第10章 光电测量技术.ppt

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1、第10章光电测量技术光电式传感器是将被测量的变化转换成光量的变化，再通过光电元件把光量变化转换成电信号的一种测量装置。物理基础:光电效应光电效应可分成两大类型:外光电效应和内光电效应。10.1光电效应及其光电器件基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。内光电效应是指光照射到半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴浓度增多的现象。内光电效应可分为：光电导效应、光生伏特效应和光敏晶体管效应10.1光电效应及其光电器件10.1.1外光电效应物体在光的照射下产生电子发射的现象称为光电发射效应或外光电

2、效应。根据爱因斯坦光量子理论,光子的能量E与它的频率成正比,即E=h·fh普朗克常数h=6.63×10-34J·S，f是光的频率。10.1光电效应及其光电器件物体表面受到光的照射时，表面内的电子与光子碰撞，就发生能量转移，光子把全部能量转移给电子，使电子的能量增加。如果电子的能量超过逸出功A0时，电子就逸出物体表面产生光电发射。产生光电发射的条件(不考虑电子热运动的能量)：光子能量h·f超过表面逸出功A0。10.1光电效应及其光电器件光子能量超过表面逸出功的部分，表现为电子的能量，即mv2/2=hf-A0v—电子逸出时的速度，m—电子的质量。爱因斯坦光

3、电方程说明光电发生服从以下定律：1）物体表面发射的电子数（光电流）与光强成正比；2）光电子的动能随光的频率成正比的增加，而与光强无关；3）要使光电子逸出物体表面，必须使h·f>A0，所以对于每一种物体都存在一个极限频率，当入射光的频率低于这个频率时，无论光强多强，都不会有光电子发射出来。1光电管及其基本特性结构和工作原理真空玻璃泡内装有两个电极的：光电阴极和阳极。光电阴极有的是贴附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上，阴极对光敏感的一面是向内的。光电管有：真空光电管、充气光电管在阴极前装有单根金属丝或环状的阳极。当阴极受到适当波长的光线照射时便发

4、射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。充气光电管构造和真空光电管基本相同，不同的是在玻璃泡内充以少量的惰性气体，如氩或氖。当光电极被光照射而发射电子时，光电子在趋向阳极的途中将撞击惰性气体的原子，使其电离，从而使阳极电流急剧增加，提高了光电管的灵敏度。优点：灵敏度高，但其灵敏度随电压显著变化，稳定性、频率特性等都比真空光电管差。(2)主要性能①光电管的伏安特性当光通量一定时，光电管的电流与阳极电压的关系。②光电管的光照特性当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系。曲线1表示氧化铯阴

5、极光电管的光照特性，光电流与光通量呈线性关系。曲线2为锑化铯阴极光电管的光照特性，它呈非线性关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。③光电管的光谱特性一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率v0，因此它们可用于不同的光谱范围。即同一光电管对于不同频率的光的敏感度不同，这就是光电管的光谱特性。所以对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。2光电倍增管在入射光极为微弱时，光电管产生的光电流很小，在这种情况下即使光电流能被放大，但信号和噪声同时被放大了，为了克服这个缺点，就要采用光电倍增管。它由光电阴极、若干个倍增极和阳极三部分组成

6、。光电阴极是由半导体光电材料锑—铯制造的，入射光就在它上面打出光电子。倍增极数目在4~14个不等。在各倍增极上加上一定的电压，阳极收集电子，外电路形成电流输出。工作时，各个倍增电极上均加上电压，阴极K电位最低。从阴极开始，各个倍增极E1、E2、E3、E4（或更多）电位依次升高，阳极A电位最高。入射光在光电阴极上激发电子，由于各极间有电场存在，所以阴极激发电子被加速轰击第一倍增极，这些倍增极具有这样的特性，在受到一定数量的电子轰击后，能放出更多的电子，称为“二次电子”。光电倍增管之倍增极的形状设计成每个极都能接受前一极的二次电子，而在各个倍增极上顺序加上

7、越来越高的正电压。这样如果在光电阴极上由于入射光的作用发射出一个电子，这个电子将被第一倍增极的正电压所加速而轰击第一倍增极，设这时第一倍增极有δ个二次电子发出，这δ个电子又轰击第二倍增极，而其产生的二次电子又增加δ倍，经过n个倍增极后，原先电子将变为δn个电子，这些电子最后被阳极所收集而在光电阴极与阳极之间形成电流。10.1.2内光电效应的光电器件1光敏电阻(1)结构和原理光敏电阻又称光导管。光敏电阻利用光电导效应制成，一般选用禁带宽度较宽的半导体材料。光敏电阻的结构较简单。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与

8、半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆