《光电式传感器》课件

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1、第九章光学传感器第一节光电传感器第二节光电耦合器件第四节光纤传感器第五节CCD器件第一节光电传感器光电传感器是将光信号转化为电信号的器件，它具有反应速度快、检测灵敏度高、可靠性好、抗干扰能力强、结构简单等特点第一节光电传感器光波是波长为10～106nm的电磁波。可见光：380～780nm紫外线：10～380nm红外线：780～106nm光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质光的量子说可知，光可以看成是以光速C运动着的、具有一定能量粒子流每个光子的能量为E=hv每个光子的质量为m=hv/C

2、2光照射到物体上时，可以看成是具有一连串能量为E的粒子轰击在物体上光电效应可以看成是由于物体吸收了能量为E的光子的能量后而产生的电效应一、光电效应外光电效应金属表面受光照射后，金属内或表面的电子逸出金属表面向外发射的现象电子能量转换公式光电管、光电倍增管内光电效应当光照在半导体材料上，使半导体材料的电导率发生变化或产生光生电动势的现象光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管二、光电器件的特性参数灵敏度K：表征光电器件输出信号能力的特征量光电器件的输出信号电压VS与入射光功率PS之比，即单位入射光功

3、率作用下器件的输出信号电压：光谱特性：描述光电器件的工作范围某一种光电器件的灵敏度与入射波长的关系，称为该光电器件的光谱特性用不同辐射波长对某一器件的灵敏度描绘的曲线，就是该器件的光谱特性曲线等效噪声功率：描述光电器件品质若辐射到光电器件光敏感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（NEP）（单位W）探测度D：衡量光电器件的探测能力将NEP的倒数称为光电器件的探测度D时间常数：描述光电器件对入射光响应快慢性能在阶跃输入光功率的条件下，光电器件

4、输出电流is(t)上升到稳态值(i∞)的0.63倍的时间当辐射的交变信号频率f上升时，光敏器件的灵敏度k下降，从峰值处下降到3dB时所对应的频率称为截止频率f0，截止频率f0对应的时间即为时间常数线性度线性度是指光电器件的输出光电流（或电压）与输入光功率成比例的程度和范围。一般来说，在弱光照射时光电器件输出光电流都能在较大范围内与输入光功率（光辐射强度）成线性关系。强光时就趋于平方根关系三、光电管和光电倍增管及其应用（一）光电管1.结构和原理11２．主要性能（1）光电管的伏安特性在一定的光照射下，

5、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。真空光电管充气光电管150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012阴极电压/VIA/μA2010050弱光强光1504681012阴极电压/VIA/μA12（2）光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。25507510000.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.5113(3)光电管的光谱

6、特性单位辐射通量，不同波长的光照射光电管时，产生的饱和光电流与光波波长的关系曲线。同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料制成，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。14对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。还有些光电管的光谱特性与人的视觉光谱特性有很大差异，可以担负人眼不能胜任的工作，如夜视镜等。由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成阴极由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是

7、在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可达30级。通常为12~14级。使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。（二）光电倍增管1.光电倍增管的结构与原理16IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT17入射光阴极K第一倍增极第二倍增极第三倍增极第四倍增极阳极A光电倍增管的电流放大倍数为如果n个倍增电极二次发射电子的数目相同,则Ｍ＝δin因此阳极电流为Ｉ＝i·δin,M与所加的电压有关。一般阳极和阴极

8、之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V。2.光电倍增管的特性参数：（1）倍增系数M：等于各个倍增电极的2次发射电子数δi的乘积。一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度.（2）光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度（3）暗电流和本底电流由于环境温度、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。在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍增管