现代传感技术 教学课件 作者 黄元庆 第2章.ppt

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1、第二章光电传感技术基于光电效应原理工作的光电传感器，在检测和控制中应用非常广泛。本章主要介绍光敏电阻、硅光电池、光敏二极管、光敏晶体管等典型光电器件的光谱响应、频率响应、时间响应等主要参数与基本特性，特别介绍了光电位置传感器PSD。光电传感技术2.1电磁波谱2.2辐射源特性及其度量2.3光电效应2.4光电探测传感器件2.5光电位置传感器（PSD）2.6光电传感技术应用电磁波谱图2-1电磁波谱辐射源特性及其度量辐射源特性（1）光谱特性（2）能量特性（3）角度特性辐射源的度量对辐射源的度量有两种：光度量制和辐射度量制。光度量制以人眼或经视见函数校

2、正过的照度计作为探测器；辐射度量制以无光谱选择性的真空热电偶作为探测器光电效应光电效应是指因光照而引起物体电学特性改变的现象。电学特性变化是指光照射物体时，物体发射电子、电导率发生变化或产生光电动势等。光电效应大致可归纳为两大类：外光电效应——物质受到光照后向外发射电子的现象，这种效应多发生于金属和金属氧化物；内光电效应——物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动，而不会逸出物质外部的现象，这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可以分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应光电导效应是指物体受光照射后，其内部产生光生载流子，使物体中载流子数

3、显著增加而电阻减小的现象。这种效应在大多数半导体和绝缘体中都存在。而金属的电子能态与半导体和绝缘体不同，在光照下电阻没有改变，因此不产生光电导效应。表征光电导体器件，最重要的参数为灵敏度弛豫时间（惰性）光谱分布光生伏特效应光生伏特效应是指，光照使不均匀半导体或均匀半导体中光电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象，是把光能变为电能的一种效应。因此光照在半导体PN结或金属半导体接触面上时，在PN结或金属半导体接触的两侧会产生光生电动势。光电发射效应光敏物质吸收光子后，电子从基态被激发到高能态而脱离原子核的束缚，从而在外电场作用下参与导电，即发生内

4、光电效应。如果被激发的电子能逸出光敏物质的表面而在外电场作用下形成光电子流，这就是外光电效应或称光电发射效应。在光电器件中，光电管、光电倍增管等光电器件，都是基于外光电效应理论的。1.斯托列托夫定律（光电发射第一定律）；2.爱因斯坦（Einstein）定律（光电发射第二定律）3.光电发射的红限4.光电发射的瞬时性光电探测传感器件利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件称为光电探测传感器件，有时也称光电探测传感器件。根据对辐射的作用方式不同（或说工作机理的不同），光电探测传感器件（光电探测传感器件）可分为光子探测传感器件热电探测传感器件光电

5、探测传感器件光电管外光电效应光电倍增管本征型单晶型光子探测传感器件掺杂型（基于量子效应）光敏电阻多晶型（基于光电导效应）合金型内光电效应光敏二极管光电探测传感器件光生伏特效应光敏晶体管（基于光生伏特效应）光电池雪崩光电管热电堆热电偶热电探测传感器件热释电探测器（基于热效应）热敏电阻表2‑4各类光电效应及其相应器件光电探测传感器件光电探测传感器件的基本特性参数响应度响应时间频率响应参数描述噪声的基本参数半导体光电探测传感器件光电探测传感器件主要特性比较与选用原则光电探测传感器件的基本特性参数1.响应度（或称为灵敏度）响应度是用来衡量光电探测传感

6、器件的光-电转换效能，定义为光电传感器输出电压或输出电流与入射光功率（或通量）之比。即式中，和分别称为电压响应度和电流响应度。由于光电传感器的响应度随入射光的波长而变化，因此又有光谱响应度和积分响应度。（2-3）光电探测传感器件的基本特性参数2.光谱响应度光谱响应度（单位为V/W或A/W）是光电传感器的输出电压或输出电流与入射到传感器上的单色辐通量（光通量）之比。即式中，为光谱响应度；为入射的单色辐通量或光通量。从式(2-4)可看出，传感器的输出电压（或电流）值愈大意味着传感器愈灵敏。（2-4）光电探测传感器件的基本特性参数3.

7、积分响应度积分响应度表示传感器对连续辐射通量的反应程度。对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为，光电传感器输出的电流或电压与入射总光通量之比称为积分响应度。由于光电传感器输出的光电流是由不同的波长的光辐射引起的，所以输出光电流应为积分响应度为由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温的同一辐射源所发生的光谱通量分布也不相同，因此提供数据时应指明采用的辐射源及其色温。光电传感器的长波限光电传感器的短波限光电探测传感器件的基本特性参数4.响应时间响应时间是描述光电传感器对入射辐射响应快慢的一个参数，即当入射辐射到光电传感器后或入射辐射遮断后，

8、光电传感器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。常用时间常数的大小来表示。当用一个辐射脉冲照射光电传感器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短（如方