传感器原理及应用 姜香菊第七章 光电式传感器

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1、第7章 光电式传感器,光电式传感器是将被测量的变化转换成光信号 的变化,再通过光电器件把光信号的变化转换成电 信号变化的一种装置。,被测量,光信号,电信号,7.1 光电式传感器的工作原理 7.2 光电式传感器的结构及特性 7.3 光电式传感器的应用 7.4 红外线传感器 7.5 光纤传感器 7.6 光栅传感器,7.3,光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置。光电式传感器工作时,先将被测量转换为光量的变化,然后通过光电器件再把光量的变化转换为相应的电量变化,从而实现非电量的测量。 光电式传感器结构简单、响应速度快、可靠性较高,能实现参数的非接触测量,随着激光光源、光栅、光导纤维等的

2、相继出现和成功应用,使得光电式传感器越来越广泛地应用于检测和控制领域。,光谱 光波: 波长为10106nm的电磁波 可见光:波长380780nm 紫外线:波长10380nm, 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线, 红外线:波长780106nm 波长3m(即3000nm)以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。,第7章 光电式传感器,远紫外,近紫外,可见光,近红外,远红外,极远紫外,0.01,0.1,1,10,0.05,0.5,5,波长/m,波数/cm-1,频率/Hz,光子能量/eV,106,10

3、5,104,103,5105,5104,5103,1015,51014,1014,51013,100,10,1,50,5,0.5,51015,1016,31018,=31010cm / s,光的波长与频率的关系由光速确定,真空中的光速c=2.997931010cm/s,通常c31010cm/s。光的波长和频率的关系为Hz,的单位为cm。,7.1 光电式传感器的工作原理,光电式传感器中能够将光信号转换成电信号输出的器件称为光电器件。它是以光为媒介,以光电效应为基础的传感器。换句话说,光电效应即为光电器件在光能的激发下产生某些电特性的变化。 光是由分离的能量团(光子)组成的,光子兼有波和粒子的特性

4、。把光看做一个波群,这个波群可认为是一个频率为的振荡。当光照射物体时,相当于一连串具有h能量的光子轰击物体(h为普朗克恒量,6.62610-34Js,为入射光的频率),由于光子与物质间的连接体是电子,则组成物体的电子吸收光子能量,才能发生相应电特性的变化。依据光电器件发生电特性变化的不同,光电效应一般分为外光电效应和内光电效应两大类。根据这些效应可以做出相应的光电转换器件,简称光电或光敏器件。,1、外光电效应 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。,光子是具有能量的粒子,每个光子的能量:,

5、h普朗克常数,6.62610-34Js;光的频率(s-1),根据爱因斯坦假设,一个电子只能接受一个光子的能量,所以要使一个电子从物体表面逸出,必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功,超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物,从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。 根据能量守恒定理 式中 m电子质量;v0电子逸出速度。,该方程称为爱因斯坦光电效应方程。,光电子能否产生,取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。,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,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

6、始动能mv02 /2 ,因此外光电效应器件(如光电管)即使没有加阳极电压,也会有光电子产生。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。,通过入射光子引起物质内部产生光生载流子,这些光生载流子引起物质电学性质发生变化,这种现象叫做内光电效应,它多发生于半导体内。根据光照射在物体上,使物体的电阻率发生变化,或产生光生电动势的不同,内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类: (1)光电导效应 绝大多数的高电阻率半导体,受光照射吸收光子能量后,产生电阻率降低而易于导电的现象,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。,2、内光电效应,第7章 光电式传感

7、器,过程:当光照射到半导体材料上时,价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击,并使其由价带越过禁带跃入导带,如图,使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加,从而使电导率变大。,导带,价带,禁带,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,Eg,材料的光导性能决定于禁带宽度,对于一种光电导材料,总存在一个照射光波长限0,只有波长小于0的光照射在光电导体上,才能产生电子能级间的跃进,从而使光电导体的电导率增加。,式中、分别为入射光的频率和波长。,为了实现能级的跃迁,入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg,即,(2)光生伏特效应 光照射引起PN结两端产生电动势的现象称为光生

8、伏特效应。 当PN结两端没有外加电压时,在PN结势垒区仍然存在着内建结电场,其方向是从N区指向P区,如图所示。当光照射到PN结上时,若光子的能量大于半导体材料的禁带宽度,则在PN结内产生电子空穴对,在结电场作用下,空穴移向P区,电子移向N区,电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化,PN结两端出现一个因光照射而产生的电动势。,第8章 光电式传感器,基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。,外光电效应器件 利用物质在光照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件,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。,(一)光电管及其基本特性,光电管的结构示意图,光,阳极

9、,光电阴极,光窗,1. 结构与工作原理,光电管有真空光电管和充气光电管两类。两者结构相似,如图。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。,7.2 光电式传感器的结构及特性,当阴极受到适当波长的光线照射时便发射光电子,光电子被带正电位的阳极所吸引,这样在光电管内就有电子流,在外电路中便产生电子流,输出电压。光电流的大小与照射在光电阴极上的光强度成正比,并与光电阴极的材料有关。,光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。,2. 主要性能,(

10、1) 光电管的伏安特性 在一定的光照射下,对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。,图 光电管的伏安特性,50,20lm,40lm,60lm,80lm,100lm,120lm,100,150,200,0,2,4,6,8,10,12,阳极与末级倍增极间的电压/V,IA/ A,(2) 光电管的光照特性 通常指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。,其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性,光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特

11、性,它成非线性关系。光照特性曲线的斜率(光电流与入射光光通量之间比)称为光电管的灵敏度。,光电管的光照特性,25,50,75,100,2,0,0.5,1.5,2.0,/1m,IA/ A,1.0,2.5,1,(3)光电管光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性,因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变,阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。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0,因此它们可用于不同的光谱范围。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0,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

12、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。其红限0=7000,它对可见光范围的入射光灵敏度比较高,转换效率:25%30%。它适用于白光光源,因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源,常用银氧铯阴极,构成红外传感器。对紫外光源,常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外,锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽,为30008500,灵敏度也较高,与人的视觉光谱特性很接近,是一种新型的光电阴极;但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱有很大差异,因而在测量技术中,这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作,如坦克和装甲车的

13、夜视镜等。 一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时,光电流将有下降趋势,频率愈高,下降得愈多。,(二)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A,不容易探测,需要用光电倍增管对电流进行放大。 1.光电倍增管结构和工作原理,由光阴极、次阴极(倍增电极)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30级;阳极是最后用来收集电子的,收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万到几百万倍。因此在很微弱的光照时,它就能产生很大的光电流。,(1)倍增系

14、数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数的乘积。如果n个倍增电极的都相同,则M= 因此,阳极电流I为 I = i i 光电阴极的光电流 光电倍增管的电流放大倍数为 = I / i = M与所加电压有关,M在105108之间,稳定性为1左右,加速电压稳定性要在0.1以内。如果有波动,倍增系数也要波动,因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V,两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。所加电压越稳越好,这样可以减小统计涨落,从而减小测量误差。,2. 主要参数,第7章 光电式传感器,103,104,105,106,25,50,75,100,125,极间电压/V

15、,放大倍数,光电倍增管的特性曲线,第7章 光电式传感器,(2)光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm,极间电压越高,灵敏度越高;但极间电压也不能太高,太高反而会使阳极电流不稳。 另外,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。,第7章 光电式传感器,(3)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,这是热发射所致或场致发射造成的,这种暗电流通常可以用补偿电路消除。 如果光电倍增管与闪烁体放在一处,在完全蔽光情况下,出现的电流称为本底电流,其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发,被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的,本底电流具有脉冲形式。,第7章 光电式传感器,光电倍增管的光照特性,与直线最大偏离是3%,1013,1010,109,107,105,103,101,在45mA处饱和,1014,1010,106,102,光通量/1m,阳极电流/ A,(4)光电倍增管的光谱特性 光谱特

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