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1、光学传感器光学传感器 医学仪器教研室医学仪器教研室 刘刘 艳艳 2014.52014.5 生生 物物 医医 学学 传传 感感 器器 liuyan1020 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 第第9 9章章 光学传感器光学传感器 光电传感器光电传感器: 基于光电效应；基于光电效应； 光纤传感器：基于光纤技术与光学原理。光纤传感器：基于光纤技术与光学原理。 光学传感器光学传感器是将是将光信号光信号转换成转换成电信号电信号的器件。的器件。 优点：优点：非接触、响应快、性能可靠、非接触、响应快、性能可靠、 灵敏度高灵敏度高、结构简单等。结构简单等。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学
2、院生物医学工程学院 Laser 光电探测器光电探测器 Laser 光电传感器光电传感器:是以光为媒介，以是以光为媒介，以光电效应光电效应为物理为物理 基础的一种能量转化器件。基础的一种能量转化器件。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 光电效应光电效应 物体吸收了能量为物体吸收了能量为E E 的光子的能量的光子的能量 而产生的电效应。而产生的电效应。 第一节第一节 光电传感器光电传感器 一、外光电效应一、外光电效应 如：光电管、光电倍增管等。如：光电管、光电倍增管等。 二、内光电效应二、内光电效应 如：光敏电阻、光电池、光敏晶体管等。如：光敏电阻、光电池、光敏晶体管等。 光电
3、式传感器的物理基础是光电效应。光电式传感器的物理基础是光电效应。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 一、外光电效应一、外光电效应 （ external photo electric effect） 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 为啥呢？为啥呢？ 外光电效应：外光电效应： 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面 向外发射的现象称为向外发射的现象称为外光电效应外光电效应。向外发射的电。向外发射的电 子叫做子叫做光电子光电子。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 光电效应的产生机制：光电效应的产生机制
4、： 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 外光电效应的解释：外光电效应的解释： 光子入射光子入射 电子吸收电子吸收 电子动能增加电子动能增加 电子挣脱核的引力电子挣脱核的引力 从金属表面溢出。从金属表面溢出。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 2 00 1 h =m+ A 2 光电效应电子能量转化公式：光电效应电子能量转化公式： 光子能量光子能量 A.A.爱因斯坦爱因斯坦 光电子初动能光电子初动能 逸出功逸出功 (Einstein photoelectric equation) 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 1. 1. 入射光子的能量
5、必须入射光子的能量必须大于大于逸出功逸出功A A0 0 ，才会有，才会有 光电子产生。光电子产生。 2. 2. 光电子逸出具有光电子逸出具有初始动能初始动能，故光电效应器件，故光电效应器件 即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。 3. 3. 当入射光的频谱成分不变时，产生的当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流光电流与与 光强度光强度成成正比正比。 2 00 1 h =m+ A 2 外光电效应的器件有外光电效应的器件有光电管、光电倍增管等。光电管、光电倍增管等。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 ( (一一) )光电管光电管（photo
6、tube） 阴极阴极 阳极阳极 真空玻璃管真空玻璃管 1.1. 结构结构 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 2.2. 工作原理工作原理 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 3. 3. 基本特性基本特性 0.02lm0.02lm 0.05lm0.05lm 0.1lm0.1lm 0 0 40 408080120120阳极电压阳极电压/V/V 阳极阳极 电流电流 / /A A 1 1 2 2 3 3 4 4 (1)(1) 伏安特性伏安特性 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 光照特性曲线的光照特性曲线的斜率，斜率，称为光电管的称为光电管的灵敏度
7、。灵敏度。 光通量光通量/lm/lm 0 0 4 4 8 8 1212 1616 0.20.20.40.40.60.60.80.8 I/I/A A 锑铯锑铯 银氧铯银氧铯 (2)(2)光照特性光照特性 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 锑铯阴极锑铯阴极 锑钾钠铯阴极锑钾钠铯阴极 银氧铯阴极银氧铯阴极 可见光可见光 1010 光波长光波长(10(10-7 -7m) m) 2 24 46 6 8 8 红外线红外线橙红橙红绿黄绿黄紫蓝紫蓝紫外线紫外线 0 0 2 2 4 4 6 6 8 8 1010 相相对对灵灵敏敏度度 (3)(3)光谱特性光谱特性 不同波长区域的光，应选不同材
8、料的光电阴极。不同波长区域的光，应选不同材料的光电阴极。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 1. 1. 结构结构 （二）光电倍增管（二）光电倍增管（photomultiplier，PMT） K D1 D2 D3 Dn A R1 RL UOUT Rn 10002500V : 36n: 414 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 2. 2. 工作原理工作原理 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 入射光线射入时（假设二次发射电子系数都为入射光线射入时（假设二次发射电子系数都为 ），阴极），阴极1 1个电子、第一倍增极个电子、第一倍增极个电子、第
9、二个电子、第二 倍增极倍增极2 2个电子个电子第第n n倍增极倍增极n n个电子个电子, ,所有电子所有电子 最后被最后被阳极收集阳极收集形成形成较强的输出电流较强的输出电流。 假设某一光电倍增管的假设某一光电倍增管的=4 =4 、n=12n=12 则则放大倍数放大倍数 n n =4 =412 12, , 约为约为16001600万倍万倍。 故故光电倍增管对很微弱的光照也能产生较大电流。光电倍增管对很微弱的光照也能产生较大电流。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 微光夜视仪微光夜视仪 将微弱的光放大几十万倍，以适合肉眼观察。将微弱的光放大几十万倍，以适合肉眼观察。 新乡医学
10、院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 3. 3. 主要参数主要参数 (1) (1) 倍增系数倍增系数M M 倍增系数等于各倍增电极的二次电子发射系数倍增系数等于各倍增电极的二次电子发射系数 i i的乘积。设的乘积。设n n个倍增电极的个倍增电极的i i都一样，则都一样，则M M = =i in n 注注: : M M与所加电压有关与所加电压有关, ,一般一般M M在在10105 510108 8之间。之间。 要求所加电压要稳定。要求所加电压要稳定。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 (2) (2) 光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度
11、 一个光子在阴极上打出的平均电子数叫一个光子在阴极上打出的平均电子数叫光电阴光电阴 极的灵敏度极的灵敏度。一个光子在阳极上产生的平均电子数。一个光子在阳极上产生的平均电子数 叫叫光电倍增管总灵敏度光电倍增管总灵敏度。 由图得出由图得出: : 极间电压越高极间电压越高, ,灵敏灵敏 度越高。度越高。 252550507575100100125125 10106 6 10105 5 10104 4 10103 3 极间电压极间电压/V/V 灵敏度灵敏度 光电倍增管的特性曲线光电倍增管的特性曲线 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 (3) (3) 暗电流和本底电流暗电流和本底电流
12、当光电倍增管加有一定的工作电压当光电倍增管加有一定的工作电压, ,但完全没有但完全没有 光照时光照时, ,它仍有阳极电流输出它仍有阳极电流输出, ,此电流称为此电流称为暗电流暗电流。 注注: :暗电流暗电流与工作电压和温度有关与工作电压和温度有关, ,其形成原因有其形成原因有欧欧 姆漏电、热发射姆漏电、热发射等。等。 如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽 光情况下，出现的电流称为光情况下，出现的电流称为本底电流。本底电流。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 光电倍增管的优点：光电倍增管的优点：灵敏度高、高放大倍数、性能稳定灵敏度高
13、、高放大倍数、性能稳定 缺点：缺点：成本高、要求所加数种高压直流电源成本高、要求所加数种高压直流电源 光电管的优点：光电管的优点：成本低、要求所加直流电压低且单一成本低、要求所加直流电压低且单一 缺点：缺点：灵敏度低灵敏度低 结论：结论：光电管多用于光信号较强的生化测量仪器中。光电管多用于光信号较强的生化测量仪器中。 光电倍增管广泛用于弱光线的测量，尤其是各种射线光电倍增管广泛用于弱光线的测量，尤其是各种射线 探测中。探测中。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 1. 1. 在生物医学领域的应用在生物医学领域的应用 （三）光电管和光电倍增管的应用（三）光电管和光电倍增管的应用
14、 (1)(1)分光光度计：测量溶液浓度的仪器。分光光度计：测量溶液浓度的仪器。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 电电 流流 表表 光源灯光源灯 单色光器单色光器 比色皿比色皿 光电管暗盒部分光电管暗盒部分 放大器放大器 稳压装置稳压装置 分光计原理框图分光计原理框图: 原理：用被测物质吸收光的量来测量物质成分。原理：用被测物质吸收光的量来测量物质成分。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 准直器准直器 晶体晶体 光电倍增管光电倍增管 电子线路电子线路 计算机系统计算机系统 (2)(2)光电倍增管在光电
15、倍增管在射线探测器中的应用射线探测器中的应用 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 射线探测器的原理图射线探测器的原理图 光电阴极光电阴极 倍增极倍增极光电倍增管光电倍增管 光电子光电子 射线射线 碘化钠晶体碘化钠晶体 射线探测器射线探测器 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 2. 2. 在工业领域中的应用在工业领域中的应用 烟尘浊度监测仪烟尘浊度监测仪 为消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，为消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量， 须对烟尘源进行须对烟尘源进行监测监测、自动显示自动显示和和超标报警超标报警。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学
16、工程学院 白炽平行光源白炽平行光源 烟筒烟筒 光检测光检测放大放大 显示显示 报警器报警器 吸收式烟尘浊度监测仪框图吸收式烟尘浊度监测仪框图 刻度校正刻度校正 烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道里传输过程烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道里传输过程 中的变化大小来检测的。中的变化大小来检测的。 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 二、内光电效应二、内光电效应 （internal photo electric effect） c 当光照射在物体上，使物体的当光照射在物体上，使物体的电阻率电阻率 发生变化发生变化 ，或产生，或产生光生电动势光生电动势的效应叫做的效应叫做 内光电效应内光电效应。 内光电效应内光电效应 光电导效应光电导效应 光生伏特效应光生伏特效应 新乡医学院生物医学工程学院新乡医学院生物医学工程学院 c 光电导效应光电导效应
