光电式传感器及其医学应用（讲稿）

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1、3.7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。光电传感器具有反应速度快、检测灵敏度高、可靠性好、抗干扰能力强、结构简单等一系列优点，因此在生物医学测量系统中得到了广泛的应用。3.7.1光电效应光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。一.外光电效应在光线作用下，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。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。我们知道，光子是具有能量的粒

2、子，每个光子具有的能力由下式确定。若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量hν必须超出逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即二.内光电效应受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。

3、基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。3.7.2光电器件的基本特性参数1、响应度k光电器件输出电压Vo与入射光功率Pi之比,即单位入射光功率作用下器件的输出电压,称为响应度k。即:k=Vo/Pi=Vo/(H·Ad)(3.7.2-1)式中,Vo是器件的输出电压Pi为入射光敏面的辐射功率Ad是器件受光面积H为光敏面的辐射照度。k的单位为(V/W)。响应度k是表征光电器件输出信号能力的特征量。2.光谱特性光电器件的响应度与入射波长关系。通常用直角坐标的横轴表示入射光的波长(λ),而纵轴表示归一化的响应度。曲线描述不同波长λ的入射光所产生器件响应度的曲

4、线。峰值对应的波长称为峰值波长,表征该器件对这一波长最灵敏。响应度下降到一半时所对应的波长称为截止波长。光谱特性曲线给出光电器件的工作波长范围。3.7.2光电器件的基本特性参数3.等效噪声功率和探测度D入射到光电器件光敏面上的辐射功率所产生的响应电压,恰好等于该器件的噪声电压值,那么这个辐射功率称为噪声等效功率,常用NEP表示。4.响应时间τ响应时间是描述光电器件对入射光辐射响应快慢的参数,也称为时间常数5．线性度线性度是指光电器件输出光电流(或电压)与输入光功率成线性比例的程度和范围。3.7.2光电器件的基本特性参数一.光电管在一个真空泡内装有

5、两个电极：光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些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，在外电路就产生电流。3.7.3光电管、光电倍增管二.光电倍增管1.结构与原理由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，其工作原理如图。2.主要参数1）倍增系数M电流放大倍数M与所加电压有关，一般在105－108之间。一般阳极和阴极的电压为1000V－2500V，两个相邻的倍增电极的电压差为50V－100V。2）阴极灵敏度和总灵

6、敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫作光电阴极的灵敏度。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。光电倍增管的放大倍数或总灵敏度如图所示。三.光电管、光电倍增管的应用光电管多用于光信号较强的光学分析仪器。光电倍增管广泛用于弱光线的测量,尤其是对各种射线的探测。分光光度计的测量原理光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件就不需要外加电源。一.结构与工作原理硅光电池是在一块N型(或P)硅片上，用扩散的方法掺入一些P型(或N)杂质，而形成一个大面积的PN结。当入射光照在P

7、N结上时，PN结附近激发出电子—空穴对，在PN结势垒电场作用下，将光生电子拉向N区，光生空穴推向P区，形成P区为正、N区为负的光生电动势。若将PN结与负载相连接，则在电路上有电流通过。3.7.4光电池(a)工作原理(b)符号光电池的工作原理及符号二.光电池的基本特性1、光谱特性指相对灵敏度和入射光波长之间的关系硅光电池适用的光波长在0.4～1.2μm范围内,最大灵敏峰在0.8μm左右;硒光电池适用的光波长在0.3～0.7μm范围内,最大灵敏峰在0.5μm左右。2、光电池的光照特性。光电池的光照特性是指光生电动势与照度之间的特性曲线。从右图中可以看

8、出，短路电流在很大范围内与光照度成线性关系；开路电压与光照度的关系是非线性的。硅光电池的光照特性曲线硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线3、