以在一定范围内成线性关系，因此霍尔元件可以像差动变压器那样用于检测液位，

17、与弹簧管配合像差动变压器那样用于检测液位，与弹簧管配合用于检测压力等。用于检测压力等。本章综合练习讨论题1、检测压力都可用什么检测元件？、检测压力都可用什么检测元件？2、检测温度都可用什么检测元件？、检测温度都可用什么检测元件？3、检测位移都可用什么检测元件？、检测位移都可用什么检测元件？3、检测电流都可用什么检测元件？、检测电流都可用什么检测元件？4、检测液位都可用什么检测元件？、检测液位都可用什么检测元件？5、检测物体是否存在都可用什么检测元件？、检测物体是否存在都可用什么检测元件？6、有一种检测技术，既可以检测不同介电常数的、有一种检测技术，既可以检测不同介电常数的介质，又可以检测物体存在，还可以检测位移，介质，又可以检测物体存在，还可以检测位移，请问这是基于什么原理的检测技术？请问这是基于什么原理的检测技术？本章综合练习讨论题课后习题：课后习题：2、3、5、6、7、9、12、18