工程测试-第三章传感器.ppt
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1、3.5 光电传感器,光电式传感器是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量,并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。由光的粒子学说可知,光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子(称为光子)所构成,每个光子具有的能量: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。,3.5.1 光电效应及其光电器件 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效应。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,材料中的电子吸收光子能量,成为自由电子,使导体的导电性发生改变的现象。内光电效应又可分为光电导效应、
2、光生伏特效应和光敏晶体管效应,相应元件有光敏电阻、光电池和光敏二、三极管。,3.5.1.1 外光电效应及其光电器件,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=hf,h普朗克常数h=6.6310-34JS,f是光的频率。,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A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hf超过表面逸出功A。,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-A,v电子逸出时的速度,m电子的质量。,爱
3、因斯坦光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hfA,所以对于每一种物体都存在一个极限频率(红限频率f0),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 在一个真空装有两个电极的玻璃泡内: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。,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射电子,电子被带正电位的阳极所吸引,这样在
4、光电管内就有电子流,在外电路中便产生了电流。,除了真空光电管外还有一种充气光电管,其构造和真空光电管基本相同,所不同的仅仅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。充气光电管的优点是灵敏度高,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 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。,光电管的光电(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表示氧化铯阴极光电管的光电(照)特性
5、,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电(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。,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f0,(即hf=A对应的频率),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。光电阴极是由半导
6、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414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
7、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个二次电子发出,这个电子又轰击第二倍增极,而其产生的二次电子又增加倍,经过n个倍增极后,原先电子将变为n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。,3.5.1.2 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,选用半导体材料。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盖一层漆膜。,光电导的
8、原理:当入射光照到半导体上时,电子受光子的激发,在外加电压作用下,导带中的电子和空穴同时参与导电,即载流子数增多使其电阻下降。,光敏电阻在受到光的照射时,由于内光电效应使其导电性能增强,电阻值下降,所以流过负载电阻RL的电流及其两端电压也随之变化。光线越强,电流越大。当光照停止时,光电效应消失,电阻恢复原值,因而可将光信号转换为电信号。,(2)光敏电阻的特性暗电阻,暗电流 暗电阻:将光敏电阻置于无光照条件下,测得光敏电阻的阻值。暗电流:在给定工作电压下测得无光照条件下光敏电阻中的电流。亮电阻,光电流 亮电阻:光敏电阻在光照条件下,测得的光敏电阻的阻值。亮电阻一般在几千欧姆。亮电流:在给定工作电
9、压下测得有光照条件下的电流。光电流:亮电流和暗电流之差。,光敏电阻的光谱特性 使用不同材料制成的光敏电阻,有着不同的光谱特性。,光敏电阻的光电(电照)特性 在一定电压作用下,光敏电阻的光电流I与照射光通量的关系称为光电(电照)特性。,光敏电阻的光电特性具有非线性。,时间常数 当光敏电阻受到光照时,光电流要经过一定时间才能到达稳定值。同样,光照停止后,光电流也要经过一定时间才能恢复到暗电流。光敏电阻的光电流随光强度变化的惯性,通常用时间常数表示。光照停止后,光电流下降到原值的63%要经过的时间。时间常数反映了光敏电阻对光照响应的快慢程度。不同材料的光敏电阻有着不同的时间常数。光电管的伏安特性 当
10、光通量一定时,光电管的电流与阳极电压的关系。光电管的温度特性 光敏电阻的性能随温度变化而改变的特性。如温度升高时,暗电流下降。,2 光电池及光生伏特(伏打)效应 光电池是在光线照射下,直接能将光量转变为电动势的光电元件。在光线照射下物体产生一定方向电动势的现象称光生伏特效应。光电池的种类很多,有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。其中硅光电池和硒光电池用途广泛。,这里着重介绍硅光电池.,结构原理 硅光电池是在一块N型硅片上,用扩散的方法掺入一些P型杂质(例如硼)形成PN结,如图所示。,硅光电池的光谱峰值位置在8000 附近。硅光电池的光谱范
11、围广,即为450011000 之间。,入射光照射在PN结上时,则在PN结内产生电子-空穴对,在内电场的作用下,空穴移向P型区,电子移向N型区,使P型区带正电,N型区带负电,因而PN结产生电势。,光电池的光谱特性,3 光敏二、三极管1)光敏二极管(1)结构和工作原理 光敏二极管又称光电二极管,它与普通半导体二极管在结构上是类似的。,在光敏二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜,入射光通过玻璃透镜正好射在管芯上。发光二极管的管芯是一个具有光敏特性的PN结,它被封装在管壳内。发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。,光敏二极管在电路中处于反向偏置,在没有光照射时,反向电阻很
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