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4.9光电式传感器NUST自动化学院光电传感器是一种将光能量转化成电信号的传感器，基本结构如下图，物理基础是光电效应。NUST自动化学院一、光电效应及其器件光电效应：光照射在某些物质上，物质的电子吸收光子的能量而释放电子的现象，称为光电效应。被释放的电子叫光电子；能产生光电效应的物质称为光电材料；根据光电效应制造的转换元器件称为光电元件或光敏元件。光电效应的分类：外光电效应、光导效应、光生伏特效应三种。NUST自动化学院(一)外光电效应及器件光照射在光电材料上，材料表面的电子吸收光能量，当电子吸收的能量足够大时，电子克服正离子的束缚而向外发射进入外界空间，同时也改变了光电材料的导电性能，这种现象称为外光电效应。对于外光电效应，有光电效应方程成立：式中：为普朗克常数为光电子的频率为电子的质量为电子的运动速度为电子的逸出功Amvh221hmvANUST自动化学院结论1)电子吸收能量大于逸出功A才能产生外光电效应。临界条件下，光子能量等于逸出功，此时光子的频率为产生外光电效应的固有频率。不同光电材料具有不同的固有频率。当光子的频率大于光电材料的固有频率时，才可能产生外光电效应。2)光电材料电子逸出功A为常数，光电子初始动能取决于光子频率，与光强无关。对外光电效应器件，没有阳极电压也产生光电流。为使光电流为零，须加反向截止电压，且该截止电压应与入射光的频率成正比。00NUST自动化学院3)入射光频谱成分不变时，光电流与光强度成正比。4)电子一次性吸收光子的全部能量，光电子发射极为迅速，无需能量存储时间。根据外光电效应的特性制成的光电元件有光电管、光电倍增管等。NUST自动化学院1、光电管真空光电管：真空玻璃管内密封有光电阳极A和光电阴极K，K上涂有逸出功较小的光电发射材料。光照射在K上时，电子从阴极表面逸出，在外加电场的作用下，在外电路产生光电流I，在负载电阻RL上产生的压降为输出电压U0。NUST自动化学院充气光电管真空管内充入少量惰性气体，构成充气光电管。光电子在飞向阳极过程中，和惰性气体原子碰撞使气体电离，增加光电流，光电管灵敏度增加；不过这导致充气光电管的光电流和入射光的强度不成比例，同时充气光电管的稳定性较真空光电管要差，惰性大，受温度影响大，容易衰老等。NUST自动化学院真空光电管稳定性好，惰性小，温度系数小；随着光电技术发展，灵敏度也不断提高，由于放大技术的提高，对灵敏度要求也不再特别严格；在一般的自动检测过程中，都要求检测元件受温度影响要小，灵敏度稳定，大部分自动检测中，都采用真空光电管。NUST自动化学院2、光电倍增管光电倍增管具有电流放大作用。工作原理图如图：NUST自动化学院光电倍增管由光电阴极、光电阳极及倍增极组成，倍增极成为“次阴极”；阴极发出光电子在电场加速下，打到第一倍增极，引起第二次电子发射；上一倍增极的光电子打到下一个倍增极上时，激发出的光电子为原来光电子数目的3-6倍；NUST自动化学院倍增极数目一般为12-14级，多的30级，最后光电阳极所能接收到的光电子为阴极发射电子的105-106倍；光电倍增管放大倍数可以达到几万倍至几十万倍，即使很微弱的光照也可以产生很大的光电流。NUST自动化学院主要参数1)倍整系数式中：为各次阴极电子收集率为总的电子收集率为各次阴极的电子倍增系数nnCCM)(''CCNUST自动化学院2)阴极灵敏度和总灵敏度每一个光子在阴极上能激发的平均光电子数，称为阴极灵敏度；每一个光子激发阴极后，在阳极上能收到光电子的平均数，称为光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的灵敏度很高，最高灵敏度可达到10A/lm(lm-流明，光通量单位)，不能受强光，否则易损坏。NUST自动化学院3)暗电流使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其他因素的影响，即使没有光信号输入，在加上电压后，阳极仍有电流，这种电流被称为暗电流。暗电流随环境温度的升高而增大。不过这种暗电流通常可以采用补偿电路加以消除。NUST自动化学院(二)光导效应及器件高电阻率的半导体，受光照时，吸收光子能量，其电阻率降低的现象，被称为光导效...