光电式、光导式光导纤维、以及光栅包栝光栅光纤传感器的原理、结构、特性和应用。这三大类光电开关的原理是不相同的，但是它们都是利用光而研制的。前者是基于光电效应，后两者是基于光在光纤和光栅中传播时与外界因素调制而引起光的特性和光纤形态变化来实现其他物理量的测量的。

　　光电开关传感器是一种将光量变化转换为电量谱化的光电开关传感器。它的物理基础就是光电效应，。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。

　　在光线的作用下，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。众所周知，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量可由一个科学的公式进行完成e=hv。

　　所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大。反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功a时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理，如果一个电子要想逸出，光子能量h必须超过逸出功a，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。

　　光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功a不同的物质具有不同的逸出功，这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子的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，也会有光电子射子。

　　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，因此外光电效应器件，光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。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。

　　在内光电效应方面当光照射在物体上，使物体的电阻率1/r发生变化，或产生光生电动势的效应叫做内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：

　　1、光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。

　　当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，从而使导带的电子和介带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料费的禁带宽度。

　　2、光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管和光敏三极管。

　　势垒效应：接触的半导体和pn结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以pn结为例，光线照射pn结时，设光子能量大于禁带宽度e，使价带中的电子跃进迁到导带，而产生电子空穴对，在内电场的作用下，被光激发的电子移向n区外侧，被光澔发的空穴移向p区外侧，从而使p区带正电，n区带负电，形成光电动势。

　　侧向光电效应：当半导体光电器件受光均匀时，则将产生载流子浓度梯度井而产生光电势，称这种现象为侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子深度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照的部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射的部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电势。下面将向大家介绍利用外光电效应和内光电效应制成的光电器件。

　　利用物质在光的照射下发射电子的所谓外光电效应而制成的光电开关的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。

　　光电管及其基本特性：

　　A：光电开关的结构与工作原理：光电管有真空光电管和充气光电管两类。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。当有光照在阴极上时，中央阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形的，置于玻璃管的中央。当有光照在阴极上时，中央阳极可以收集从阴极上逸出的电子，在外电场作用下形成电流。其中，充气光电管内充有少量的惰性气体如氩或氖，当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的途中，和气体的原子发生碰撞而使气体电离，因此增大了光电流，从而使光电管的灵敏度增加。但导致充气光电管的光电流与入射光强度不成比例关系，因而使其具有定性较差、惰性大、温度影响大、容易衰老等一系列缺点。是光电管的等效电路。目前由于放大技术的提高，对于光电管的灵敏度不再要求那样严格，况且真空式光电管的灵敏度也正在不断提高。在自动检测仪表中，由于要求温度影响小和灵敏度稳定，所以一般都采用真空式光电管。

　　下面研究光电管的基本特性：光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、响应时间、峰值班探测率和温度特性来描述。在此仅对最主要的特性作简单介绍。

　　B：主要性能：光电管的伏安特性在一定的光照射下，光电器件的阳极所加电压与阳阴极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。真空中光电管和充气光电管的伏安特性分别是应用光电传感器参数的主要依据。当入射光比较弱时，由于光电子较少，只要较低的阳极电压就能收集到所有的光电子，而且输出电流很快就可以达到饱和。当入射光比较强时，要使输出电流达到饱和，则需要较高的阳极电压。光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区内。

　　由于这部分动态阻抗非常大，以至可以看作恒流源，能通过大的负载阻抗取出输出电压。当充气光电管受光照射时，光电子在趱阳极的途中撞击惰性气体的原子，使其电离，从而使阳极电流急速增加。因此，充气光电管不具有真空光电管的那种饱和特性。当达到充分离子化电压附近时，阳极电流急速上升。急速上升部分的特性就是气体放大特性，放大系数为五到十。由此可见充气光电管的优点是灵敏度高，但稳定性较真空光电管的差。

　　光电管的光照特性：当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线一表示银氧铯阴极光电管的光照特性，光电流与光通量成线性关系。曲线二为锑铯阴极的光电管光照特性，它呈非线性关系。光照特性曲线斜率称为光电管的灵敏度。

　　光电管的光谱特性：一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率，因此它们可用于不同的光说范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选择用不同材料的光电阴极。国产gd-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。

　　光电倍增管及其基本特性：当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几微安，很不容易探测。这时常使用光电倍增管对电流进行放大。

　　1、光电倍增管的结构：光电倍增管由光阴极、次阴极以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成。次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的。次阴极多的可达三十级。通常为十二到十四级。阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。

　　2、工作原理：光电倍增管除光电阴极外，还有若干个倍增电极。使用时各个倍增电极上均加上电压。阴极电位最低，从阴极开始，各个倍增电极的电位依次升高，阳极电位最高。同时这些倍增电极用次极发射材料制成，这种材料费在具有一定能量的电子轰击下，能够产生更多的次级电子。由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场，对电子加速。从阴极发出的光电子，在电场的加速下，打到第一个倍增电极上，引起二次电子发射。每个电子能从这个倍增电极上打出三到六倍的次级电子。被打出来的次级电子在经过电场的加速后，打在第二个倍增电极上，电子数又增加三到六倍，如此不断倍增，阳极最后收集到的电子数将达到阴极发射电子数的指定倍数。即光电倍增管的放大倍数可达到几万倍到几亿倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍以上。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流，但是它要求几千伏的工作电压，因而，其结构复杂、笨重并易老化。

　　暗电流和本底脉冲：一般在使用光电倍增管时，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，加上电压后阳可以用仍有电流，这种电流称为暗电流。这种暗电流通常可以用补偿电路加以消除。光电倍增管的阴极前面放一块闪烁体，就构成闪烁计数器。闪烁体在受到人眼看不见的宇宙射线的照射后，光电倍增管就会有电流信号输出，这种电流称为闪烁计数器的暗电流，一般把它称为本底脉冲。

　　光电倍增管的光谱特性：光电倍增管的光谱特性与相同材料费的光电管的光谱特性很相似。

　　在光的照射下电导性能改变或产生电动势的器件叫做内光电效应器件，常见的光电效应器件有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。

　　光电开关光敏电阻的结构和原理：光敏电阻又称为光导管，几乎都是用半导体材料制成。光敏电阻的结构较简单。在玻璃底板上均匀地涂料上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围绕介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜片成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小。

　　光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使其导电性能增强，电阻值下降，所以流过负载电阻值的电流及其两端电压也随之变化。光线越强，电流越大。当光照停止时，光电效应消失，电阻恢复原值，因而可将光信号转换为电信号。并非一切纯半导体都能显示出光电特性，对于不具备这一条件的物质可以加入杂质使之产生光电效应特性。用来产生这种效应的物质由金属的硫化物、硒化物、碲化物等组成，如硫化镉、硫化铅、硫化铊、碲化铅等。光敏电阻的使用取决于它的一系列特性，如暗电流、光电流、光敏电阻的伏安特性、光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性以及光敏电阻的灵敏度、时间常数和最佳工作电压等。光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、很小的体积以及简单的制造工艺，所以被广泛地应用于自动化技术中。

　　光电开关光敏电阻的特性：光敏电阻在未受到光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。在受到光照射时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。一般暗电阻越大，亮电阻越小，光敏电阻的灵敏度越高。光敏电阻的暗电阻的阻值一般在兆欧数量级，亮电阻在几千欧以下。暗电阻与亮电阻之比一般在指定值范围之间，这个数值是相当可观的。

　　一般光敏电阻如硫化铅、硫化铊的伏安特性曲线可知，所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和现象。在给定的电压下，光电流的数值将随光照的增强而增大。

　　光敏电阻的光照特性：用于描述光电流和光照强度之间，绝大多数光敏电阻的光照特性曲线是非线性的。不同光敏电阻的光照特性是不相同的。光敏电阻不宜作线性测量元件，一般用作开关式的光电转换器。

　　光电开关光敏电阻的光谱特性：几种常见的光电开关中的光敏电阻材料的光谱特性对于不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。硫化镉的峰值在可见光区域，而硫酸化铅的峰值在红外区域。因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的的结果。

　　光电开关的光敏电阻的顺应时间和频率特性：实验证明，光敏电阻的光电流不能立刻随着光照量的改变而立即改变，即光敏电阻产生的光电流有一定的延迟性，这个延迟性通常用时间常数来描述。所谓时间常数即为光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的百分之六十三所需要的时间，因此，时间常数越小，响应越迅速。但大多数光敏电阻的时间常数都较大，这是它的缺点之一。硫化镉和硫化铅的光敏电阻的频率特性。硫酸化铅的使用频率范围最大，其他都较差。目前正在通过工艺改进来改善各种材料费光敏电阻的频率特性。

　　光电开关中的光敏电阻的温度特性：随着温度不断升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，同时温度变化也影响它的光谱特性。硫酸化铜的光谱温度特性曲线。它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动，因此有时为了提高元件的灵敏度，或为了能够接受较长波段的红外辐射，而采取一些致冷措施。

　　光电开关的光电池介绍：光电开关的光电池是在光线照射下，直接能将光量转变为电动势力的光电元件。实质上它就是电压源。这种光电器件是基于光生伏特效应。光电开关的光电池种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。其中最受重视的是硅光电池和硒光电池，因为它们有一系列优点，例如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温和辐射等。另外，由于硒光电池的光谱峰值班位于人眼的视觉范围内，所以很多分析食品、测量方法仪表也常常用它。下面着重介绍佳和硒两种光电开关的光电池。

　　光电开关光电池结构原理：硅光电池是在一块n型硅片上，用扩散热器的方法掺入一些p型杂质，形成的pn结，入射光照射在pn结上时，若光子能量大于半导体材料费的禁带宽度，则在pn结内产生电子空们对，在内电场的作用下，空穴移向p型区，电子移向n型区，使p型区带正电，n型区带负电，因而pn结产生电势。

　　硒光电池是在铝片上涂料硒，再用溅射的工艺，在本层上形成一层半透明的氧化镉。在正反两面喷上低溶合金作为电极。在光线照射下，镉材料费带负电，硒材料上带正电，形成的光电流或光电势力。

　　光电开关光电池主要特性：硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线。从曲线上可以看出，不同的光电池，光谱峰值的位置不同。命名如硅光电池在8000a附近，硒光电池在5400a附近。硅光电池的光谱范围广，即为4500-11000a之间，硒光电池的光谱范围为3400-75000a。因此硒光电池适用于于可见了光，常用于照度计测定光的强度。在实际使用中，应根据光源性温度为2850k时，能够获得最佳光亦响应。但是要注意，光电池光谱值位置不仅和制造光电池的材料有关，同时也和制造工艺有关，而且也随着使用温度的不同而有所移动。

　　光电池的光照特性：光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。硅光电池的光照特性曲线。从曲线可以看出，短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在20001x时就趋于饱和了。因此把光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。

　　所谓光电池的短路电流，是反映外接负载电阻相对于光电池内阻很小时的光电流。而光电池的内阻是随着照度增加而减小的，所以在不同照度下可用大小不同的负载电阻作为近似短路条件。从实验中知道，负载电阻越小，光电流与照度之间的线性关系密切越好，且线性范围越宽。对于不同的负载电阻，可以在不同的照度范围内，使光电流与光强保持线性关系。所以应用光电池作测量元件时，所用负载电阴的大小，应根据光强的具体情况而定。总之，负载电阻越小越好。

　　光电开关的光电池的频率特性：光电池在作为测量、计数、接收元件时，常用交变光照。光电池的频率特性就是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。从曲线可以看出，硅光电池有很高的频率响应，可应用在高速计数、有声电影等方面。这是硅光电池在所有光电元件中最为突出的优点。

　　光电开关的光电池的温度特性：光电开关传感器光电池的温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系密切到应用光电池设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等主要指标，因此它是光电池的重要特性之一。光电池的温度特性曲线看出，开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。因此当光电池作测量元件时，在系统设计中应该考虑到温度的漂移，从而采取相应的措施来进行补偿。