最新第8章-光电式传感器课件ppt.ppt

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1、第8章-光电式传感器概述光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。◆由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。8.1光电器件光电器件是构成光电式传感器最主要的部件。光电式传感器的工作原理如图8-1所示：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。图中x1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。图8-1光电

2、式传感器的工作原理8.1光电器件2．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。●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。8.1光电器件◆当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，如图8-2所示：图8-2电子能级示意图从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电率变

3、大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即：8.1光电器件●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。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。①势垒效应（结光电效应）接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。②侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。8.1光电器件8.1.2光电管1．结构与工作原理◆光电管是外光电效应的器件，有真空光电管和充气光电管两类。◆光电阴极通常是用逸出功小

4、的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光图8-3光电管的结构的照射孔。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。8.1光电器件2．主要性能（1）光电管的伏安特性◆在一定的光照射下，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。◆真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如同8-4（a）和（b）所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。图8-4光电管的伏安特性8.1光电器件（2）光电管的光照特性：通常指当光电管的

5、阳极和阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间的关系为光电管的光照特性。◆光电管阴极材料不同，其光照特性也不同。◆光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比称为光电管的灵敏度。8.1光电器件（3）光电管光谱特性◆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。◆即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。◆所以，对各种不同波长区域的光

6、，应选用不同材料的光电阴极。8.1光电器件8.1.3光电倍增管1．结构与原理◆光电倍增管也是基于外光电效应的器件。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8-5所示。图8-5光电倍增管的外型和工作原理8.1光电器件2．主要参数（1）倍增系数M◆倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射电子δi的乘积。如果n个倍增电极的δi都一样，则M=δi，因此，阳极电流I为：◆M与所加电压有关，一般在10~10之间。如果电压有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极的

7、电压为1000V－2500V，两个相邻的倍增电极的电压差为50V－100V。8.1光电器件（2）阴极灵敏度和总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。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8-6所示。极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。图8-6光电倍增管的特性曲线8.1光电器件（3）光谱特性◆光电倍增管的光谱特性与相同

8、材料光电管的光谱特性很相似。（4）暗电流及本底电流◆当管子不受光照，但极间加入电压时在阳极上会收集到电子，这时的电流称为暗电流，。◆如果光电倍增管与闪烁体放在一起，在完全避光情况下，出现的电流称本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的。本底电流具有脉冲形式，因此也成为本底脉冲。8.1光电