第7章 光电式传感器.ppt

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1、第7章光电式传感器将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。光光源光电电光通路光电器件信号处理被测量被测量输出图7-1光电式传感器的组成原理光的基本性质牛顿——微粒说根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振波动理论惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波光量子说1900年普朗克在研究黑体辐射时，

2、提出辐射的量子论1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性7.1光电效应光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应光电效应包括外光电效应和内光电效应7.1.1外光电效应一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：E=h·v式中：h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s)υ——光的频率（s-1或Hz）。光的波长

3、越短，即频率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。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外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理E=h·v式中：m——电子质量；v0——电子逸出速度。该式为爱因斯坦光电效应方程式,由式可知：光子能

4、量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此对于外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。根据能量守恒定理一般地说，原子内部各个电子既绕着原子核做轨道运动，同时又做自旋运动，就像地球既绕着太阳公转，同时又自转那样。但是，原子内部的电子可以通过与外界交换能量而从一种运动状态改变为另一种运动状态。对于每一种运动状态来说，原子具有确定的内部能量值，对应为一个能级。同一种元素的原子，能

5、级的情况是相同的。习惯将能量值大的能级称为高能级，能量值小的能级称为低能级，原子的最低能级称为基态。处于高能级E2的原子是不稳定的，即使没有外界作用，也将自发地跃迁到低能级E1，发射一个频率为υ能量为hυ＝E2－El的光子，如下图所示。大量处于高能级的原子，它们各自独立地发射一列列频率相同的光波。处于低能级E1的原子受到能量为hυ＝E2－El的光子作用时，吸收这一光子而跃迁到高能级E2的过程。E2E1E2E1自发辐射光hυ＝E2－ElE2E1E2E1入射光hυ＝E2－El原子吸收入射光子并跃迁到高能级处于

6、高能级E2的原子，受能量为hυ＝E2－El的外来光子作用而跃迁到低能级E1，并发射一个与外来一样的光子。受激辐射的光与入射光具有相同的频率、位相、偏振方向和传播方向。E2E1E2E1入射光hυ＝E2－El受激辐射光hυ＝E2－El入射光hυ＝E2－El7.1.2内光电效应在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：1.光电导效应在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓

7、度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。2.光生伏特效应在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。7.2外光电效应器件基于外光电效应工作原理制成的光电器件，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。7.2.1光电管光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂一层光电材料作为阴极，球心放置小球形或小环形金属作为阳极。光电管的工作原理当适当波长的入射光线穿过光窗照到光阴极上时

8、，由于外光电效应，光电子就从极层内发射至真空。在外电场的作用下，光电子在极间作加速运动，最后被高电位的阳极接收，在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光阴极的灵敏度等因素。7.2.2光电倍增管光电倍增管的结构：光电倍增管由光阴极、次阴极(也叫倍增电极，俗称打拿极)以及阳极三部分组成，如图所示。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成，倍增极是在镍或铜—铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，倍增极通常为9级～14级。阳极是最后用来