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1、1.了解光电测量的基本知识及光电器件的特性 2.了解常用的光电器件及其应用 3.掌握光纤传感器的检测原理及其简单应用,学 习 要 求,光电式传感器：将被测量的变化转换成光量的变化，再通过光电元件把光量变化转换成电信号的一种装置。 光电传感器的物理基础是光电效应。,10.1 光电测量基础知识,光电效应分两大类型：外光电效应和内光电效应,物体在光的照射下产生电子发射的现象称为光电发射效应或外光电效应。,E=hf,h普朗克常数，h=6.6310-34JS； f是光的频率。,光子的能量E与它的频率成正比(爱因斯坦光量子理论),爱因斯坦光电方程说明光电发生服从以下定律： 1）物体表面发射的电子数(光电流
2、)与光强成正比； 2）光电子的动能随光的频率成正比的增加，而与光强无关； 3）要使光电子逸出物体表面，必须 hfA0。对于每种物体都存在一个极限频率（红限频率f0） ，当入射光的频率低于这个频率时，无论光强多强，都不会有光电子发射出来。,mv2/2=hf-A0,在真空的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极和阳极。m,(1)结构和工作原理 (真空光电管),10.2 光电器件的特性 光电管的分类:真空光电管、充气光电管,光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上，阴极对光敏感的一面是向内的，在阴极前装有单根金属丝或环状的阳极。当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳
3、极所吸引，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。,充气光电管 构造和真空光电管基本相同，所不同的仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体，如氩或氖。当光电极被光照射而发射电子时，光电子在趋向阳极的途中撞击惰性气体的原子，使其电离，使阳极电流急剧增加，提高了光电管的灵敏度。 充气光电管的优点:灵敏度高; 缺点:灵敏度随电压显著变化、稳定性、频率特性等比真空光电管差。,(2) 主要性能 光电管的伏安特性 当光通量一定时，光电管的电流与阳极电压的关系。,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。 氧化铯阴极光电管的光照特性呈线性关系。
4、 锑化铯阴极光电管的光照特性呈非线性关系。 光电管的灵敏度:光照特性曲线的斜率。,1:氧化铯阴极光电管,2:锑化铯阴极光电管,光电管的光谱特性 材料不同的光电阴极光电管有不同的红限频率f0 ，可用于不同的光谱范围。 光电管的光谱特性:光电管对不同频率光的敏感度。 对不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。,2 光电倍增管及基本特性 在入射光极为微弱时，光电管产生的光电流很小，在这种情况下即使光电流能被放大，但信号和噪声同时被放大了，为克服这个缺点，要采用光电倍增管。 (1) 光电倍增管的结构和工作原理,它由光电阴极、若干个倍增极和阳极三部分组成。光电阴极是由半导体光电材料锑铯制造的，入射光
5、就在它上面打出光电子。倍增极数目在414个不等。,在各倍增极上加上一定的电压，阳极收集电子，外电路形成电流输出。工作时，各个倍增极上均加上电压，阴极K电位最低。从阴极开始，各个倍增极E1、E2、E3、E4（或更多）电位依次升高，阳极A电位最高。入射光在光电阴极上激发电子，由于各极间有电场存在，所以阴极激发电子被加速轰击第一倍增极，在受到一定数量的电子轰击后，能放出更多的电子，称为“二次电子”。,光电倍增管之倍增极的形状设计成每个极都能接受前一极的二次电子，而在各个倍增极上顺序加上越来越高的正电压。这样如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子，这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一
6、倍增极，设这时第一倍增极有个二次电子发出，这个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又增加倍，经过n个倍增极后，原先电子将变为n个电子，这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。,2) 主要参数 倍增系数M M等于各倍增电极的二次电子发射系数i的乘积。 M=in (n个倍增电极的i都一样) 阳极电流I=iin ( i光电阴极的光电流) 光电倍增管的电流放大倍数=I/i=in,光电阴极灵敏度和倍增管总灵敏度 光电阴极的灵敏度 一个光子在阴极上打出的平均电子数。 光电倍增管的总灵敏度 一个光子在阳极上产生的平均电子数。 极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳
7、极电流不稳。由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。,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；但由于环境温度、热辐射和其它因素的影响。即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。这种暗电流可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。在闪烁体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。,10.3 常用光电传感器及其应用 1 光敏电阻 (1) 结构和原理 光敏电阻又称光导管。光敏电阻是用半导体材料制
8、成的。在玻璃底板上均匀地涂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电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜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。,光敏电阻利用光电导效应制成，一般选用禁带宽度较宽的半导体材料。 光电导原理：当入射光照到半导体上时，光子的能量如果大于禁带宽度，即hfEg,则电子受光子的激发由价带越过禁带跃迁到导带，在价带中留下带正电的空穴，在外加电压作用下，导带中的电子和价带中的空穴同时参与导电，即载流子数增多使其电阻下降。,原理：光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使其
9、导电性能增强，电阻RG值下降，流过负载电阻RL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。,(2) 光敏电阻的特性 暗电阻、暗电流 暗电阻：若将光敏电阻置于无光照条件下，测得的光敏电阻的阻值。这时，在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流称为暗电流。 亮电阻、光电流 亮电阻：光敏电阻在光照条件下，测得的光敏电阻的阻值(亮电阻一般在几千欧姆) 。这时在工作电压下测得的电流称为亮电流。 光电流：亮电流和暗电流之差称为光电流I。,光敏电阻的光谱特性 使用不同材料制成的光敏电阻，有着不同的光谱特性。,1:硫化镉、 2:硫化铊、 3:硫化铅。,光敏电阻的光电特
10、性 在一定电压作用下，光敏电阻的光电流I与照射光通量的关系称为光电特性。 光敏电阻的光电特性具有非线性。,时间常数 当光敏电阻受到光照时，光电流要经过一定时间才能到达稳定值。同样，光照停止后，光电流也要经过一定时间才能恢复到暗电流。 光敏电阻的光电流随光强度变化的惯性，通常用时间常数表示。时间常数反映了光敏电阻对光照响应的快慢程度。不同材料的光敏电阻有着不同的时间常数。,2 光电池 光电池基于阻挡层的光电效应工作的。 在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光电元件。实质上它就是电压源。 光电池的种类很多，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
11、等。 其中硅光电池和硒光电池用途广泛。,本课程介绍硅和硒两种光电池.,(1) 结构原理 硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法掺入一些P型杂质（例如硼）形成PN结。,入射光照射在PN结上时，若光子能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在PN结内产生电子-空穴对，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硒，再用溅射的工艺，在硒层上形成一层半透明的氧化硒。在正反两面喷上低溶合金作为电极。在光线照射下，镉材料带负电，硒材料上带正电，形成光电流或光电势。,(2) 主要特性 光电池的光谱特性 不同光电池的光谱峰值位置不
12、同。如硅光电池在8000 附近，硒光电池在5400 附近。,硅光电池的光谱范围广，即为450011000 之间，硒光电池的光谱范围为34007500 。因此硒光电池适用于可见光，常用于照度计测定光的强度。,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。,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2000lx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。,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
13、的负载电阻为近似“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越好，且线性范围越宽。 对于不同的负载电阻，可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，所用负载电阻的大小，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：反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。 硅光电池可以有很高的频率响应,光电池的温度特性 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征
14、之一。,开路电压随温度升高而下降的速度较快; 短路电流随温度升高而缓慢增加。 当用光电池作测量元件时，在系统设计中应考虑到温度的漂移，采取相应的措施来进行补偿。 3 光敏二、三极管 1)光敏二极管 (1) 结构和工作原理 光敏二极管又称光电二极管，与普通二极管在结构上是类似的。,在光敏二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜，入射光通过玻璃透镜正好射在管芯上。发光二极管的管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积,做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得
15、浅，这些结构都是为了提高光电转换的能力。与普通硅半导体二极管一样，在硅片上生长了一层二氧化硅保护层，它把PN结的边缘保护起来，提高了管子的稳定性，减小了暗电流。,光敏二极管在电路中处于反向偏置，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流(暗电流)很小。当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子及光生空穴，因此使PN结的反向电流增大。,(2) 主要技术参数 最高反向工作电压 最高反向工作电压：光敏二极管在无光照条件下，反向漏电流不大于0.1A时所能承受的最高反向电压值。, 暗电流 暗电流：光敏二极管在无光照、最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检
16、测弱光的能力越强。,光电流 光电流是指光敏二极管受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流。光电流值越大越好。 灵敏度 是反映光敏二极管对光敏感程度的一个参数，用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示。灵敏度越高，说明光敏二极管对光的反应就越灵敏。,响应时间 表示光敏二极管将光信号转换成电信号所需要的时间。响应时间越短，说明光敏二极管将光信号转换成电信号的速度越快，也就是光敏二极管的工作频率越高。 结电容 指光敏二极管中PN结的结电容。结电容越小，发光二极管的工作频率就越高。 正向压降 指给光敏二极管以一定的正向电流时，光敏二极管两端的电压降。它反映了光敏二极管正向特性的好坏。 光谱范围和峰值波长 不同材料制成的光敏二极管有着不同的光谱特性，反映了光敏二极管对不同波长的光反应的灵敏度是不同的。 峰值波长:光敏二极管反应最灵敏的波长。,2) 光敏三极管 (1) 结构和工作原理 光敏三极管:PNP型和NPN型。,光敏三极管像普通三极管一样
