光电式传感器及其应用.ppt
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1、,按工作原理分类:光电效应传感器红外热释电传感器固体图像传感器光纤传感器,第5章 光电式传感器及其应用,光电传感器:将光信号(红外、可见光及紫外光)转变成为电信号的器件。,被测量的变化,光信号的变化,电信号的变化,对于不同波长的光有不同的光学传感器,光电效应:光照射某一物体,可以看作是一连串能量为E的光子轰击在这个物体上,此时光子能量就传递给电子,电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化,从而使受光照射的物体产生相应的电效应,称这种物理效应为光电效应。光子能量正比于光的频率。,5.1 光电效应和热释电效应,一、外光电效应,外光电效应:在光线作用下,物体内的电子获得光子的能量从而脱离正电荷的束
2、缚,逸出物体表面向外发射的现象。条件:光子能量大于该物体的表面逸出功,基于外光电效应的光电器件:光电管、光电倍增管、光电摄像管等,光电效应方程:,结论:1光电子能否产生,取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0;2逸出的光电子具有动能;3、一定时,产生的光电流和光强成正比,克服逸出功;转化为电子的动能,二、内光电效应当光照在物体上,使物体的电导率发生变化,或产生光生电动势的现象。,当光照射在物体上,电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态而使物体的电导率发生变化的现象常见器件:光敏电阻,1.光电导效应,光半导体电子吸收能量()跃迁电子-空穴对阻值降低,导电性能增强,电导率增大,原理:
3、,Eg,2、光生伏特效应,原理:,光生伏特效应:在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。常见器件:光敏二极管、三极管、光电池等。,光PN结电子N,空穴P电动势,光线照射PN结时,设光子能量大于禁带宽度Eg,使价带中的电子跃迁到导带,产生电子空穴对,在阻挡层内电场的作用下,被光激发的电子移向N区外侧,被光激发的空穴移向P区外侧,从而使P区带正电,N区带负电,形成光电动势。,三、热释电效应(红外检测),热释电效应:当一些晶体温度变化时,其原子排列将发生变化,晶体自然极化,在晶体两表面产生电荷的现象。包含光-热、热-电两个阶段的变换过程。,热释电材料:热释电晶体(铌酸锂、钽酸锂)、热释电陶瓷(钛
4、酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(PZT))和热释电塑料(聚偏二氟乙烯(PVDF))等。,应用:红外探测器、温度传感器、热成像器件等,5.2 光电器件(光电传感器),一、光电管,结构:在真空玻璃管内装有光电阴极(逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃管内壁)和阳极,感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料,便有电子逸出,并被正电位的阳极吸引,在光电管内形成空间电子流,在外电路就产生电流。,1.光电管结构和工作原理,原理:基于外光电效应;光阴极光电子阳极空间电子流外接电阻压降U=f(I)(实现光电转换),特点:简单,灵敏度低,2、光电管的特性,光电管的伏安特性曲线,当入射光的频率和通量确定时,阳极电压与电
5、流之间的关系称为伏安特性,阳极电压较低:阴极发射的电子部分到达阳极,其余受光电子在真空中运动时所形成的负电场作用,回到阴极。,阳极电压增高:光电流随之增大。当阴极发射的电子能全部到达阳极时,阳极电流便很稳定,称为饱和状态。,阳极电压较低:阴极发射的电子部分到达阳极,其余受光电子在真空中运动时所形成的负电场作用,回到阴极。,真空光电管,2、光电管的特性,光电管的光照特性,光照特性:当光电管阳极与阴极间所加电压和入射光频谱一定时,阳极电流I与入射光在阴极上的光通量之间的关系。,1-氧铯阴极2-锑铯阴极,光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。,2、光电管的特性,光电管的光谱特性,同一光电管对于不同频
6、率的光,具有不同的灵敏度,例:对GD-4型光电管,阴极采用锑铯材料,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。,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。,2、光电管的特性,光电管的频率响应,光电管在从光子射入阴极到在阳极上获得光电子的时间间隔仅有几纳秒,但由于电极间的分布电容和负载电阻构成RC回路关系,使光电管工作响应时间延长至10-4量级,在使用时,可以通过降低负载电阻和减少分布电容方法,提高频率响应。,二、光电倍增管,原理:利用二次电子释放效应,将光电流在管内部进行放大。二次电子释放效应:高速电子撞击固体表面
7、,再发射出二次电子的现象。,1.结构与原理,光电管缺点:灵敏度较低改进:光电倍增管,设第一倍增极有个二次电子发出,经过n次加速和轰击加速后,产生的电子数为 n,称为二次电子发射比,几种常见光电倍增管的结构,几种常见的光电倍增管结构:,几种光电倍增管的外形,2.光电倍增管的基本特性,光电特性,光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间关系,在入射光通最小于10-4 lm时,有较好的线性关系,当光通量再增大时,呈现非线性特性,三、光敏电阻,1.光敏电阻的结构及原理,光敏电阻的电极构造与封装,光敏电阻的结构如图:由一块两边带有金属电极的均质光电半导体组成。,光敏电阻工作过程,原理:基于光
8、电导效应,无光照:光敏电阻阻值很大;有光照:光子能量大于材料禁带宽度,价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,激发出电子-空穴对,使电阻降低;光线愈强,激发出的电子-空穴对越多,电阻值越低;,光照停止:自由电子与空穴复合,导电性能下降,电阻恢复原值。,2、光敏电阻的特性及特点:,光敏电阻对光敏感,当改变光照强度时,电阻的大小也随着改变。一般会随着光照强度的增大而电阻值减小。,)暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。)亮电阻光敏电阻在光照射时的电阻称亮电阻,此时流过的电流称亮电流。光敏电阻的暗电阻越大,而亮电阻越小则性能越好。)光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。暗电
9、流越小,光电流越大,光敏电阻的灵敏度越高。,暗电阻一般超过1M,甚至高达100M,亮电阻则在几k以下,暗电阻与亮电阻之比在102106之间,灵敏度很高。,4)光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系,称为光敏电阻的光照特性。不同类型的光敏电阻,光照特性不同。,光敏电阻的光照特性,多数是非线性的。不宜做线性测量元件,一般用做开关式的光电转换器。,5)光谱特性 光敏电阻对不同波长的光,光谱灵敏度不同,而且不同种类光敏电阻峰值波长也不同。,光敏电阻的光谱灵敏度,不同材料,其峰值波长不同。同一种材料,对不同波长的入射光,其相对灵敏度不同,响应电流不同。应根据光源的性质,选择合适的光电元件(匹配)使光
10、电元件得到较高得相对灵敏度。,6)伏安特性 在一定照度下,光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系,称为伏安特性。,光敏电阻的伏安特性,一定光照,R一定,I正比于U。一定电压,I随着光照E增强而增大。ERI。,7)响应时间和频率特性,当光敏电阻受到脉冲光作用时,光电流需要经历一段时间才上升到最大值。这种响应时间用时间常数来表示。多数光敏电阻时间常数在10-210-6s数量级。,响应时间长短与照度有关,不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数及频率特性1-硫化铅2-硫化铊。,相对灵敏度随光照频率的变化,8)温度特性,温度变化影响暗电阻和灵敏度,也影响光敏电阻的光谱响应。温度升高,暗阻和灵敏度都下降。
11、,硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。,常用材料光敏电阻的典型参数,常见光敏电阻,四、光电二极管和光电三极管,1.光电二极管和光电三极管的结构及原理,光电二极管:利用PN结单向导电性的结型光电器件,结构与一般二极管类似。PN结安装在管的顶部,便于接受光照。外壳上面有一透镜制成的窗口以使光线集中在敏感面上。为了获得尽可能大的光生电流,PN结的面积比一般二极管要大。为了光电转换效率高,PN结的深度较一般二极管浅。,光电二极管大多数情况下工作在反向偏压状态。,当光照射时,光敏二极管处于导通状态。,当光不照射时,光敏二极管处于截止状态。,光电三极管:当光照射到PN结附
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- 光电 传感器 及其 应用
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