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光电传感技术.ppt

发布:2019-04-26约1.55万字共126页下载文档
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1.1 常用光源 1.2 光电效应及光电器件 1.3 光电开关及光电断续器 1.4 光电传感器的应用 1.5 光电编码器 光谱仪器中常用的光源有低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯,统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm,钠灯的辐射波长为589nm,它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂,由于光线与涂层材料的作用,荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长,目前荧光剂的选择范围很广,通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长,如,照明日光灯。 气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。 1.2 光电效应及光电器件 1.2.1 光电效应 1.2.2 光电管 1.2.3 光电倍增管 1.2.4 光敏电阻 1.2.5 光敏二极管和光敏晶体管 1.2.6 光电池 1.2.7 光电耦合器件 1.2 光电效应及光电器件 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2-1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2-1 光电式传感器的工作原理 光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。 1.外光电效应 在光线作用下,能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应,如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。 我们知道,光子是具有能量的粒子,每个光子具有的能力由下式确定: 若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时,电子就逸出物体表面,产生电子发射。所以要使一个电子逸出,则光子能量hυ必须超出逸出功A0,超过部分的能量,表现为逸出电子的动能。即 (2-1) 式中:m-电子质量;v0-电子逸出速度。 该方程称为爱因斯坦光电效应方程。 由式(2-1)可知: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。不同物体具有不同的逸出功,这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值,成为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光,光强再大也不会产生光电子发射。 当入射光的频谱成分不变时,产生的光电流与光强成正比。 光电子逸出物体表面具有初始动能,因此外光电效应器件,如光电管即使没有加阳极电压,也会有光电流产生。 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:光电导效应和光生伏特效应。 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。 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2-2所示: 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。 1.2.2 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 的光敏材料徐敷在玻璃泡内 壁上做成,其感光面对准光 图2-3 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。 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2-4(a)和(b)所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。 (2)光电管的光照特性 通常指当光电管的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
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