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1、光电测试技术,第四章 光电测试常用器件,通常把光电效应分为三类：1）在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。2）在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻等。,3）在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。第一类光电元件属于玻璃真空管元件，第二、三类属于半导体元件。,三、光电子发射探测器,在光辐照下，光敏材料中的电子得到足够的能量便会退出光敏材料表面而进入外界空间(真空或气体)，这种现象称为光电子发射效应或称外光电
2、效应。,1光电子发射 电于逸出表面必须获得的最小能量为逸出功,半导体受光照后释放的电了欲逸出表面必须克服禁带宽度和半导体的电离能(称为电子亲和势)，即,产生光电发射的最小光子能量所对应的波长称为阈值波长,光电发射的基本过程,对光子的吸收 光电子向表面运动 克服表面势垒逸出材料表面,基本条件,对光的吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激发 光电子由体内向表面运动过程中能量损失少，逸出深度大 材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子能够比较容易的逸出。 作为光电阴极，其材料还要有一定的电导率，以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。,2. 光电倍增管光电倍增管（PMT）是典型的光电子发射型探
3、测器，其主要特点是：灵敏度高，稳定性好，响应速度快以及噪声小；但结构复杂，工作电压高和体积大。它是电流放大器件，具有很高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测。,光电倍增管结构示意图,光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成，并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。依据分装方法，可分成端窗式和侧窗式两大类。端窗式光电倍增管的阴极通常为透射式阴极，通过管壳的端面接受入射光。侧窗式阴极则是通过管壳的侧面接收入射光，它的阴极通常为反射式阴极。,与测量有关的两个参数(1) 暗电流光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。光电倍增管在工作时，
4、其阳极输出电流由暗电流和信号电流两部分组成。 当信号电流比较大时，暗电流的影响可以忽略， 但是当光信号非常弱，以至于阳极信号电流很小甚至和暗电流在同一数量级时，暗电流将严重影响对光信号测量的准确性。 所以暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电流小并且稳定。,(2) 光谱响应特征光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不相同的，这一特性可用光谱响应率表示。在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率，表示为式中，P()为入射到光阴极上的单色辐射功率；I()是在该辐射功率照射下所产生的阳极电流；S()是波长的函数，它与波
5、长的关系曲线称为光电倍增管的绝对光谱响应曲线。,测量S()十分复杂，因此在一般测量中都是测量它的相对值。为此，可以把S()中的最大值当作一个单位对所有S()值进行归一化，这时就得到s()称为光电倍增管的相对光谱响应率，它与波长的关系曲线称为光电倍增管的相对光谱响应曲线。s()1，是一个无量纲的量，只表示光电倍增管的光谱响应特征。,光电倍增管的使用要点,了解器件的特性 使用时不可用强光照射 工作电流不宜过大 测量交变光的时候，负载电阻不宜很大,总结-各类光子探测器件的性能比较和应用选择,接收光信号的形式： 1 判断光信号的有无2 系统中光按照一定的调制频率交替变化3 检测光信号的幅度大小4 检测
6、光信号的色度差异,不关心线性度，只关心灵敏度,光电器件的截止频率大于光信号的调制频率,灵敏度高、线性好、响应快，动态范围合适的光电器件。,选用光谱特性合适的光电器件,光电器件的应用选择要点,光电器件必须与辐射信号源以及光学系统在光谱特性上相匹配 光电器件要与入射辐射能量在空间上对准 光电器件的光电转换特性要与入射辐射相匹配 对于微弱信号，器件要有高敏感度，以保证一定的信噪比和足够强的输出电信号 光电器件的响应特性要与光信号的信号频率，调制形式和波形相匹配，以保证输出波形没有频率失真和良好的时间响应 光电器件应和后续电路在电特性上相匹配，以保证最大的转换系数、线性范围、信噪比以及快速的动态响应
7、注意选好器件的规格和使用的环境条件，保证器件有长期工作的可靠性。,4.5 热电探测器,热电传感器是基于某些物理效应将温度的变化转换为电量变化的一种检测装置参数。常见的热电传感器有热电偶和热电阻两大类型。,热电探测器件的物理过程：器件吸收入射辐射功率，产生温升，温升引起材料某种有赖于温度的参量变化，检测该变化，可以探知辐射的存在和强弱。 由于热电探测器件利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生升温工作，不是利用某部分光子能量，所以，各种波长的辐射对于响应都有贡献。 热电器件对于波长没有选择性。,所谓的热电效应，是当受热物体中的电子(洞)，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一
8、种现象。而这个效应的大小，则是用称为thermopower(Q)的参数来测量，其定义为Q=E/-dT(E为因电荷堆积产生的电场，dT则是温度梯度)。,自然界热电效应明显的物质,明矾石Alunite六方晶系KAl3(OH)6(SO4)2为含氢氧根的钾，钠，铝硫酸盐矿物，其解理面呈珍珠光泽，其余的面呈玻璃光泽。硬度3.54，条痕白色，比重2.582.75，有灰，白，稍黄，稍红等颜色.具强烈的热电效应，不溶于水，几乎不溶于盐酸，硝酸，氢氟酸和氨水等，但能溶于强碱及硫酸或高氯酸.明矾石为不规则矿床及矿脉，大屯山火山群之明矾石成细粒结晶而与石英，蛋白石及粘土矿物共生，有些成脉状，有些交代安山岩中之基质及
9、结晶.金瓜石之明矾石，在矿床及变质围岩中呈粒状或鳞片状产出。为明矾及硫酸钾的来源，另可提炼铝及造纸，食品加工，净水剂，染料等用途.空气负离子技术。 选用具有明显的热电效应的稀有矿物石为原料，加入到墙体材料中，在与空气接触中，可发生极化，并向外放电，起到净化室内空气的作用,生物的热电效应,美国科学家发现，鲨鱼鼻子里的一种胶体能把海水温度的变化转换成电信号，传送给神经细胞，使鲨鱼能够感知细微的温度变化，从而准确地找到食物_科学家猜测，其他动物体内也可能存在类似的胶体.这种因温差而产生电流的性质与半导体材料的热电效应类似，人工合成这种胶体，有望在微电子工业领域获得应用。 美国旧金山大学的一位科学家在
10、1月30日出版的英国自然杂志上报告说，他从鲨鱼鼻子的皮肤小孔里提取了一种与普通明胶相似的胶体，发现它对温度非常敏感，0.1摄氏度的温度变化都会使它产生明显的电压变化。 鲨鱼鼻子的皮肤小孔布满了对电流非常敏感的神经细胞.海水的温度变化使胶体内产生电流，刺激神经，使鲨鱼感知到温度差异.科学家认为，借助这种胶体，鲨鱼能感知到0.001摄氏度的温度变化，这有利于它们在海水中觅食。 哺乳动物靠细胞表面的离子通道感知温度：外界温度变化导致带电的离子进出通道，产生电流，刺激神经，从而使动物感知冷暖.与哺乳动物的这种方式不同，鲨鱼利用胶体，不需要离子通道也能感知温度变化。,在无外磁场存在时，它包括三个效应，塞
11、贝克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。,有两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个结点存在温度差，这开路中将产生电动势E。这就是西伯克效应。由于西伯克效应而产生的电动势称作温差电动势。材料的西伯克效应的大小，用温差电动势率 表示。材料相对于某参考材料的温差电动势率为,(1),1. 塞贝克(seebeck)效应,由两种不同材料P、N所组成的电偶，它们的温差电动势率,等于,与,之差，即,(2),热电制冷中用P型半导体和N型半导体组成电偶。两材料对应的 和 ，一个为负，一个为正。取其绝对值相加，并将 直接简化记作 a，有,2. 帕尔帖(peltire
12、)效应,电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。这就是帕尔帖效应。由帕尔帖效应产生的热流量称作帕尔帖热，用符号 表示。对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。材料的帕尔贴效应强弱用它相对于某参考材料的帕尔贴系数 表示,(4),类似的，对于P型半导体和N型半导体组成的电偶，其帕尔贴系数 (或简单记作 )，有,(5),帕尔贴效应与西伯克效应都是温差电效应，二者有密切联系。事实上，
13、它们互为反效应，一个是说电偶中有温差存在时会产生电动势；一个是说电偶中有电流通过时会产生温差。温差电动势率 a 与帕尔贴系数 之间存在下述关系,(6),式中 T - 结点处的温度，K。,3. 汤姆逊效应,电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出热量。这就是汤姆逊效应。由汤姆逊效应产生的热流量，称汤姆逊热，用符号 表示,(7),式中 - 汤姆逊系数， ； - 温度差，K； I - 电流，A。,电子由温度高的T端向温度低的T0端扩散，使得T端失去一些电子而带正电荷， T0得到一些电子而带负电荷，两端便有一定的电位差:,在热电偶回路中，总的温差电势为,(3)热电偶的总热电势,热电效应的应用
14、,热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（即帕米尔效应）的一种制冷方法。1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，在将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现一个接头变热，另一个接头变冷。这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象。这就是热电制冷的依据。半导体材料具有较高的热电势可以成功地用来做成小型热电制冷器。图1示出N型半导体和P型半导体构成的热电偶制冷元件。用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路，铜板和铜导线只起导电的作用。此时，一个接点变热，一个接点变冷。如果电流方向反向，那么结点处的冷热作用互易。
15、,热电制冷器的产冷量一般很小，所以不宜大规模和大制冷量使用。但由于它的灵活性强，简单方便冷热切换容易，非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。,(4)热电偶热电势的几点结论(a)热电偶所产生的热电势的大小与热电极的长度和直径无关，只与热电极材料的成分和两端的温度有关。,(b)两个相同成分材料的热电极，不能构成热电偶。因为材料成分相同，则总电势也为零。,(c)热电偶两端(结点)的温度相同时，总的热电势也为零。(d)热电偶的两个电极的材料确定以后，热电偶的热电势与热电偶两端的温度有关。,(e)珀尔帖(Peltier)效应:两种不同导体A和B组成电路且通有直流电时，在一个接头处会释放出某种热量
16、，而在另一接头处则吸收热量，这种现象是可逆的，改变电流方向时吸热和放热的接头也随之改变，这就是热电制冷的原理。,热电偶的种类,热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应，即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。其优点是： 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外
17、有保护套管，用起来非常方便。,按热电偶结构划分，可以分为普通型（固定螺纹型、无固定装置型、固定法兰型、活动法兰型、角型）、铠装、多点型、微型、薄膜型、表面型、浸入型、测气流温度型（屏罩型、抽气型）等基本类型。 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。 标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。,
