傳感器原理光傳感器

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1、傳感器技術主講：吳秋寧第五章光傳感器第一節(jié)概述第二節(jié)外光電效應器件第三節(jié)內(nèi)光電效應器件第四節(jié)新型光電傳感器第五節(jié)光敏傳感器的應用舉例光傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。一、光譜光波：波長為10—106nm的電磁波可見光：波長380—780nm紫外線：波長10—380nm，波長300—380nm稱為近紫外線波長200—300nm稱為遠紫外線波長10—200nm稱為極遠紫外線，紅外線：波長780—106nm波長3μm（即300

2、0nm）以下的稱近紅外線波長超過3μm的紅外線稱為遠紅外線。光譜分布如圖所示。第一節(jié)概述遠紫外近紫外可見光近紅外遠紅外極遠紫外0.010.11100.050.55波長/μm光的波長與頻率的關系由光速確定，真空中的光速c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波長λ和頻率ν的關系為ν的單位為Hz，λ的單位為cm。νλ=3×1010cm/s二、光源（發(fā)光器件）1、鎢絲白熾燈用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：可見光外、大量紅外線和紫

3、外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。2、氣體放電燈定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的單色光源。氣體放電燈消耗的能量僅為白熾燈1/2—1/3。3、發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）由半導體PN結構成，其工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應用。在半導體PN結中，P區(qū)的

4、空穴由于擴散而移動到N區(qū)，N區(qū)的電子則擴散到P區(qū)，在PN結處形成勢壘（內(nèi)電場），從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴散。當PN結上加有正向電壓時，勢壘（內(nèi)電場）降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，稱為少數(shù)載流子注入。所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復合，這種復合同時伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。4、激光器激光是20世紀60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個重要特性。激光波長從0.24μm到遠紅外整個光頻波段范

5、圍。激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器。三、光電效應是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應。光電傳感器的工作原理基于光電效應。光電效應分為外光電效應和內(nèi)光電效應兩大類1、外光電效應在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽?、光電倍增管等。光子是具有能量的粒子，每個光子的能量

6、：E=hνh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）根據(jù)愛因斯坦假設，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定理式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應方程。光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸

7、出功，即每一個物體都有一個對應的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。當入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2，因此外光電效應器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且

8、截止電壓與入射光的頻率成正比。當光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應，它多發(fā)生于半導體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類：（1）光電導效應在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導效應?；谶@種效應的光電器件有光敏電阻。2、內(nèi)光電效應過程：當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，如圖，使材