传感器原理与应用 第8章 光电式传感器

传感器原理与应用——第八章第八章光电式传感器传感器原理与应用——第八章光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。应用：1、光量变化的非电量；2、能转换成光量变化的其他非电量。特点：非接触、响应快、性能可靠。被测量的变化光信号的变化电信号的变化传感器原理与应用——第八章光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、。传感器原理与应用——第八章传感器原理与应用——第八章传感器原理与应用——第八章传感器原理与应用——第八章8.1概述8.1.1光的特性光波是波长为10~106nm的电磁波。1000,000nm10nm780nm380nm可见光红外光紫外光性质：光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。传感器原理与应用——第八章1905年，爱因斯坦提出了光子假设：光在空间传播时，是不连续的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量子”。1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，并沿用至今。每个光子的能量为E=hν可见，光的频率愈高，光子的能量愈大。传感器原理与应用——第八章8.2.2光源（发光器件）1.白炽光源最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：320nm~2500nm,所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。传感器原理与应用——第八章2.气体放电光源利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气体放电灯。它的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。传感器原理与应用——第八章汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，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，可被用作单色光源。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，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为白炽灯1/2-1/3。传感器原理与应用——第八章构成：由半导体PN结构成。特点：工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。3.发光二极管（LED——LightEmittingDiode）传感器原理与应用——第八章RUNP++++++++++++++++----------------UφUiD++__原理：当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。传感器原理与应用——第八章传感器原理与应用——第八章电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）Eg。所放出的光子能量用hν表示，有gEhcgEchgEh普朗克常数h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eV传感器原理与应用——第八章Eg的单位为eV，1eV=1.6╳10-19J。可见光的波长近似地认为在7×10-7m以下，所以制作可见光区的发光二极管，其材料的禁带宽度至少应大于hc/=1.8eV普通二极管是用硅或锗制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为1.12eV和0.67eV，显然不能使用。传感器原理与应用——第八章通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x＞0.35时，可得到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使在550～900nm间变化。传感器原理与应用——第八章与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～1350LED材料传感器原理与应用——第八章发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰的宽度（用Δ描述）决定光的色彩纯度，Δ越小，其光色越纯。传感器原理与应用——第八章发光二极管的光谱特性0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相对灵敏度Δ传感器原理与应用——第八章U/VI/mA-10-5012GaAsP(红)GaAsP(绿)反向电压应在5V以下!发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。砷磷化镓发光二极管的伏安曲线传感器原理与应用——第八章4、激光器激光（Laser:Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、高亮度和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从0.15μm到远红外整个光频波段范围。X-射线激光器。传感器原理与应用——第八章激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）液体激光器（染料激光器）。半导体激光器（如砷化镓激光器）传感器原理与应用——第八章（1）固体激光器典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器（T.Maiman）。工作物质为红宝石---掺0.05%Cr+3(铬)的Al2O3棒。传感器原理与应用——第八章Nd:YAG激光器掺Nd+3离子的激光器有三种:•玻璃•钇铝石榴石•氟化钇锂（YLF：LiYF4)Nd+3(钕)Y3Al5O12激活离子基质钇铝石榴石传感器原理与应用——第八章（2）气体激光器工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。传感器原理与应用——第八章传感器原理与应用——第八章（3）液体激光器种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。传感器原理与应用——第八章（4）半导体激光器与前几种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。传感器原理与应用——第八章两类：外光电效应和内光电效应。8.2.1外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。8.2光电效应传感器原理与应用——第八章1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的；1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释；1905年，爱因斯坦提出了光子假设。传感器原理与应用——第八章传感器原理与应用——第八章02021Amh爱因斯坦光电效应方程：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A。2.一定时，产生的光电流和光强成正比。3.逸出的光电子具有动能。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。传感器原理与应用——第八章8.2.2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。分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）。1．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度到自由状态，而引起材料电导率的变化。传感器原理与应用——第八章自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带禁带导带价带Eg电子能量Eh≧Eg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，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大gcEhc传感器原理与应用——第八章传感器原理与应用——第八章基于这种效应的光电器件有光敏电阻。传感器原理与应用——第八章①势垒效应（结光电效应）光照射PN结时，若h≧Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。２．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。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。PN传感器原理与应用——第八章②侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。传感器原理与应用——第八章8.3.1光电管及其基本特性１．结构与工作原理8.3外光电效应器件传感器原理与应用——第八章传感器原理与应用——第八章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充气光电管150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012阴极电压/VIA/μA2010050弱光强光1504681012阴极电压/VIA/μA传感器原理与应用——第八章（2）光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。图8-5光电管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.511-氧铯阴极2-锑铯阴极传感器原理与应用——第八章(3)光电管的光谱特性一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料制成，其红限λc=700nm，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。传感器原理与应用——第八章对红外光源，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。型号光谱响应范围(A。)最佳灵敏度波长(A。)最小阴极灵敏度(uA/lm)阳极工作电压(V)暗电流(A)环境温度(℃)GD-52000–60003800–420030303×10-115-35GD-66000–110007000–900010308×10-115-35GD-73000–85004500451008×10-1140国产光电管的技术参数传感器原理与应用——第八章由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成阴极由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可达30级。通常为12~14级。使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。8.3.2光电倍增管及其基本特性传感器原理与应用——第八章IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT传感器原理与应用——第八章入射光阴极K第一倍增极第二倍增极第三倍增极第四倍增极阳极A传感器原理与应用——第八章传感器原理与应用——第八章光电倍增管的电流放大倍数为如果n个倍增电极二次发射电子的数目相同,则Ｍ＝δin因此阳极电流为Ｉ＝i·δin,)(i/Ini48