【2017年整理】第8章 光电式传感器.ppt

第8章 光电式传感器;光度计与光敏二极管;光敏三极管与光控开关;测量脉搏或血氧饱和度;光电式传感器;特点： 非接触测量（传感器与被测物无接触），在非接触测量领域占据绝对统治地位 响应速度快、性能可靠 应用范围广泛;主要内容;衡量光强弱的指标;几种环境下的光照度：单位 lx 黑夜：0.001-0.02 月夜：0.02-0.3 阴天室内：5-50 晴天室内：100-1000 阅读书刊所需光照度：50-60 ;一、光电式传感器的基本组成; 光源：良好的光源是保障性能的重要前提，也是传感器设计时容易被忽视的环节 光通路：光传输的通路 被测量可以通过改变光源或光通路，转换为光信号的变化; 光电器件：是光电式传感器的核心，被测量引起光信号的变化后，由光电器件转换为电信号 测量电路：对电信号进行放大等处理;1.1、光源;对光源的要求有： 必须具有足够的光照度和稳定性，以提高灵敏度和信噪比 应保证均匀、无遮挡、无阴影，避免测量误差 照射方式应符合测量要求，具有一定的方向或角度;温度变化对测量可能产生影响，发热量尽可能小，尽可能采用冷光源。 必须具有合适的光谱范围，对光的波长或频率有一定要求，一般多用可见光和近红外光，有些需要指定波长的光 ;光的波长、频率和能量的关系： 波长： 频率： ，c为光速 单个光子的能量：;1.2、常用光源;气体放电光源：气体分子受激发后，产生放电而发光，如荧光灯。特点： 光谱接近日光，也称为日光灯 发光效率高70%，省电，也称为节能灯 含汞，容易造成环境污染;发光二级管：半导体电致发光器件，简称LED。特点： 体积小，无污染，绿色光源 电源电压低，功耗低，发热少，发光效率高 寿命长，可达10万小时 响应快，可用于光电开关 价格较贵;发光二级管的发光原理： 在P区，一部分高能带的电子与低能带的空穴复合，释放能量，产生光子;激光器：某些物体（蓝宝石）受激辐射后放大产生强光 ，特点： 聚光性好 亮度高 单色性好 激光相干性好，是干涉测量的最佳光源 ;二、光电器件的工作原理;2.1、外光电效应及器件;爱因斯坦对光电效应的解释： 电子为了脱离物质的束缚，必须吸收一定的能量做功，称为物质的电子逸出功A 一个电子只能吸收一个光子的能量，所以当光子能量大于电子逸出功，即： 电子就可以脱离物质表面而逸出;产生外光电效应的条件： 因此有： 称为红限频率， 称为红限波长;产生外光电效应的条件是：入射光的频率大于物质的红限频率，或者入射光的波长小于物质的红限波长 否则，无论光有多强（光子数量大），都不能激发出光电子，产生外光电效应;一些物质的红限频率： 金属铯Cs的红限频率小，容易产生外光电效应，常用于制作基于外光电效应的光电器件;基于外光电效应的光电器件主要有： 光电管 光电倍增管;光电管：包括阳极和阴极，阴极常用铯制成，封装在真空的玻璃管中，玻璃管上有一个透光的窗口 ; 工作时，给阳极加正电压，阴极加负电压。当无光照射时，没有电流产生 用光照射阴极后产生外光电效应，发射电子，在电场作用下，被阳极吸引，形成电流 光强越大，光子越多，光电子越多，电流越大;光电管的特点： 结构简单 灵敏度高（20~220uA/lm） 暗电流小（ A） ：无光照射时，电路中的电流，称为暗电流 体积大，工作电压较高;光电管的应用：火灾监测;光电倍增管： 尽管光电管的灵敏度较高，但在非常微弱的输入光情况下，仍难以满足测量要求，需要用到光电倍增管 在光电管的基础上，增加放大电信号的作用;由阴极，阳极和若干倍增极构成 ; 在阴极、倍增极和阳极上依次增大所加的电压 光电倍增极涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。前一级倍增极发射的电子继续轰击后一极倍增极，可产生更多电子;光电倍增管主要用于检测非常微弱的光，比如用于放射线测量的闪烁计数器 闪烁晶体：将放射线转换为微弱的荧光;2.2、内光电效应及器件;光照射到某些半导体材料上，使得处于价带的价电子通过禁带，跃迁到导带，形成导电的自由电子-空穴对，称为内光电效应 要求光子能量大于材料的禁带能量宽度;内光电效应分为： 光电导效应：表现为器件的电导（电阻）的改变 光生伏特效应：表现为器件表面出现正负电荷分布，形成电势;2.2.1、光电导效应及器件;光敏电阻：; 没有极性，可加直流或交流电压 当无光照射时，电阻（称为暗电阻）很大， 级，电路中暗电流很小 当受到光照射时，电阻（称为亮电阻）急剧减小， 级，电路中的亮电流增大;光敏电阻的特性： 光电流：一定外加电压下，亮电流与暗电流之差，常作为光敏电阻的输出量。由于暗电流很小，一般认为光电流就等于亮电流; 光照特性：输出光电流与入射光强之间的关系 存在非线性，不宜做测量元件，一般作为开关元件 ; 光谱特性：灵敏度K与入射光的