传感技术及应用9光电式传感器

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1、第八章光电式传感器第八章光电式传感器原理首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电器件变换成电信号。辐射源光学通路光电器件输出被测量被测量特性频谱宽、非接触测量、体积小、重量轻等§8-1光源第八章光电式传感器热辐射光源气体放电光源电致发光器件激光器光源是光电式传感器的一个组成部分，大多数光电传感器都离不开光源。第八章光电式传感器一、热辐射光源原理：热物体都会向空间发出一定的光辐射特点：物体温度越高，辐射能量越大代表：白炽灯、卤钨灯第八章光电式传感器第八章光电式传感器二、气体放电光源原理：电流通过气体会产生发光现象特点：改变气体成分、压力

2、、电流、阴极材料和放电电流的大小，可以得到不同光谱范围的辐射源体代表：日光灯第八章光电式传感器第八章光电式传感器三、电致发光器件原理：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光特点：体积小、寿命长、工作电压低、响应速度快代表：发光二极管第八章光电式传感器四、激光器定义：能够产生光受激辐射放大现象的器件特点：单色性好、方向性好、亮度高分类：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器第八章光电式传感器§8-2光电效应与光电器件一、光电效应光电传感器的工作原理基于光电效应光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子——光子所组成，每一个光子

3、能量为：h——普朗克常数，6.626×10-34J.s；f——光的频率（s-1）。光电效应：当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势）。光电效应按原理又分为以下3种：1、外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，形成光电流。第八章光电式传感器光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功A0和动能，即：不同材料有不同的逸出功，对某种材料而言有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发电子，此频率限成为“红限”，其临界波长λ

4、K为：m——电子质量；v0——电子逸出速度；A0——物体的表面电子逸出功。c——光在真空中的速度。逸出物体表面电子具有的动能第八章光电式传感器3、光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。典型光电元件有光电池、光敏（电）二极管、光敏（电）三极管等。2、内光电效应：又称光导电效应，在光照作用下，物体导电性能（如电阻率发生变化）发生改变的现象。典型的光电元件有光敏电阻等。外光电效应典型元件有光电管、光电倍增管等。二、光电器件第八章光电式传感器1、外光电效应应用器件光电管金属底层光电管光透明光电管A——阳极，K——阴极当阴极受到

5、适当波长的光线照射时发射电子，中央带正电的阳极吸引从阴极上逸出的电子，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生电流。光信号→电信号第八章光电式传感器伏安特性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。第八章光电式传感器光电倍增管倍增极上的涂料在电子轰击下能发射更多电子；倍增极之间有依次增大的加速电压。二次发射系数由光电阴极、若干倍增极和阳极三部分组成。AK第八章光电式传感器倍增系数M等于各倍增电极的二次发射系数σi的乘积。如果n个倍增电极的σi都一样（），则所以式中，i为光电阴极的光电流第八章光电式传感器几种光电倍增管的外形第八

6、章光电式传感器2、内光电效应应用器件：结构暗电阻暗电流亮电阻亮电流光电流光敏电阻用半导体材料制成一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。第八章光电式传感器第八章光电式传感器光敏晶体管（二极管、三极管），有极性：光照射——光电子空穴对——光生载流子——内建电场作用——光电流——PN结反向导通应用：光亮度测量、光耦合器件、非接触测量转速光敏二极管的结构与一般二极管相似、光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称

7、为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。3、光生伏特效应应用器件：第八章光电式传感器光照射——光电子空穴对——内建电场作用——光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区——光电动势阻挡层——内建电场——P－N结常见器件：光电池（太阳能电池），包括硅光电池、硒光电池、砷化镓光电池等。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负

8、电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。第八章光电式传感器太阳能电池片70年代发展起来，发展自MOS器件MOS光敏单元阵列读出移位寄存器用