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时间:2019-01-07
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1、光电传感器卢跃宁0513110232电气工程与自动化(2)班摘要:在科学技术高速发展的现代社会中,人类已经入瞬息万变的信息时代,人们在日常生活,生产过程屮,主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输,来实现制动控制,自动调节,目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术,光电半导体技术,光导纤维技术以及光栅技术的发展,使得光电传感器的应用与F1俱壇。这种传感器具冇结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点,在口动检测技术屮得到了广泛应用,它一种是以光电效应为理论基础,由光电材料构成的器件。关键字:光
2、电效应光电元件光电特性传感器分类传感器应用正文:一、理论基础——光电效应光电效应一般冇外光电效应、光导效应、光生伏特效应。光照在照在光电材料上,材料表面的电子吸收的能量,若电子吸收的能量足够大是,电子会克服朿缚脱离材料表面而进入外界空间,从而改变光电子材料的导屯性,这种现象成为外光电效应根据爱因斯坦的光电了效应,光了是运动着的粒了流,每种光了的能量为hv(v为光波频率,h为普朗克常数,h=6・63*10-34J/HZ),由此可见不同频率的光子具有不同的能量,光波频率越高,光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子,电子能量将会增加,增加的能量一部分用于克服正离
3、子的束缚,另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律:—mv2=hv・A2式中,m为电子质量,v为电子逸出的初速度,A微电子所做的功。由上式可知,要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出功,因此对每一•种阴极材料,入射光都冇一个确定的频率限,当入射光的频率低于此频率限时,不论光强多大,都不会产生光电了发射,此频率限称为“红限”。相应的波长为久=虬式屮,c为光速,A为逸岀功。当受到光照射时,吸收电孚能量》其电阻率降低的导电现彖称为光导效应。它属于内光电效应。当光照在半导体上是,若电子的能量大与半导体禁带的能级宽度,则电子从价带跃迁到导
4、带,形成电子,同时,价带留下相应的空穴。电子、空穴仍留在半导体内,并参与导电在外电场作用下形成的电流。除金屈外,多数绝缘体和半导体都有光电效应,半导体尤为显著,根据光导效应制造的光电元件有固有入射光频率,当光照在光电阻上,其导电性增强,电阻值下降。光强度愈强,其阻值愈小,若停止光照,其阻值恢复到原阻值。半导体受光照射产生电动势的现象称为光生伏特效应,据此效应制造的光电器件有光电池,光电二极管,管控晶闸管和光耦合器等。二、光电元件及特性根据外光电元件制造的光电元件有光电子,充气光电管和光电倍曾管。1・光电管光电管的种类繁多,典型的产品有真空光电管和充气光电管,
5、光它的外形和结构如图1所示,半I员I筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金屈丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内,当入射光照射在阴极上时,单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子,从而使自由电子的能量增加h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A吋,它就可以克服金属表面束缚而逸出,形成屯子发射。这种电子称为光电子,光电子逸出金属表面后的初始动能为(1/2)加光电管正常工作时,阳极电位高于阴极,如图2所示。在人射光频率大于“红限”的前提下,从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引,在光电管内形成空间电子流,称为光电流。此时若光强增大,轰击
6、阴极的光子数增多,单位时间内发射的光电了数也就增多,光电流变大。在图2所示的电路中,电流和电阻只上的电压降就和光强成函数关系,从而实现光电转换。当光线照射到光电阴极K上时,电子从阴极表面逸出,并被光电阳极的正电厂吸收,外电路产生电流I,在负载电阻上的电压%光电管的光电特性如图3所示,从图中可知,在光通量不太大时,光电特性基本是一条直线。图1光电光结构示意图2•光电倍曾管由于真空光电管的灵敏度低,因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。图4是光电倍增管结构示意图。图轨电倍増结构示意图
7、;从图中可以看到光电倍增管也有一个阴极K和一个阳极A,与光电管不同的是
8、在它的阴极和阳极间设置了若干个二次发射电极,DI、D2、D3…它们称为第一倍增电极、第二倍增电极、…,倍增电极通常为10〜15级。光电倍增管工作时,相邻电极之间保持一定电位差,其中阴极电位最低,各倍增电极电位逐级升高,阳极电位最高。当入射光照射阴极K吋,从阴极逸出的光电子被第一倍增电极D1加速,以高速轰击D1,引起二次电子发射,一个入射的光电子可以产生多个二次电了,D1发射出的二次电了又被DI、D2问的电场加速,射向D2并再次产生二次电子发射……,这样逐级产生的二次电子发射,使电子数量迅速增加,这些电子最后到达阳极,形成较大的阳极电流。若倍增电极有n级,各级
9、的倍增率为。,则光电倍增管的倍增率可以认为是oN,因
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