《光电型传感器》PPT课件

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1、第六章光电型传感器第一节外光电效应第二节光电管特性第三节光电倍增管第四节光敏电阻第五节光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管第六节光电型传感器应用第七节光电型传感器综合训练光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。用这种传感器测量其它非电量（如转速、浊度）时，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。测量方法具有：结构简单、精度高、反应快、非接触等优点。对光的认识，最早是有争议的。牛顿论文之中提出，光的本质是微粒的，光是由许多球形微粒组成，微粒以高速作直线运动。当时的争议：①法国的笛卡尔假说“微粒说”，但不以实

2、验为根据，而是假说；②英国胡克和荷兰的惠更斯“波动说”，宇宙间的物体内存在着一种看不见、摸不着的“以太”物质，把光与声音类比，认为光是一种机械波，发光体在“以太”（不存在）中激起不同深度和大小的颤动，依靠“以太”传播。牛顿偏向微粒，但他认为实验不充分，一直在做实验，牛顿环现象是光具有波动性的最好证明。一直到20世纪初，科学家已肯定光的波粒二象性。第一节外光电效应光的波粒二象性，光具有波动性和离子性的两重性质，是一种电磁波。光是由一定能量的粒子（光子）所形成，每个光子具有的能量hг正比于光的频率г（h为普朗克常

3、数）。用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hг的光子所轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称光电效应。光电效应分为三类：①在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称外光电效应。例如：光电管、光电倍增管。②在光电作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。例如：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管。③在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。例如：光电池。一、光电管光电管结构如图6-1所示。金属阳极封装在一个玻璃壳内，当入射光照射在阴极上时，光子的能

4、量传递给阴极表面的电子，当电子获得的能量足够大时，就有可能克服金属表面对电子的束缚（称逸出功）而逸出金属表面形成电子发射。电子逸出金属表面的初速度υ由能量守恒定律得出mυ=hг-A爱因斯坦光电方程。它揭示了光电效应之本质。根据光子假设，入射光的强度S的表达式：S=Nhг。其中：N—单位时间内通过单位垂直面积的频率г的单色光的光电子数。由光电效应方程式可得出：①照射在物体上的光线（入射光）通常不是单色光，而是含有多种频率的光。②光电子逸出物体表面时具有出速度。当入射光频率г大于该金属极限频率г（红限）时，光强度

5、再弱也能发射电子；当入射光频率г小于г时，光强度再大也不能发射电子。二、光电管工作原理由于逸出功与材料的性质有关，当材料选定后，要使金属表面有电子逸出，入射光的频率г有一最低的限度，当hг小于A时，即使光通量很大，也不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限。当hг大于A时光通量越大，逸出的电子数目也越多，光电流I就越大。光电管的阴极和阳极分别接电源的负极和正极。没有光照射时，因光电管光阴极不发射电子，电路不通；有光照射时，光电阴极发射的光电子，在阳极高电位作用下形成光电流，可以在电阻R上取出与光电流成正比

6、的信号电压。让光（被测）照射在光电管的阴极上，可通过测量电路中光电流（或R上的电压）的大小，来测量光电阴极发射的光电子数量。由这个数量在找出被测光强的大小。如图6—2所示。第二节光电管特性单色入射光的波长与绝对灵敏度的关系。如图6—3所示。光电阴极对光谱有选择性，保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系二、光电管伏安特性当入射光的频谱及光通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系称做伏安特性。如图6—4所示。当阳极电压较小时，只有一部分到达阳极，其余受光子在真空中运动时所形成的负电场作用，回到阴极。

7、随阳极电压的增大，光电流也增大。当阴极发射电子全部到阳极时，阳极电流很稳定，达到饱和三、光电管光电特性当阳极电压一定时，阳极电流I与入射在光电阴极上的光通量Φ之间的关系。在阳极电压足够大时，使光电管工作在饱和电流条件下，光电管正常的光电特性是条直线。如图6—5所示。用金属做阴极基底的光电管的光电特性线性度好。对于玻璃壳上覆盖锑铯阴极的光电管，当入射光太大时，会出现非线性。第三节光电倍增管当用光电管测量很微弱的入射光时，产生的光电流很小（小于几微安）不易检测，误差很大。在光电管的阴极与阳极之间安装若干个倍增极D

8、1、D2、D3…，构成光电倍增管。光电倍增管具有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。如图6—6所示。从图6—6可看出，光电倍增管也有一个阴极K，一个阳极A。与光电管不同的是，在它的阴极和阳极之间设置许多次发射电极D1、D2、D3…，它们又称为第一倍增极、第二倍增极…，相邻的电极间通常加上100伏左右的电压，其电位逐级升高，阴极电位最低，阳极电位最高，两者之差一般在（60